DE3437056A1

DE3437056A1 - Aetzverfahren fuer koerper aus dielektrischer oxidkeramik bzw. dielektrische oxidische (ein-)kristalle

Info

Publication number: DE3437056A1
Application number: DE19843437056
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof. Dr. Linz Bäuerle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1984-10-09
Publication date: 1986-04-10
Also published as: US4666552A; JPS61159582A

Description

Professor Dr. Dieter Bäuerle Unser Zeichen Johannes-Kepler Universität _WPfl ο/ η ο η ο ο nc Α-4040 Linz, Österreich ^VHA -P* r ö U J a Ut

Ätzverfahren für Körper aus dielektrischer Oxidkeramik bzw. dielektrische oxidische (Ein-)Kristalle.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, mit Laserstrahlung Materialbearbeitung durchzuführen, und zwar auch eine solche Bearbeitung, die als ein Ätzen, Schneiden oder Bohren anzusprechen ist. Im Regelfall beruht die Einwirkung der Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Material darin, daß das dem Ätzen vergleichbar zu entfernende Material entsprechend hoch erhitzt wird und wenigstens zu einem Anteil in der umgebenden Sauerstoff-Atmosphäre verbrennt.

Es sind interne Versuche unternommen worden, ein solches Verfahren des Ätzens mit Laserstrahlung auch an Material dielektrischer Oxidkeramik bzw. dielektrischer oxidischer Kristalle, insbesondere Einkristalle, durchzuführen, wobei insbesondere Perowskit-Material im Vordergrund steht. Es handelt sich dabei z.B. um Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Bleizirkonattitanat und dergleichen, nämlich dielektrische Materialien, die in der Elektrotechnik insbesondere auch für Piezokörper weitverbreitete Anwendung finden. Die zahlreichen durchgeführte Versuche waren im Ergebnis vollständig unbefriedigend und diese Ergebnisse ließen auch keine Schlüsse darauf zu, daß ein derartiges Ätzen für Körper aus derartigem Material überhaupt zu einem befriedigenden Ergebnis führen könnte.

Bts 1 BIa / 3.10.1984

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Maßnahmen zu finden, mit denen ein unter Anwendung von Laserstrahlung durchzuführendes Ätzen von Material dielektrischer Oxidkeramik bzw. dielektrischer oxidischer Einkristalle mit Erfolg durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ganz im Gegensatz zu bekannten erosiven, in wenigstens weitgehend oxidierender Atmosphäre vorzunehmenden Materialbearbeitungen mittels Laserstrahlung ist bei der Erfindung vorgesehen, dies in bei entsprechend erhöhter Temperatur für das zu bearbeitende, die Erfindung betreffende Material reduzierend wirkender Atmosphäre durchzuführen. Überraschend war nicht nur die Tatsache, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein derartiges Ätzen überhaupt durchzuführen war, sondern daß darüber hinaus auch die erreichten Ergebnisse voll befriedigend sind. Als für die Erfindung in Frage kommende, für das Oxidmaterial reduzierend wirkende Atmosphäre ist vorzugsweise Wasserstoff zu verwenden, und zwar mit einem Partialdruck zwischen 0 und 1000 HPa. Insbesondere für Keramik und vorzugsweise für Bleizirkonattitanat-Keramik ist ein Wasserstoff-Partialdruck von 50 bis 100 HPa besonders geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in Vakuuum durchgeführt werden. Geeignet ist auch Schutzgas-Atmosphäre, bestehend aus Stickstoff und Wasserstoff mit einem in obengenanntem Bereich liegenden Wasserstoff-Partialdruck.

Mit der Erfindung lassen sich z.B. Furchen in Körper aus wie hier in Frage kommenden dielektrischen Oxidmaterialien, insbesondere in Keramik, hereinätzen, und zwar dies mit relativ

geringem technologischen Aufwand, vergleichsweise zu sonstigen denkbaren Ätzverfahren für Keramik. Besonders ist auf die gute Maßhaltigkeit des nach der Erfindung durchgeführten Ätzens hinzuweisen. Zum Beispiel eignet sich für Bleizirkonattitanat-Keramik eine Laserstrahlungs-Leistung von 0,5 bis 2 Watt bei einem Fleckdurchmesser in der Größenordnung von 50 pm und einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserflecks von beispielsweise 10 pm/s. Für in der Praxis durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren wurden Krypton-Ionenlaser mit einer Wellenlänge von 647,1 nm verwendet.

Mit der Erfindung ließen sich mit z.B. den oben angegebenen Verfahrensparametern Furchentiefen in Bleizirkonattitanat-Keramik in der Größe zwischen 50 pm und 400 pm erzeugen. Die Furchentiefe war jeweils nahezu konstant. Hinsichtlich des Verhältnisses der Breite zur Tiefe einer solchen hergestellten Furche konnten Werte in der Größe von 1:10 bei sehr guter Reproduzierbarkeit erreicht werden. Abmessungsabweichungen eines einmal eingestellten Verfahrensablaufes lagen bei nur wenigen pm. Vergleichsversuche zwischen erfindungsgemäßem Verfahren und einem entsprechenden Verfahren, das jedoch an Luft geführt worden ist, führten zu ganz Undefinierten Ergebnissen, die nicht mehr als definiertes Ätzen anzusprechen sind. Insbesondere ließen sich keine zusammenhängenden Furchen erreichen. Wenigstens in gewissem Maße diskutable Ergebnisse ließen sich bei Laserstrahl-Bearbeitung an Luft nur bei ganz erheblich größeren Laserleistungen erreichen, bei denen jedoch dann die Abmessungen der Furchen, insbesondere der Tiefe und Breite derselben, sehr stark unterschiedlich waren.

Für feine Streifen, z.B. im pm-Bereich, ist bevorzugt ultraviolette oder sichtbare Laserstrahlung, z.B. eines Argon-Ionenlasers bzw. eines Krypton-Ionenlasers zu verwenden.

CCU-Laser und Nd:YAG-Laser sind bevorzugt für vergleichsweise größere Strukturen, z.B. mit Abmessungen auch im mm-Bereich und/oder für ganze Elektrodenflächen, zu verwenden. Zu bearbeiten sind nach der Erfindung vorzugsweise Bariumtitanat, Strontiumtitanat und Bleizirkonattitanat, bekannt als PZT, die als Kondensatorkeramik bzw. als Keramik für piezoelektrische Elemente weitverbreitete Anwendung in der Elektrotechnik haben.

Ausgerüstet mit der Erkenntnis der voranstehend beschriebenen Erfindung ist der Fachmann ohne weiteres in der Lage, für den einzelnen praktischen Anwendungsfall, d.h. für jeweiliges dielektrisches Oxidmaterial - sei es als Keramik, sei es als (Ein-)Kristall - jeweilige optimale Verfahrensparameter, z.B. auch durch Versuche, zu ermitteln. Optimale Werte der Verfahrensparameter hängen auch von den Abmessungen der jeweiligen herzustellenden Ätzstrukturen ab. Zum Beispiel kann auch als zusätzlicher Parameter bzw. als zusätzliche Verfahrensmaßnahme vorgesehen sein, eine Zusatzbzw. Vorheizung vorzusehen, mit der der zu bearbeitende Körper auf Temperaturen bis zu etwa 200 bis 300^eC vorgeheizt wird. Bei solchen Temperaturen wirkt der Wasserstoff noch nicht reduzierend auf bzw. für das Oxidmaterial.

Die Figur zeigt mit 1 bezeichnet einen Körper aus dem betreffenden, mit der Erfindung zu bearbeitenden Material. Auf der Oberfläche 2 dieses Körpers ist eine mit 3 bezeichnete, herzustellende Ätzstruktur angedeutet. Der mit 4 bezeichnete Laserstrahl wird gesteuert auf dem Weg geführt, der schließlich diese Ätzstruktur ergibt. Die Ätzstruktur 3 ist beispielsweise eine Furche. Vorzugsweise wird der Körper 1 bei hinsichtlich seines Fokus und seiner Richtung konstant gehaltenem Laserstrahl 4 diesem gegenüber bewegt. Es kann auch ein Wobbein des Strahlfleckes vorgesehen sein.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich der Körper 1 in einem Gehäuse oder Rezipienten 5, in dem die vorzusehene Atmosphäre, z.B. Wasserstoff zwischen O und 1000 HPa aufrechtzuerhalten ist. Mit 7 ist auf eine fakultativ zu verwendende Einrichtung zur Vorheizung hingewiesen.

- Leerseite -

Claims

84? 8:0 3 9 OE Patentansprüche:

1. Ätzverfahren zur Herstellung von Strukturen in der Oberfläche eines Körpers unter Verwendung von Laserstrahlung, gekennze ichnet dadurch,

- daß für einen Körper (1) aus dielektrischer Oxidkeramik bzw. dielektrischem oxidischen (Ein-)Kristallmaterial

- die Laserstrahl-Bearbeitung (4, 41) in einer bei höheren Temperaturen für das betreffende Material des Körpers (1) reduzierend wirkender Atmosphäre (H₂) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Wasserstoff-Atmosphäre von O bis 1000 HPa verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Wasserstoff-Atmosphäre mit etwa 100 HPa verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Wasserstoff-Atmosphäre Bestandteil verwendeten Schutzgases ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß es bei erhöhter Umgebungstemperatur (Vorheizen 7) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß Strahlung (4) eines Ionenlasers des Argons oder des Kryptons verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß Strahlung eines CQ^-Lasers verwendet wird.

-/- 84"? 8 03 9QE

8. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Perowskit-Material.