DE4110745C2 - Verfahren zum Materialabtrag an schwer bearbeitbarem, im wesentlichen aus keramischem Material bestehendem Basismaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines keramischen Materials, insbesondere ein Verfahren, bei dem in wirk­ samer, präziser und sorgfältiger Weise Bohren, Schneiden, Gravieren und andere Bearbeitungsvorgänge an einem keramischen Material zur Anwendung kommen, das in einem elektronischen Substratmaterial, einem elektronischen Gerät und Bauteil und dergleichen eingesetzt wird.

Keramisches Material ist durch die größere Festigkeit und Härte den gewöhnlichen Metallen überlegen. Da das keramische Mate­ rial bei der Formgebung durch Brennen um mehr als 10% schrumpft, ist eine zweite Bearbeitung wesentlich, um aus dem keramischen Material gebildete Teile von hoher Maßgenauigkeit zu erhalten. Diese zweite Bearbeitung ist jedoch wegen der großen Festigkeit und Härte des keramischen Materials äußerst schwierig.

Herkömmliche Schleif- und Ultraschallbearbeitungen usw. dienten zum Bohren, Schneiden und Gravieren des keramischen Materials. Wenn dieses Material so mechanisch bearbeitet wird, besteht jedoch die Neigung zur Bildung von Rissen oder Sprüngen im Material. Demgemäß ist es schwierig, auf solche mechanische Weise ein keramisches Ma­ terial mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten. Ferner bringen die genannten Verfahren das Problem mit sich, daß das benutzte Werkzeug verschleißt und die Arbeitsleistung dann absinkt.

Die Japanische Offenlegungsschrift 63-190789 von Ishii beschreibt ein Verfahren, bei dem das keramische Material durch Photoätzung be­ arbeitet wird. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 1C wird nach­ folgend ein Photoätzverfahren beschrieben. Bei diesem Verfahren wird - wie in Fig. 1A gezeigt - zunächst ein wärme- und säurebe­ ständiger Photoresist 2 auf die Oberfläche eines Werkstücks 1 auf­ gebracht. Ein gewünschtes Bearbeitungsmuster wird dann durch Belich­ tung auf den Resist übertragen, und der unnötige Anteil wird weg­ gewaschen und entfernt, um ein Resistmuster 3 wie in Fig. 1B gezeigt zu bilden. Anschließend erfolgt die Ätzung mit einer bei einer hohen Temperatur (300°C) siedenden Phosphorsäure bis zu einer gewünschten Tiefe, um - wie in Fig. 1C gezeigt - Vertiefungen 4 zu bilden. Da­ nach wird der Resist mit einem Entferner abgeschält.

Nach dem Photoätzverfahren erfolgt die Bearbeitung jedoch in einer korrodierenden Atmosphäre bei hoher Temperatur, so daß der Resist während der Ätzung leicht beschädigt wird. Der Resistschaden erleichtert die Bildung von Mängeln an dem Werkstück. Es entstehen auch erhöhte Kosten für den Schutz des zur Durchführung der Ätzung benutzten Behälters gegen Korrosion und Schäden. Ein Ätzbetrieb be­ inhaltet auch erhebliche Gefahren. Ferner bleiben die bei einem allgemeinen Ätzverfahren üblichen Probleme, daß die Bearbeitungs­ geschwindigkeit und die Bearbeitungsleistung niedrig liegen und daß es unmöglich ist, bis zu einem Geometrieverhältnis (Bearbeitungs­ tiefe/Bearbeitungsbreite) von 1 oder mehr zu bearbeiten.

Auf der anderen Seite wurde ein Verfahren der kontaktfreien Bearbeitung mit Laser entwickelt. Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2-38587 von Morita et al beschreibt ein Bearbeitungsverfahren unter Benutzung einer Bearbeitung durch Laser und einer Naßätzung. Bei diesem Verfahren wird zunächst auf einem Werkstück durch Ein­ strahlung eines Laserstrahls eine geschmolzene-erstarrte Schicht gebildet. Dann wird das Werkstück in einem Ätzmittel, das in Bezug auf die geschmolzene-erstarrte Schicht eine hohe Ätzgeschwindigkeit hat, naß geätzt. Die geschmolzene-erstarrte Schicht wird durch Ätzen entfernt.

Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 64-77506 von Takeuchi et al beschreibt ebenfalls ein Bearbeitungsverfahren, bei dem eine Laser- und Ätzbehandlung durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren erfolgt zunächst eine Bearbeitung, wie Bohren oder Schneiden, des Werkstückes aus keramischem Material durch Einstrahlung eines Lasers. Das keramische Material wird in dem bearbeiteten Teil metallisiert. Der metallisierte Teil wird dann durch Ätzen entfernt.

Diese Verfahren können nur bei Materialien angewendet werden, die in dem durch Laser bestrahlten Teil geschmolzen-erstarrt oder metallisiert sind. Diese Materialien umfassen Metalle (insbesondere Legierungen), die durch Laser einer Schmelz-Erstarrung unterzogen werden können, und keramisches Nitridmaterial (z. B. Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) und dergleichen), das durch Laser metallisiert werden kann, während sie nicht ein keramisches Oxid­ material (z. B. Aluminiumoxid) oder ein keramisches Carbidmaterial (z. B. Siliziumcarbid (SiC)) umfassen, die sich nur äußerst schwierig metallisieren lassen. Bei der Bearbeitung von keramischen Oxid- oder Carbidmaterialien nach diesen Verfahren ergab sich in Bezug auf den charakteristischen Widerstand gegenüber dem Ätzmittel ein gerin­ ger Unterschied zwischen dem durch Laser bestrahlten Teil und dem unbestrahlten Teil. Demgemäß war es sehr schwierig, die Ätzung selek­ tiv nur an dem durch Laser bestrahlten Teil anzuwenden. Ferner konnte bei einem Verfahren, bei dem die Ätzung nach der Schneid- oder Bohrbearbeitung des Werkstücks durch Laser erfolgt, die zu bearbeitende Mindestgröße nicht kleiner als die durch einen Laser zu bearbeitende normale Größe gemacht werden.

Aus US-A-3 696 504 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Bohren von Löchern in schwer bearbeitbaren Materialien bekannt, bei dem zunächst durch Lasereinstrahlung ein erstes Bohrloch gebohrt wird. Aufgrund der Lasereinwirkung erfolgt in dem unmittelbar an das Bohrloch angrenzenden Bereich eine Umschmelzung und die Ausbildung von Rissen. Dieser umgeschmolzene, Risse enthaltende Bereich wird in einer zweiten Stufe mittels mechanischen Bohrens entfernt.

Ferner ist aus Swoboda, U., u. a., "Excimerlaser-Bearbeitung keramischer Werkstoffe - Ergebnisse und physikalische Vorgänge", in: "Lambda Industrial No. 5", 1989, Fa. Lambda Physik GmbH, Göttingen, ein Verfahren zum Bearbeiten keramischer Werkstoffe mit Excimerlaserstrahlung von 193, 248 und 308 nm bekannt. Es werden Abtragraten im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 µm pro Laserpuls erzielt. Wegen der geringen Pulsdauer der verwendeten Laser und der sehr kleinen Eindringtiefe sind der Wärmeeinflußbereich und die Schmelzzone sehr gering. Dadurch ist die Gefahr der Bildung von Mikrorissen praktisch aufgehoben.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, bei dem ein Material, das im wesentlichen ein keramisches Oxidmaterial oder ein keramisches Carbidmaterial umfaßt, mit einem hohen Geometrieverhältnis (z. B. 1 oder mehr) in einer kürzeren Zeitspanne bearbeitet werden kann als bei herkömmlichen Verfahren. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, bei dem eine Feinbearbeitung des keramischen Materials wirksam durchgeführt werden kann. Schließlich soll bei dem Verfahren ein Basismaterial ohne Schädigung an der Oberfläche des Materials bearbeitet werden, das im wesentlichen ein keramisches Material umfaßt.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Materialabtrag an schwer bearbeitbarem, im wesentlichen aus keramischem Material bestehendem Material gelöst, bei dem in einem ersten Bearbeitungsschritt im abzutragenden Bereich durch Einstrahlen eines Energiestrahls, insbesondere eines Laser- oder Elektronenstrahls, Risse gebildet werden und das abzutragende Material in einem zweiten Bearbeitungsschritt durch Erweitern und Verlängern dieser Risse entfernt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zum Abtrag keramischen Materials die Erweiterung und Verlängerung der Risse mittels Vibration, thermischem Schock oder Ätzen erfolgt.

Es wird ein Verfahren der Bearbeitung eines im wesentlichen ein keramisches Material umfassenden Basismaterials geschaffen. Das Verfahren umfaßt ein Einstrahlungsverfahren zur Einstrahlung eines Energiestrahls auf das Basismaterial zur Bildung eines angegriffenen Teil, der in dem Basismaterial mit Sprüngen versehen ist, und ein Entfernungsverfahren zur Entfernung des ange­ griffenen Teils. Durch die Einstrahlung eines Energiestrahls auf ein im wesentlichen ein Keramikmaterial aufweisendes Basismaterial, das chemisch beständig ist und eine überragende Korrosionsbeständig­ keit aufweist, wird der durch den Strahl bestrahlte Teil des Basis­ materials erhitzt und geschmolzen. Nach der Einstrahlung des Energie­ strahls bilden sich in dem bestrahlten Teil Risse. Ferner ist zu vermuten, daß die Zusammensetzung des bestrahlten Teils sich ändern kann (beispielsweise sinkt bei einem keramischen Oxidmaterial der Sauerstoffgehalt ab). Im Ergebnis hat der mit dem Strahl bestrahlte Teil, d. h. der angegriffene Teil, Risse und Eigenschaften, die von denen des unbestrahlten Teils, d. h. des Basismaterials, verschieden sind. Da die Risse bzw. Sprünge die Funktion haben, den angegriffe­ nen Teil und das Basismaterial zu trennen, wird in den folgenden Entfernungsverfahren der angegriffene Teil durch Ausnutzung der Sprünge bzw. Risse entfernt. Ferner kann die Entfernung des ange­ griffenen Teils in dem Entfernungsverfahren weiter beschleunigt werden, wenn man die Differenz der Eigenschaften zwischen dem ange­ griffenen Teil und dem Basismaterial, z. B. die Differenz der Lös­ lichkeiten in einer bestimmten Lösung, ausnutzt.

Das zu bearbeitende Basismaterial umfaßt im wesentlichen ein keramisches Material, und das keramische Material umfaßt ein kera­ misches Oxidmaterial, ein keramisches Carbidmaterial, ein kerami­ sches Nitridmaterial und andere anorganische feste Materialien. Ins besondere kann die Erfindung wirksam bei der Bearbeitung eines kera­ mischen Oxidmaterials und eines keramischen Carbidmaterials zur An­ wendung kommen. Ein keramisches Oxidmaterial umfaßt z. B. Aluminium­ oxid, Zirkoniumoxid, Forsterit und andere Metalloxide. Ein kerami­ sches Carbidmaterial umfaßt Siliziumcarbid, Borcarbid und andere Metallcarbide.

Der auf das Basismaterial eingestrahlte Energie­ strahl umfaßt einen Laserstrahl, einen Elektronenstrahl, einen Ionen­ strahl und andere Strahlen, in denen Energie konzentriert ist. Der Laserstrahl und der Elektronenstrahl werden bevorzugt eingesetzt. Der Energiestrahl kann auf eine vorbestimmte Stelle des Basismate­ rials eingestrahlt werden. Das Basismaterial kann durch Abtasten des Energiestrahls in unterschiedlichen Gestaltformen bearbeitet werden. Die Gestalt, die Tiefe und die Breite des von dem Energie­ strahl bearbeiteten Teil kann durch Steuerung wenigstens einer Ausgangsgröße des Energiestrahls, der Abtastgeschwindigkeit, des Abtastschrittes und der Abtastzahl gesteuert werden.

Das Verfahren zur Entfernung des Teils des Basismaterials, das bestrahlt und von dem Energiestrahl angegriffen wurde, umfaßt Vibration, thermischen Schock oder Ätzen. Das Entfernungsverfahren umfaßt ein Verfahren zur Entfernung des angegriffenen Teils, indem man das Basismaterial in Schwingungen versetzt, um eine Ausdehnung der Risse zu erreichen. Die in dem Basismaterial durch Einstrahlung des Energiestrahls gebildeten Risse wachsen infolge der Schwingungen. Bei fortgesetzter Vibration verbinden sich die Risse untereinander, so daß der angegriffene Teil von dem Basismaterial getrennt wird. Schließlich wird der angegriffene Teil durch die Vibrationen vollständig von dem Basismaterial getrennt. Während die Art der Schwingungen nicht besonders beschränkt ist, können Ultraschallschwingungen als bevorzugte Schwingungsformen dienen.

Gemäß einer weiteren Alternative umfaßt das Entfernungsverfahren ein Verfahren zur Entfernung des angegriffenen Teils, bei dem man dem Basismaterial einen thermischen Schock versetzt, um die Risse zur Ausdehnung zu bringen. Der thermische Schock kann bei­ spielsweise erzeugt werden, indem man das Basismaterial unmittel­ bar nach seiner Erhitzung abkühlt. Je größer die Differenz zwischen der Erhitzungstemperatur und der Abkühlungstemperatur ist, umso größer wird der thermische Schock. Die Temperaturdifferenz kann auf einen geeigneten Wert in dem Bereich festgesetzt werden, in dem das Basismaterial selbst nicht zerstört wird. Die in dem angegriffenen Teil, das einen anderen Ausdehnungskoeffizienten als das Basismate­ rial hat, gebildeten Risse und Sprünge werden wegen der plötzlichen Schrumpfung oder Expansion des Basismaterials durch den thermischen Schock größer bzw. dehnen sich als. Infolgedessen bewirken die aus­ gedehnten und gewachsenen Risse eine Trennung des angegriffenen Teils von dem Basismaterial.

Gemäß einer weiteren Alternative umfaßt die Entfernung ein Ver­ fahren zur Entfernung des angegriffenen Teils durch Ätzung des Ba­ sismaterials. Das Ätzen kann beispielsweise durch Einlegen des Ba­ sismaterials in ein Ätzmittel erfolgen. Das Ätzmittel kann eine wäßrige Lösung von Phosphorsäure, Chlorwasserstoffsäure oder Schwefelsäure sowie eine wäßrige Lösung von Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid sein. Nach dem Einweichen des Basismaterials in dem Ätzmittel dringt das Ätzmittel durch die in dem angegriffenen Teil gebildeten Risse und Sprünge zur Innenseite des angegriffenen Teils. Das Ätzmittel erodiert den angegriffenen Teil und bewirkt eine Expansion und ein Wachsen der Risse. Infolgedessen wird der angegriffene Teil von dem Basismaterial durch Ätzung entfernt. Wenn das Basismaterial im wesentlichen ein keramisches Oxidmaterial ist, wurde vermutlich der Sauerstoffgehalt in dem angegriffenen Teil verringert. Die Änderung der Zusammensetzung macht die Ätz­ mittelerosion des betroffenen Teils im Vergleich zum Basismaterial leichter. Der angegriffene Teil wird bei dem Ätzverfahren durch die infolge der Änderung der Zusammensetzung eintretende Expansion und das Wachstum der Risse schnell vom Basismaterial getrennt.

Ferner kann die Entfernung auch ein Verfahren zur Ätzung des Basismaterials bei gleichzeitiger Vibration umfassen. In diesem Fall wird das Basismaterial geätzt, wobei die Risse in dem betrof­ fenen Teil durch Vibration wachsen und expandieren, so daß der an­ gegriffene Teil wirksam und in einer kürzeren Zeitspanne entfernt werden kann. Weiterhin kann die Entfernung auch ein Verfahren zur Ätzung des angegriffenen Teils umfassen, bei dem die Risse durch einen thermischen Schock und/oder Vibration ausgedehnt und expan­ diert werden. Die ausgedehnten und expandierten Risse begünstigen die Entfernung des angegriffenen Teils durch die Ätzung.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetz­ te Basismaterial kann ein Basismaterial sein, auf dem ein Resist­ film ausgebildet ist. Als Resistfilm kann beispielsweise ein Film aus synthetischem Harz dienen. Wenn der Energiestrahl auf den Re­ sistfilm eingestrahlt ist, wird der bestrahlte Resistfilm entfernt (d. h. das Bildmuster wird gebildet), und der Teil des Basismate­ rials unter dem entfernten Resistfilm wird von dem Energiestrahl angegriffen. Anschließend wird der angegriffene Teil des Basis­ materials beispielsweise durch Ätzen dieses Materials entfernt. In diesen Fall wird der unbestrahlte Teil des Basismaterials durch den Resistfilm geschützt, so daß eine Schädigung des Basismaterials in dem Entfernungsverfahren, wie z. B. der Ätzung, vermieden wird. Wein eine Ätzung zur Entfernung dient, kann ferner ein stark erosi­ ves Ätzmittel eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die zur Ätzung erforderliche Zeit abgekürzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Basismaterial durch Einstrahlung eines Energiestrahls auf das im wesentlichen ein keramisches Material umfassende Basismaterial ein Risse bzw. Sprünge aufweisender, angegriffener Teil gebildet. Dieser Teil kann selbst in einem keramischen Oxidmaterial und einem keramischen Carbidmaterial, die sich äußerst schwierig metallisieren lassen, leicht gebildet werden. Der betroffene Teil kann nach den verschie­ denen oben beschriebenen Verfahren entfernt werden. Erfindungsgemäß kann daher ein Basismaterial bearbeitet werden, das im wesentlichen ein keramisches Oxidmaterial oder ein keramisches Carbidmaterial enthält. Wenn die Bedingungen der Energieeinstrahlung gesteuert werden, kann ferner die Gestalt, die Tiefe und die Breite des ange­ griffenen Teils verändert werden. Durch Entfernung des angegriffenen Teils können dann in dem Basismaterial bearbeitete Teile gebildet werden, die verschiedene Gestalt, Tiefe und Breite haben. Wenn daher der angegriffene Teil nach der Bestrahlung mit dem Energiestrahl unter geeigneten Bedingungen entfernt wird, können die bearbeiteten Teile ein hohes Geometrieverhältnis (z. B. 1 oder mehr) haben.

Da die Größe des die Sprünge aufweisenden, angegriffenen Teils kleiner als die Größe gemacht werden kann, die man bei herkömmli­ cher Laserbearbeitung erreicht, kann eine feinere Bearbeitung des Basismaterials als bei konventioneller Bearbeitung erreicht werden. Die Bildung der Sprünge aufweisenden, angegriffenen Teile, die durch einen Energiestrahl in Löcher ober Vertiefungen überführt werden kann, ermöglicht es auch, die Löcher oder Vertiefungen in kürzerer Zeit zu bilden als wenn die Löcher oder Vertiefungen selbst in dem Basismaterial durch den Energiestrahl gebildet würden. Wenn ein Verfahren zur Entfernung des angegriffenen Teils durch Ätzung angewendet wird, kann die Bearbeitung in einer kürzeren Zeit­ spanne durchgeführt werden, verglichen mit dem herkömmlichen Ver­ fahren unter Einschluß von Laserbearbeitung und Ätzung.

Wenn der Resistfilm auf der Oberfläche des Basismaterials ge­ bildet ist, kann das Basismaterial - wie oben angegeben - bearbei­ tet werden, ohne daß andere Teile als die geschädigt werden, die auf der Oberfläche des Materials zu bearbeiten sind.

Die Erfindung wird aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung deutli­ cher.

Die Fig. 1A bis 1C sind Schnitte, die ein Verfahren zeigen, bei dem ein Keramikmaterial unter Benutzung der herkömmlichen Photo­ ätzung bearbeitet wird.

Fig. 2 ist ein Schnitt eines Basismaterials (Forsterit) mit Löchern, die nach einer ersten erfindungsgemäßen Aus­ führungsform gebildet sind.

Fig. 3 ist eine Schemazeichnung, die zeigt, wie ein Laser­ strahl auf ein Basismaterial einschließlich keramischem Aluminium­ oxidmaterial (Al₂O₃) in einer dritten Ausführungsform der Erfindung eingestrahlt wird.

Fig. 4 ist ein Schnitt des Basismaterials mit dem aufgestrahl­ ten Laserstrahl, wobei die betroffenen Teile nach der dritten Aus­ führungsform gebildet werden.

Fig. 5 ist ein Schnitt, nachdem das in Fig. 4 gezeigte Basis­ material geätzt wurde.

Fig. 6A ist ein Diagramm, das eine Anzahl geschmolzener, am Basismaterial befindlicher Materialien nach Bestrahlung durch den Laserstrahl gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 6B ist ein Diagramm, welches zeigt, daß die geschmolzenen Materialien nach der Ätzbehandlung gemäß der vierten Ausführungs­ form der Erfindung von dem Basismaterial vollständig entfernt wor­ den sind.

Fig. 7 ist ein Schnitt eines Aluminiumoxid-Basismaterials, auf das durch den Laserstrahl in einer fünften Ausführungsform Gravuren aufgebracht wurden.

Fig. 8 ist ein Bild des angegriffenen Teils, das man bei der fünften Ausführungsform durch ein Rasterelektronenmikroskop erhielt.

Fig. 9 ist ein Schnitt des Basismaterials, bei dem nach der fünften Ausführungsform ein gewünschter bearbeiteter Teil gebildet wurde.

Fig. 10 ist ein Diagramm des Querschnitts eines Basismaterials einschließlich Aluminiumoxid mit Löchern, die nach einer sechsten Ausführungsform gebildet wurden.

Fig. 11 ist ein Schnitt, der die Oberfläche eines Basismateri­ als einschließlich eines keramischen Aluminiumoxidmaterials zeigt, auf dem nach einer siebenten Ausführungsform der Erfindung ein Re­ sistfilm gebildet wurde.

Fig. 12 ist eine Schnittdarsteilung, nach der ein Laserstrahl auf einen gewünschten Teil auf dem in Fig. 11 gezeigten Resistfilm eingestrahlt wird.

Fig. 13 ist ein Schnitt, der das Basismaterial zeigt, in dem nach der siebenten Ausführungsform schließlich Vertiefungen ausge­ bildet sind.

Fig. 14 ist ein Schnitt eines Basismaterials einschließlich eines Keramikmaterials, auf dem nach einer achten Ausführungsform ein Resistfilm gebildet ist.

Fig. 15 ist ein Schnitt des Basismaterials, auf dem nach der achten Ausführungsform durch Bestrahlung ein Resistmuster und ein geschmolzenes Muster gebildet wurde.

Fig. 16 ist ein Schnitt des Basismaterials, nach dem gemäß der achten Ausführungsform die Bearbeitung beendet wurde.

Als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nach­ folgend ein Fall beschrieben, bei dem ein Basismaterial unter Ein­ schluß eines keramischen Oxidmaterialkomplexes (Forsterit 2MgO·SiO₂) gebohrt wird. Zum Bohren dient ein Elektronenstrahl. Die Kennwerte des Elektronenstrahls sind wie folgt. Beschleunigungsspannung: 60 kV, Strahlstrom: 40 mA, Impulsdauer: 200 µs. Nach der Einstrahlung des Elektronenstrahls wird das Basismaterial 20 Minuten einer Ultraschall­ vibration von 47 kHz in Äthylalkohol ausgesetzt. Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Basismaterials, wenn die Bohrung beendet ist. Indem man das Basismaterial in dieser Weise der Ultraschallvibration aus­ setzt, kann der durch das Strahllicht bestrahlte Teil entfernt wer­ den.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachfol­ gend ein Fall beschrieben, bei dem ein Basismaterial einschließlich eines oxidkeramischen Materials (Zirkoniumoxid ZrO₂) bearbeitet wird. Das Basismaterial wird durch einen YAG-Laser bearbeitet. Die Kenn­ daten des Lasers sind wie folgt: Maximale Ausgangsleistung: 2,4 kW; Impulsdauer: 200 µs. Das Basismaterial wird durch den Laser gebohrt und dann 3 Minuten in Wasser von 90°C getaucht. Dann wird das Basis­ material in flüssigen Stickstoff von -70°C gelegt und so das Mate­ rial einem thermischen Schock ausgesetzt. Da die Temperaturdifferenz, bei der Zirkoniumdioxid einem thermischen Schock standhält, 200°C beträgt, erfolgt der thermische Schock mit einer Temperaturdifferenz von 200°C oder weniger. Dieses Verfahren der thermischen Schock­ einwirkung wird etwa 5-mal wiederholt, so daß der durch den Laser bestrahlte Teil entfernt werden kann.

Wenn bei dem oben beschriebenen Verfahren das durch einen Energie­ strahl, wie z. B. einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl, bear­ beitete Material einem geeigneten thermischen Schock oder einer Vi­ bration ausgesetzt wird, tritt an der Grenze zwischen dem bestrahl­ ten Teil und dem unbestrahlten Teil eine Ausbreitung und Expansion der gebildeten Risse ein. Da die Mikrorisse sich ausbreiten und wachsen, wird der durch den Strahl beaufschlagte Teil in einer ver­ gleichsweise kurzen Zeitspanne wirksam entfernt.

Nachfolgend wird entsprechend der Darstellung in Fig. 3 eine dritte Ausführungsform beschrieben, bei der ein Basismaterial, das im wesentlichen ein keramisches Aluminiumoxidmaterial (Al₂O₃) ist, zur Gravierung mit einem CO₂-Laser bearbeitet wird.

Nach Fig. 3 wird der von einem CO₂-Laseroszillater 11 gelie­ ferte Laserstrahl 12 durch Reflexionsspiegel 13 und 13′ in eine ge­ wünschte Position geführt. Die Reflexionsspiegel 13 und 13′ werden durch Antriebsmechanismen 14 und 14′ angetrieben. Der CO₂-Laser- Oszillator 11 und die Antriebsmechanismen 14 und 14′ werden durch ein Systemsteuergerät 15 gesteuert. Der in die gewünschte Position geführte Laserstrahl 12 wird durch eine Kondensorlinse 16 auf ein Werkstück 21 aus einem keramischen Aluminiumoxidmaterial fokussiert. Durch die Einstrahlung des Lasers wird auf dem Werkstück 21 ein an­ gegriffener Teil 22 gebildet. Der Betrieb der Antriebsmechanismen 14 und 14′ durch das Systemsteuergerät 15 stellt die Einstrahlungs­ position des Laserstrahls auf dem Werkstück 21 ein. Der CO₂-Laser- Oszillator 11 wird ebenfalls durch das Systemsteuergerät 15 hin­ sichtlich der Ausgangsleistung des Lasers und seines Impulszustands gesteuert. Die Einstrahlungsposition und der Zustand dem Laserein­ strahlung werden auf Grund einer vorherigen Programmeingabe in das Systemgerät 15 gesteuert.

Der durch den Laser bestrahlte Teil des Werkstücks 21 wird geschmolzen und durch die Wärme angegriffen. Wie in Fig. 4 gezeigt, hat der betroffene Teil 22 eine Vielzahl von winzigen Rissen. Zu­ sätzlich ist anzunehmen, daß sich die Zusammensetzung des beauf­ schlagten Teils 22 verändert hat (z. B. ist der Sauerstoffgehalt verringert). Der angegriffene Teil 22 kann durch Einstellung der Bedingungen der Lasereinstrahlung und Abtastung in irgendeiner Brei­ te und Tiefe ausgebildet werden. Daher kann sich auch ein angegrif­ fener Teil 22A bilden, der in terrassenförmige Vertiefungen über­ gehen kann. Beispielsweise wird ein Laserstrahl mit einer Laserausgangsleistung von 100 W, der Laserabtast­ geschwindigkeit von 1 m/min und einer Abtastschrittbreite von 100 µm verwendet, wodurch Vertiefungen einer Tiefe von etwa 1 mm erhalten werden kön­ nen. Die Breite der Vertiefungen kann in diesem Fall gemäß der Gleichung erhalten werden: Abtastschrittbreite (100 µm) × Abtastzahl + Strahldurchmesser (etwa 200 µm).

Nachdem der angegriffene Teil 22 in der gewünschten Form und in dem gewünschten Muster gebildet wurde, wird das Werkstück 21 in einer sauren wäßrigen Lösung geätzt, die auf eine vorbestimmte Tem­ peratur erwärmt und aktiviert wurde. Beispielsweise wird das Werk­ stück 21 in einer wäßrigen Phosphorsäure-Lösung mit einer Konzen­ tration von 85% etwa 1 Stunde bei 180 bis 200°C geätzt. Während das Basismaterial des Werkstücks 21 durch dieses Ätzmittel nicht geätzt wird, durchdringt das Ätzmittel die Risse und Sprünge des angegriffenen Teils 22 und entfernt in wirksamer Weise nur den an­ gegriffenen Teil 22. Wie in Fig. 5 gezeigt, können Vertiefungen 23 und 23a von einer gewünschten Gestalt und in dem gewünschten Muster gebildet werden.

Die Einstrahlung eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls auf ein chemisch beständiges und hochkorrosionsfestes keramisches Mate­ rial bringt den von dem Strahl getroffenen Teil des keramischen Materials zum Schmelzen und bildet in ihm Risse. Ferner wird die Zusammensetzung dieses Teils verändert. Im Ergebnis wird der Grad der Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Ätzmittel in dem bestrahl­ ten Teil verringert, und das Ätzmittel beginnt durch die Risse in diesen Teil einzudringen. Daher kann das Ätzen selektiv nur den ge­ schmolzenen Teil entfernen, wobei die Bedingung so ist, daß das Basismaterial des Werkstücks nicht geätzt wird.

Nachfolgend wird als vierte Ausführungsform die Bildung von Schlitzen auf einem keramischen Aluminiumoxidmaterial beschrieben. Zur Bildung eines Schlitzes auf einer Platte aus einem keramischen Aluminiumoxidmaterial einer Dicke von 0,25 mm mit einem CO₂-Laser wurde beim konventionellen Verfahren das keramische Aluminiumoxid­ material mit dem Laser geschmolzen und zur Eliminierung des ge­ schmolzenen Materials wurde dieses mit dem Laserstrahl von z. B. einer Ausgangsleistung von etwa 20 W und einer Abtastgeschwindigkeit von 0,1 m/min auf eine möglichst hohe Temperatur erhitzt, um eine niedrige Viskosität zu haben. Diese Einstrahlung des Strahles reduzierte die Haftung des geschmolzenen Materials um einen möglichst großen Betrag. Im Ergebnis vergrößerte sich der effektive Strahldurchmesser und die Breite, in der die Wärme aufgebracht wurde, so daß es schwierig war, Breiten der zu bildenden Vertiefungen von weniger als 200 µm zu realisieren. Im Gegensatz dazu besteht bei der Ausführungsform keine Notwendigkeit, das geschmolzene Material des keramischen Alu­ miniumoxidmaterials durch den Laserstrahl zu eliminieren. Es ist nur ein angegriffener Teil zu bilden, bis dieser die andere Ober­ fläche des Basismaterials erreicht, so daß als Zustandswerte des Strahls eine Ausgangsleistung von 8 W und einer Abtastgeschwindigkeit von 0,1 m/min ausreichend sind. Das Basismaterial wird nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl wie in der dritten Ausführungsform in das Ätzmittel getaucht. Ob gleich diese Verringerung der Ausgangsleistung des Strahls die Haf­ tung des geschmolzenen Materials an dem bearbeiteten Teil zur Fol­ ge hat, kann die Breite der zu bildenden Rillen auf 90 µm verrin­ gert werden, was die Hälfte der Breite der herkömmlichen Rillen oder noch weniger ist. Daher ist es möglich, Schlitze mit einem Abstand von 180 µm zu bilden. Während eine große Menge des ge­ schmolzenen Materials nach der Laserbestrahlung entsprechend Fig. 6A an dem Basismaterial hängt, ist das geschmolzene Material nach der Ätzung vollständig entfernt, wie aus Fig. 6B ersichtlich ist.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung als fünfte Ausführungsform der Erfindung das Gravieren von Aluminiumoxid be­ schrieben. Fig. 7 zeigt den Querschnitt eines Alumniumoxid-Basis­ materials, auf das durch einen Laser eine Gravierung aufgebracht wird. Aus dem Aluminiumoxid-Basismaterial 5 sind durch den Laser­ strahl 12 Vertiefungen 6 und 6′ gebildet. Nach der Bearbeitung hängt an den Vertiefungen 6 und 6′ ein durch die Strahlwärme angegriffe­ ner Teil 7. Die Vertiefungen brauchen nicht notwendigerweise unmit­ telbar nach der Lasereinstrahlung gebildet zu werden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sollte wenigstens der laserbestrahlte Teil einen nur durch die Wärme gebildeten, angegriffenen Teil 8 haben.

Fig. 8 zeigt eine Ansicht des angegriffenen Teils 7, die man durch das Rasterelektronenmikroskop erhielt. Es ist zu sehen, daß in dem angegriffenen Teil 7 eine Vielzahl von Mikrorissen vorhanden ist. Das Basismaterial 5 von Raumtemperatur wird in ein Ätzmittel von hoher Temperatur gebracht, so daß das Material einem thermischen Schock ausgesetzt wird. Das Ätzmittel hat eine solche Konzentration und Temperatur, daß das Basismaterial 5 nicht korrodiert werden kann. Während der Ätzung wird das Basismaterial manchmal (z. B. etwa alle 10 Minuten) aus dem Ätzmittel in Wasser von Raumtemperatur bis über 10°C gelegt, und es wird dem thermischen Schock ausgesetzt. Die angegriffenen Teile 7 und 8 des Basismaterials 5 werden in dem Ätzmittel selektiv korrodiert. Ferner werden die Mikrorisse in den angegriffenen Teilen 7 und 8 entwickelt, und Teile der angegriffe­ nen Teile 7 und 8 schälen sich von dem Basismaterial 5 ab. Durch Wiederholung dieser Verfahrensweise erhält man - wie in Fig. 9 gezeigt - einen gewünschten bearbeiteten Teil 15 ohne jegliche Risse und angegriffene Teile mit hoher Genauigkeit in wesentlich kürzerer Zeit (etwa 30 Minuten) als sie für das herkömmliche Photo­ ätzverfahren (1 Stunde oder mehr) erforderlich ist.

Die Behandlungsbedingung bei der oben erwähnten fünften Ausfüh­ rungsform wurde wie folgt bestimmt. Da die maximale Temperaturdiffe­ renz, bei der Aluminiumoxid einem thermischen Schock standhält, 180°C ist, besteht die Möglichkeit einer Zerstörung des Basismateri­ als, wenn ein thermischer Schock mit einer Temperaturdifferenz von mehr als 180°C einwirkt. Das bei der fünften Ausführungsform ein­ gesetzte Ätzmittel, die wäßrige 85%ige Phosphorsäurelösung, beginnt die Korrosion des oben erwähnten angegriffenen Teils des Aluminium­ oxids bei 120°C und beginnt die Schädigung des Basismaterials bei 250°C oder darüber. Aufgrund des vorstehenden wurde 180°C als Temperatur für die Ätzung, 50°C als Wassertemperatur für den ther­ mischen Schock und 30 Minuten als Bearbeitungszeit angewandt. Der thermische Schock unter Einschluß der Ultraschallvibration in dem Ätzmittel fördert in wirksamer Weise das Abschälen des angegriffe­ nen Teils von dem Werkstück. Während man das Werkstück vorzugsweise mehrfach einem thermischen Schock aussetzt, ist nur ein thermischer Schock durchaus wirksam und praktikabel.

Fig. 10 ist eine Querschnittsdarstellung einer Anwendung der Erfindung auf das Bohren von Aluminiumoxid als sechste Ausführungs­ form. Bei dieser sechsten Ausführungsform wird wie in der fünften Ausführungsform das Basismaterial in einer wäßrigen 85%igen Phos­ phorsäure-Lösung bei einer Temperatur von 180°C in einer Bearbei­ tungszeit von 30 Minuten geätzt, nachdem das Aluminiumoxid-Basis­ material durch den Laserstrahl bearbeitet wurde. Das Ätzmittel wird mit einer Ultraschallvibration von 47 kHz beschallt. Der an­ gegriffene Teil wird dadurch abgeschält. Wie in Fig. 10 gezeigt, hat die Innenwand des ausgearbeiteten Loches keinen Riß und kein angegriffenes Teil.

In dieser Weise wird durch Anwendung eines thermischen Schocks und/oder einer Vibration so geätzt, daß das Basismaterial nicht geschädigt wird. Auf Grund der Änderung in der Zusammensetzung (beispielsweise ist der Sauerstoffgehalt verringert) läßt sich in gewissem Maße der angegriffene Teil im Vergleich zum Basismaterial leichter ätzen, so daß das Ätzmittel, das durch die in dem ange­ griffenen Teil ausgebildeten Risse nach innen dringt, den angegrif­ fenen Teil im Umkreis der Risse ätzt. Die an der Grenze zwischen dem angegriffenen Teil und dem Basismaterial vorliegenden Mikro­ risse wachsen, und die angegriffene Schicht wird durch wiederholten thermischen Schock und/oder Vibrationsätzung vollständig von dem Basismaterial getrennt. Als Ergebnis wird die angegriffene Schicht wirksam und ohne jede Schädigung der Oberfläche des Basismaterials entfernt.

Selbst wenn die Ätzbedingung so eingehalten wird, daß das Basismaterial geschädigt würde, wird das Basismaterial in einigen Fällen infolge einer geringen Schädigung unbrauchbar, wie etwa der Entfernung einer Bindemittelkomponente von der Oberfläche des Basis­ materials. Ferner besteht die Notwendigkeit zur Verbesserung des Durchsatzes, wodurch die Bearbeitung in einem kürzeren Zeitraum er­ folgt. Unter diesen Gesichtspunkten wurde nach der Erfindung eine siebente Ausführungsform durchgeführt.

Die siebente Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Zunächst wird wie in Fig. 11 gezeigt auf die Oberseite eines Basismaterials 31 aus einem keramischen Alu­ miniumoxidmaterial als Werkstück durch z. B. Schleuder- oder Walzenbe­ schichtung ein Resist aufgebracht. Dann wird ein Film 32 aus Polybutadien-Negativresist in einer Dicke von 5 µm (CBR-M901 von Nippon Gomu Kabushiki Kaisha) durch die Arbeitsgänge des Vor­ brennens, Belichtens, Entwickelns, Spülens und Nachbrennens usw. gleichmäßig auf dem Basismaterial 31 gebildet.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird ein CO₂-Laserstrahl 33 auf einen gewünschten Teil des Resistfilms 32 fokussiert. In dem Resist­ film 32 wird infolge der Entfernung des bestrahlten Teils ein Re­ sistmuster gebildet. Es werden durch die Hitze des Laserstrahls 33 angegriffene Teile 34, 34a auf dem Teil des Basismaterials 31 gebil­ det, in dem der Resist gleichzeitig mit der Bildung des Resistmusters entfernt wurde. Diese angegriffenen Teile 34, 34a haben eine Viel­ zahl winziger Risse wie in den angegriffenen Teilen 22, 22a bei der dritten Ausführungsform.

Danach wird ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform ein Ätzmittel auf das Basismaterial 31 aufgebracht. Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform ohne Einsatz eines Resistfilms 32 werden beispielsweise durch Ätzung des Basismaterials in einer 85%igen H₃PO₄-Lösung bei 180 bis 200°C während einer Stunde die angegriffe­ nen Teile 34, 34a vollständig entfernt. Dann kann durch Entfernung des Resistfilms 32 ein in Fig. 13 gezeigtes Werkstück mit den Ver­ tiefungen 35 und 35a erhalten werden. In diesem Falle ist die Ober­ seite des Basismaterials 31 während des Ätzvorgangs durch den Resistfilm 32 geschützt, so daß man ein Werkstück mit unbeschädigter Oberfläche erhält. Ferner ermöglicht es der Resistfilm 31, das Basismaterial unter einer solchen Bedingung zu ätzen, daß das Ma­ terial 31 natürlicherweise Schaden nehmen würde, beispielsweise in einer 85%igen H₃ PO₄-Lösung bei 260 bis 280°C. Diese Ätzung entfernt angegriffenen Teile 34, 34a in 30 Minuten vollständig. Die Zeitdauer von 30 Minuten ist äquivalent der halben Zeit, die erfor­ derlich ist, wenn kein Resistfilm 32 benutzt wird.

Der in der siebenten Ausführungsform eingesetzte Resistfilm muß nicht notwendigerweise die Eigenschaft haben, daß er-wie bei einer normalen Photoätzung durch Belichtung härtet. Ferner kann eine mildere Bedingung als die der Photoätzung angewendet werden. Demgemäß können Resistfilme eines weiten Bereiches zur Anwendung kommen.

Nun wird die achte Ausführungsform in der Reihenfolge der Verfahrensgänge beschrieben. Bei dieser Ausführungsform dient Aluminiumoxid als Basismaterial, das im wesentlichen ein kerami­ sches Material umfaßt. Wie in Fig. 14 gezeigt ist, wird zuerst auf die Oberfläche des Basismaterials 41 durch einen Schleuder- oder Walzenbeschichter ein Resist aufgebracht. Auf dem Basismate­ rial 41 wird durch die Verfahrensgänge des Vorbrennens, Belichtens, Entwickelns, Spülens und Nachbrennens ein Film 42 aus Polybutadien- Negativresist (CBR-M901 von Nippon Gomu Kabushiki Kaisha) in einer Dicke von 5 µm gleichmäßig gebildet.

Wie in Fig. 15 gezeigt ist, wird dann ein CO₂-Laserstrahl 43, der auf eine Energiedichte von 10⁴ W/cm² oder mehr konzentriert ist, auf einen gewünschten Teil des Resistfilms 42 eingestrahlt. Die Einstrahlung des Laserstrahls entfernt den Resistfilm 42 auf der Oberseite des Basismaterials 41, wobei sich ein Resistmuster bil­ det. Der Teil des Resistmusters des Basismaterials 41 wird gleich­ zeitig mit der Bildung des Resistmusters durch den Laserstrahl an­ gegriffen und ein Teil 44 mit Mikrorissen gebildet.

Der Laserstrahl 43 arbeitet beispielsweise unter den folgen­ den Bedingungen: Ausgangsleistung: 100 W; Abtastgeschwindigkeit: 1 m/min; Abtastschritt: 100 µm; das Basismaterial wird bis zu einer Tiefe von etwa 1 mm ausgearbeitet. Die zu bearbeitende Breite er­ hält man gemäß der Gleichung: Abtastschrittbreite (100 µm) × Anzahl der Operationen + Strahldurchmesser (etwa 200 µm). Dann wird das Basismaterial in einer wäßrigen 85%igen Phosphorsäure- Lösung 20 Minuten bei 200°C geätzt, wobei Ultraschallvibration von 47 kHz zur Anwendung kommt. Wenn dann der Resist mit einem Entferner von der Oberfläche abgeschält wird, erhält man das Basismaterial 41 mit den gewünschten bearbeiteten Teilen 45, 45a gemäß der Darstellung in Fig. 16.

Es ist nunmehr leichter, den in dem Basismaterial 41 gebilde­ ten angegriffenen Teil als das Basismaterial zu ätzen, so daß man auf mildere Bedingungen als bei der herkömmlichen Photoätzung zurückgreifen kann. Da ferner die Oberfläche des keramischen Ba­ sismaterials 41 durch den Resistfilm 42 geschützt ist, wird die Basismaterialoberfläche durch Ätzung bei einer Temperatur, die höher als die Bearbeitungstemperatur (180°C) in der sechsten Aus­ führungsform ist, nicht geschädigt. Das Ätzen bei einer höheren Temperatur ermöglicht es, die Bearbeitung in einer kürzeren Bear­ beitungszeit durchzuführen. Eine ähnliche Wirkung läßt sich durch Anwendung eines thermischen Schocks anstelle der Vibration während der Ätzung erreichen.

Die Gestalt und die Tiefe des angegriffenen Teils kann durch Änderung wenigstens einer Strahlausgangsgröße, der Strahlabtast­ geschwindigkeit, des Abtastschrittes und der Abtastzahl gesteu­ ert werden. Man kann beispielsweise auch einen terrassenförmigen Teil, wie den in Fig. 15 gezeigten angegriffenen Teil 44a bilden. Tiefere Löcher und Vertiefungen lassen sich durch Steuerung des Strahls leicht bilden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Materialabtrag an schwer bearbeitbarem, im wesentlichen aus keramischem Material bestehendem Basismaterial, bei dem in einem ersten Bearbeitungsschritt im abzutragenden Bereich durch Einstrahlen eines Energiestrahls, insbesondere eines Laser- oder Elektronenstrahls, Risse gebildet werden und das abzutragende Material in einem zweiten Bearbeitungsschritt durch Erweitern und Verlängern dieser Risse entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtrag keramischen Materials die Erweiterung und Verlängerung der Risse mittels Vibration, thermischem Schock oder Ätzen erfolgte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial ein keramisches Oxidmaterial ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung ein Verfahren zur Abtastung mit dem Energiestrahls umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibration durch Ultraschall erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schock durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen des Basismaterials erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem der Einstrahlung ausgesetzten Basismaterial ein Resistfilm ausgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Vibration und Ätzen des Basismaterials gleichzeitig erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem thermischen Schock geätzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vibration geätzt wird.