DE4338433C2 - Mikro-Betätigungsglied und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikro-Betätigungsglied und be­ zieht sich insbesondere auf ein Mikro-Betätigungsglied mit einem piezoelektrischen Material sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Mit der Entwicklung der Automation und hochpräziser Meß­ technik gewinnen in den letzten Jahren Betätigungsglieder zur Bewegung kleiner Objekte zu beliebigen Positionen oder in beliebige Richtungen an Bedeutung. Dabei werden in hohem Maße auch kompakte Betätigungsglieder im Rahmen der vorste­ hend genannten Entwicklung gefordert.

Ein Piezo-Betätigungsglied aus einem Material mit pie­ zoelektrischem Effekt zur Verwendung in einem Tunneleffekt- Rastermikroskop (Scanning-Tunneling-Microscope, STM) stellt ein typisches Beispiel eines hochpräzisen Bewegungs- oder Positionierungs-Antriebsmechanismus dar. Das Tunneleffekt- Rastermikroskop mißt einen Tunnelstrom zwischen der Ober­ fläche eines als Probe dienenden leitfähigen Materials und einer Sonde bzw. einem Tastkopf mit einem empfindlichen En­ de. Ein Antriebsmechanismus des Tunneleffekt-Rastermikro­ skops bringt die Sonde in eine wenige 10 Ångström oder we­ niger von der Oberfläche des leitfähigen Materials ent­ fernte Position und muß daher eine Antriebspräzision in der Größenordnung von Ångström für eine Bewegungs- oder Posi­ tioniergenauigkeit der Sonde aufweisen. Bekannte große Piezo-Betätigungsglieder umfassen ein dreifußförmiges Piezo-Betätigungsglied (G. Binnig et al., IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 27, Nr. 10B, 1985, pp. 5976-5977) oder ein rohrförmiges Piezo-Betätigungsglied (G. Binnig et al., "Single-tube Three-dimensional Scanner for Scanning Tunneling Microscopy", Rev. Sci. Instrum., 57(8), 1986, pp. 1688-1689). Ein als Grundbestandteil dienendes piezoelek­ trisches Material wird im allgemeinen gebildet durch Mi­ schen von Rohmaterialien und Durchführen eines Mischungs- /Pulverisierungsvorganges (Zermahlen, crush), durch Kalzi­ nieren, Pulverisieren (Zerkleinern, crush), Untermischen eines Bindemittels, Formpressen, Sintern, Bearbeiten, Aus­ gestalten der Elektroden und Polarisieren (Tadashi Shiozaki ed., "Manufacturing and Applications of Piezoelectric Mate­ rials", CMC, 1985, pp. 19-21). Den in Massenfertigung her­ gestellten Piezo-Betätigungsgliedern sind bezüglich der Herstellungsverfahren und der Bearbeitungsgenauigkeit Gren­ zen gesetzt, da sie durch Polieren, Schneiden, und ähnliche Bearbeitungsvorgänge hergestellt werden.

Die Technik der Mikromechanik unter Verwendung eines Sili­ zium-Planarprozesses gewinnt zunehmend an Bedeutung als ei­ ne Technik zur Herstellung eines kompakten Betätigungsglie­ des. Dabei wird eine Vielzahl von Betätigungsgliedern vor­ geschlagen, bei denen diese Technik Verwendung findet. Die wichtigsten bekannten Mikro-Betätigungsglieder benutzen den piezoelektrischen Effekt eines piezoelektrischen Dünnfilms und einer elektrostatischen Kraft als Antriebskraft. Von allen Mikro-Betätigungsgliedern erfordert das den pie­ zoelektrischen Effekt nutzende Mikro-Betätigungsglied keine Nullpunkteinstellung, die erforderlich ist für die elektro­ statische Kraft, und weist eine eigenständige gewünschte Deformation auf. Ein Beispiel dafür ist ein piezoelektri­ sches Betätigungsglied vom bimorphen bzw. zweikristallinen Typ (S. Akamine et al., "Microfabricated Scanning Tunneling Microscope" IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Band 10, Nr. 11 pp. 490-492 (1989)).

Bei einer Mikrofabrikation, bei der im wesentlichen der Si­ lizium-Planarprozeß verwendet wird, sind die Freiheitsgrade im Design durch die Bearbeitung der zweidimensionalen Ober­ fläche des Substrats begrenzt Die Ursache liegt in der Schwierigkeit begründet, eine wenige bis zu einigen zehn Mikrometer umfassende dicke vertikale Schicht auf einem Substrat herzustellen, um auf dieser eine dünne Schicht Betätigungsglied-Material, wie beispielsweise ein piezoelektrisches Material aufzubrin­ gen, wobei die Aufbringungsrichtung senkrecht zur Normalen auf die Substratoberfläche ist.

Als Verfahren zur Verbesserung der Prozess-Freiheitsgrade wurde durch W. Ehrfeld et al. vom Kernforschungszentrum Karlsruhe (IEEE Solid-state Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head. SG, 1988, Technical Digest pp. 1-4) eine Syn­ chrotron-Strahlungslicht verwendende LIGA-Technik (Lithografie, Galvanoformung, Abformung) vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde ferner eine zur Herstellung einer freien dreidimensionalen Struktur in der LIGA-Technik durch Ausgestalten einer Hilfs- bzw. Verlustschicht geeignete Technik vorgeschlagen (H. Guckel et al., "Fabrication and Testing of the Planar Magnetic Micromotor", J. Micromech. Microeng., 1. 1991. pp. 135-138).

Als Betätigungsglieder vorgeschlagene Aufbauformen, bei der die LIGA-Technik verwendet wird, erfordern Energiefelder wie beispielsweise elektrostatische und magnetische Felder, bzw. Kräfte und bedingen die Verwendung von Antriebsein­ richtungen mit Rückstellung. Eine unabhängige Betriebs­ weise, wie sie durch Verwendung des piezoelektrischen Ef­ fektes erhalten wird, kann nicht erreicht werden.

In der US-Patentschrift Nr. 4 912 822 wird ein piezoelektrischer Transducer vorgeschlagen, der mittels Planartechnologie hergestellt wird und bei dem eine Bewegung parallel zur Substratoberfläche möglich ist. Solch ein Transducer umfaßt mehrere Schichten aus piezoelektrischem Material mit entsprechenden Ansteuerungselektroden. Durch Auswahl geeigneter Spannungen an den einzelnen Ansteuerungselektroden kann die Raster-Abtastbewegung der Sonde in der Richtung parallel zum Substrat gesteuert werden. Es ist offensichtlich, daß es mit solch einer Anordnung schwierig ist, die Sonde parallel zur Substratoberfläche exakt und mit im Vergleich zur senkrechten Bewegungsrichtung großen Verschiebungsmengen zu bewegen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine einfache Herstellung eines Mikro-Betätigungselements ermöglicht wird, das zum Erzeugen einer großen und hochpräzisen Verschiebung in einer Richtung parallel zur Substratoberfläche unter Verwendung des piezoelektrische Effekts geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfah­ ren zur Herstellung eines Mikro-Betätigungsglieds mit einem piezoelektrischen Material und einer benachbart zum pie­ zoelektrischen Material angeordneten Ansteuerungselektrode, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Ausbildens einer galvanisch oberflächenbehandelten Elektrode auf einem Substrat, des Aufbringens einer Schicht aus photoempfindli­ chem Material auf dem Substrat, auf dem die galvanisch oberflächenbehandelte Elektrode aufgebracht ist, des Be­ lichtens der photoempfindlichen Schicht in einem vorgegebe­ nen Muster, des Entwickelns der belichteten photoempfindli­ chen Schicht zur teilweisen Entfernung der photoempfindli­ chen Schicht, des galvanischen Einbringens von Metall in einen Substratbereich, von dem die photoempfindliche Schicht entfernt ist und Ausbilden einer Ansteuerungselek­ trode, des Entfernens der verbleibenden photoempfindlichen Schicht, und des Einbringens eines piezoelektri­ schen Materials in einen zur Ansteuerungselektrode benach­ barten Bereich des Substrats.

Die bevorzugten, beispielhaft grundlegende Verfahren der Herstellung von Mikro-Betätigungsgliedern, bimorphen Betä­ tigungsgliedern, Betätigungsgliedern in Stapelbauweise, so­ wie einer Tunneleffekt-Rastermikroskop-Sonde und eines X-Y- Objekttischs erläuternden Ausführungsbeispiele, die durch Anwendung von Mikro-Betätigungsgliedern gemäß den beschrie­ benen Ausführungsbeispielen auf Tunneleffekt-Rastermikro­ skopen erzielbar sind, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1A-1F schematische Querschnittsansichten zur Erläute­ rung eines Verfahrens zur Herstellung eines Mikro-Betäti­ gungsglieds gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines er­ sten durch das Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbei­ spiel hergestellten Mikro-Betätigungsglieds,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verschiebungsvorgangs bei dem Mikro-Betätigungsglied,

Fig. 4 eine schematische Teilansicht eines Verfahrens des Einbringens eines piezoelektrischen Werkstoffs,

Fig. 5A-5F schematische Querschnittsansichten zur Erläute­ rung des Verfahrens zur Herstellung eines Mikro-Betäti­ gungsglieds gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten nach dem Verfahren gemäß den beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen hergestellten Mikro-Betätigungsglieds,

Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines dritten nach dem Verfahren gemäß den beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen hergestellten Mikro-Betätigungsglieds,

Fig. 8A-8E schematische Querschnittsansichten zur Erläute­ rung des Verfahrens zur Herstellung eines Mikro-Betäti­ gungsglieds gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht eines vierten nach dem Verfahren gemäß den beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel hergestellten Mikro-Betätigungsglieds,

Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht einer ein Mikro-Betätigungsglied verwendenden Tunneleffekt-Rastermi­ kroskop-Sonde,

Fig. 11 eine schematische Aufsicht eines ein Mikro-Betäti­ gungsglied verwendenden X-Y-Objekttisches, und

Fig. 12 eine schematische Teilansicht des X-Y-Objekttisches aus Fig. 11.

Fig. 1A bis 1F zeigen schrittweise ein Verfahren zur Her­ stellung eines Mikro-Betätigungsglieds gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Galvanisch oberflächenbehandelte Elek­ troden 11 werden auf ein Substrat 10 aufgebracht, auf wel­ chen wiederum ein licht- oder photoempfindliches Material aufgebracht wird. Das Substrat kann als Halbleitersubstrat bestehend aus Si, GaAs oder dergleichen, als aus Aluminium, Quarz oder dergleichen bestehendes keramisches Substrat, oder als Glassubstrat ausgeführt sein. Es kann jede Art von Substrat verwendet werden. Die galvanisch oberflächenbehan­ delte Metallschicht-Elektrode kann durch jedes beliebige, zur Erzeugung eines leitenden dünnen Films geeignete Ver­ fahren wie beispielsweise ein Vakuum-Dünnfilm-Erzeugungs­ verfahren (Vakuumverdampfung, Vakuumbedampfung und Elek­ tronenstrahlabscheidung), oder ein Verfahren zur galvani­ schen Behandlung von Metallen hergestellt werden. Das pho­ toempfindliche Material kann derart aufgebracht werden, daß ein Beschichtungsvorgang mittels einem in der Halbleiter­ herstellung bei der Fotolithografie verwendeten Abdecklack bzw. Resist durch schnelle Rotation, Tauchverfahren, Gießen oder dergleichen ausgeführt wird, daß ein Trockenresistfilm auf das Substrat aufgeklebt wird, oder daß ein Abdecklack mittels Beschichtung durch galvanische Abscheidung nieder­ geschlagen wird.

Licht 2 beleuchtet, wie in Fig. 1B gezeigt, mittels Foto­ lithografie über eine Fotomaske das unter Verwendung eines beliebigen der oben genannten Verfahren erzeugte und in Fig. 1A gezeigte photoempfindliche Material 12, wodurch ein gewünschter Teilabschnitt des photoempfindlichen Materials 12 belichtet wird. Wie in Fig. 1C dargestellt, wird ein belichteter oder unbelichteter Teilabschnitt in Überein­ stimmung mit den Eigenschaften des photoempfindlichen Mate­ rials entfernt, wodurch Strukturen 13 und 13' gebildet wer­ den. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein positiv lichtempfindliches Material verwendet, dessen belichteter Teilabschnitt bei der Entwicklung entfernt wird. Ebenso kann jedoch ein negativ lichtempfindliches Material, dessen nicht belichteter Teilabschnitt bei der Entwicklung ent­ fernt wird, verwendet werden.

Wie in Fig. 1D gezeigt, wird ein Metall durch elektrolyti­ sche Ausscheidung in die Strukturen 13 und 13' ein- und auf die galvanisch oberflächenbehandelten Elektroden aufge­ bracht, wodurch Ansteuerungselektroden 14 und 14' gebildet werden. Wie in Fig. 1E gezeigt wird, wird das verbleibende lichtempfindliche Material bei der Entwicklung zur Erzeu­ gung eines Substrats mit als Ansteuerungselektroden 14 und 14' dienenden metallischen Strukturen entfernt. Schließlich wird ein piezoelektrisches Material 16, wie in Fig. 1F ge­ zeigt, in einen gewünschten Einbring-Abschnitt 15 zwischen die metallischen Strukturen eingebracht.

Fig. 2 zeigt ein piezoelektrisches Betätigungsglied, das gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel her­ gestellt wird. In diesem Betätigungsglied wird über die An­ steuerungselektroden 14 und 14' eine Spannung angelegt, die das piezoelektrische Material 16 veranlaßt, sich bezüglich der Ansteuerungselektroden 14 und 14' auszudehnen oder zu­ sammenzuziehen. Das piezoelektrische Betätigungsglied wird auf diese Weise in Richtung der durch in Fig. 3 angedeutete Pfeile verschoben. Ein herkömmliches piezoelektrisches bi­ morphes ZnO-Betätigungsglied bzw. ein ZnO-Aktuator (S. Aka­ mine et al.) weist aufgrund seiner Struktur eine kleine Verschiebung in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats und eine maximale Verschiebung in einer Richtung senkrecht zum Substrat auf. Demgegenüber ist das Betäti­ gungsglied gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen ein piezoelektrisches Betätigungsglied mit einer maximalen Verschiebung in der Richtung parallel zur Oberfläche des Substrats.

Der Betrag der Verschiebung des durch das beschriebene Ver­ fahren hergestellten piezoelektrischen Betätigungsglieds wird durch die in der Richtung senkrecht zur Substratober­ fläche vorhandene Ausdehnung in Längsrichtung bestimmt, d. h. durch die Schichtdicke des photoempfindlichen Materi­ als, der elastischen Konstanten des einzubringenden pie­ zoelektrischen Materials und der Ansteuerungselektroden, der Dicke der in der Richtung parallel zum Substrat liegen­ den Schichten, und den piezoelektrischen Koeffizienten des einzubringenden piezoelektrischen Materials.

Die Dicke des photoempfindlichen Materials variiert in Ab­ hängigkeit der bei der Fotolithografie durch die Mikro­ strukturen gegebenen Erfordernisse. Bei einer kleinsten Li­ nienbreite von einigen Mikrometern wird ein durch Bruno Frazier et al. ("Design and Fabrication of Electroplatet Micromotor Structures" Micromechanical Sensors, Actuators and Systems ASME 1991, pp. 135-146. (1991)) beschriebenes lichtempfindliches Polyimid Verwendet, um einen aus einem photoempfindlichen Material bestehenden Aufbau mit der Dicke von einigen 10 µm unter Verwendung eines ultraviolet­ ten Lichts zu erzeugen. Es ist ebenso möglich, einen Halb­ leiter-Dickfilm-Abdecklack wie beispielsweise einen AZ4000- Abdecklack, wie er von Hoechst erhältlich ist, zu verwen­ den, um eine Mikrostruktur aus photoempfindlichem Material der gewünschten Dicke von einigen bis zu einigen 10 µm zu formen. Soll eine Mikrostuktur aus photoempfindlichem Mate­ rial mit einer Dicke von 100 µm oder mehr erzeugt werden, werden die in Fig. 1A, 1B, 1C, und 1D erläuterten Verfah­ rensschritte wiederholt ausgeführt. Um die Ausdehnung in einer zum Substrat des Betätigungsglieds senkrecht verlau­ fenden Längsrichtung durch einen Einfach-Belich­ tungs/Entwicklungszyklus zur Erzeugung einer hochpräzisen Mikrostruktur zu vergrößern, wird die Dicke des photoemp­ findlichen Materials im Bereich zwischen 100 µm und 1000 µm gewählt, und zur Erzeugung einer näherungsweise 1 µm-Mikro­ struktur durch ein Synchrotron erzeugtes und ausgesandtes Strahlungslicht verwendet.

Als piezoeiektrisches Zusatzmaterial kann jeder Stoff ver­ wendet werden, sofern dieser in die Mikrostruktur der An­ steuerungselektrode eingebracht werden kann, wie beispiels­ weise ein piezoelektrisches Polymer, ein Verbundmaterial (Kitayama, "Nature and Applications of Piezoelectric Poly­ mers", Denki Yon Gakkai Rengo Taikai, 1971, pp. 476-479), welches durch Dispergieren feiner piezoelektrischer Parti­ kel in ein Polymer oder gummiartiges Material erhalten wird, ein durch Sol-Gel-Abscheideverfahren vorbehandelter piezoelektrischer Körper, oder dergleichen. Ein piezoelek­ trisches Polymer wird im allgemeinen gedehnt oder ge­ streckt, um die piezoelektrischen Eigenschaften zu verbes­ sern. Bei dem vorliegenden Betätigungsglied wird bevorzug­ terweise ein Material eingesetzt, welches ferroelektrische piezoelektrische Eigenschaften durch Polarisierung ohne Dehnung zeigt. Ein Werkstoff mit ferroelektrischen pie­ zoelektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise ein Kopo­ lymer (P-(VDF-TrFE)) aus Vinylidenfluorid und Äthylentrif­ luorid wird bevorzugterweise verwendet.

Fig. 4 und 5A-5F zeigen ein Verfahren zum selektiven Ein­ bringen eines piezoelektrischen Materials in den gewünsch­ ten Einbring- oder Füllabschnitt 15 zwischen den metalli­ schen Strukturen. Ein erstes Verfahren ist ein Verfahren, bei dem eine Platte 18 mit einem dem zu befüllenden Ab­ schnitt auf der Elektrode entsprechenden Einspritzanschluß 17 positioniert und der piezoelektrische Werkstoff durch den Einspritzanschluß eingebracht wird.

Ein zweites Verfahren ist ein Verfahren, bei dem während der Entfernung der photoempfindlichen Substanz eine Hemm­ schicht 19 auf dem photoempfindlichen Werkstoff erzeugt wird, mittels der die Entfernung photoempfindlicher Sub­ stanz lediglich in einem zu befüllendem Abschnitt verhin­ dert und auf diese Weise das Einbringen der photoempfindli­ chen Substanz vorgenommen wird. Gemäß diesem Verfahren wird in der gleichen Weise wie bereits anhand der Fig. 1A-1D gezeigt wurde, ein Metall auf eine galvanisch oberflächen­ behandelte Elektrode aufgebracht und zum Erhalt eines Auf­ baus gemäß Fig. 5B die Hemmschicht 19 gebildet. Das nach der Entwicklung noch verbleibende Material wird entfernt, um zu dem in Fig. 5C gezeigten Aufbau zu gelangen. Ein Hemmungs-Füllmaterial 21 wird in einem Nichteinbring-Ab­ schnitt 20 versenkt eingebracht, um dort während des Füll­ vorgangs das Einbringen eines piezoelektrischen Materials zu verhindern. Wie in Fig. 5D gezeigt, wird die Hemmschicht 19 und die photoempfindliche Substanz im Einbringabschnitt 15 entfernt, und die piezoelektrische Substanz wird gemäß Fig. 5E als Schicht in den zu befüllenden Abschnitt einge­ bracht. Darauf folgend wird, wie in Fig. 5F gezeigt, das Hemmungs-Füllmaterial entfernt, um das selektive Einbringen des piezoelektrische Materials abzuschließen. Der pie­ zoelektrische Werkstoff kann unter Verwendung einer Klinge im Bereich außerhalb des befüllten Abschnitts auf mechani­ sche Weise entfernt werden, wodurch das in Bereichen außer­ halb des Einbring-Abschnitts haftende piezoelektrische Ma­ terial abgetragen wird. Für die Hemmschicht kann ein Mate­ rial verwendet werden, welches bei der Entfernung des pho­ toempfindlichen Materials während der Entwicklung die Ent­ fernung des lichtempfindlichen Materials vom Einbring-Ab­ schnitt verhindert. Als Hemmungs-Füllmaterial können belie­ bige Werkstoffe wie beispielsweise ein Metall, ein Isola­ tor, ein Halbleiter oder ein Polymer, falls die Ansteue­ rungselektroden und das eingebrachte piezoelektrische Mate­ rial bei der Entfernung des Einbring-Hemmaterials nicht ge­ trennt werden, verwendet werden. Als Verfahren zum versenk­ ten Einbringen des Hemmungs-Füllmaterials ist ein Verfahren zur Beschichtung eines polymerischen Werkstoffes oder ein Verfahren zum elektrolytischen Ausfällen bzw. Ausscheiden eines Metalls geeignet. Wird das durch elektrolytische Aus­ fällung erhaltene Metall als Hemmungs-Füllmaterial verwen­ det, wird als Hemmschicht vorzugsweise ein elektrischer Isolator eingesetzt. Im Vergleich zum Verfahren nach Fig. 4 erfordert das Verfahren gemäß den Fig. 5A-5F kein Ausrich­ ten der Platte 18, da eine Musterbildung unter Verwendung fotolithografischer Verfahren durchgeführt werden kann. So­ mit ist ein Einbringen von Material in eine Mikrostruktur durchführbar. Insbesondere kann ein in einem organischen Lösungsmittel lösliches polymerisches Material als Hem­ mungs-Füllmaterial verwendet werden, wenn P-(VDF-TrFE) oder Verbundmaterial, das durch feinstes Verteilen feiner fer­ roelektrischer, aus Bleizirkonat-Titanat bestehender Parti­ kel in PVDF erhalten wird, verwendet wird, da dieses Ver­ bundmaterial gegenüber organischen Lösungsmitteln eine hohe Widerstandsfähigkeit besitzt.

Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht eines bimorphen Be­ tätigungsglieds, welches gemäß den in Fig. 1A-1F darge­ stellten Verfahrensschritten hergestellt wird. Dieses Betä­ tigungsglied ermöglicht das Erzielen eines größeren Ver­ schiebungsbetrags, als beim Betätigungsglied gemäß Fig. 2 möglich ist. Große Verschiebungen in den X-, Y-, und Z- Richtungen sind durch die Anordnung der Ansteuerungselek­ troden gemäß Fig. 6 erzielbar. Insbesondere ist ein großer Betrag der Verschiebung in der X-Richtung nahezu parallel zum Substrat erzielbar.

Die zur Herstellung des bimorphen Betätigungsglieds gemäß Fig. 6 anzuwendenden Schritte werden nachstehend näher be­ schrieben. Ein Halbleiter-Resist AZ4620 (Handelsbezeichnung) der Firma Hoechst wird unter Verwen­ dung eines Tauchverfahrens mit einer Dicke von 50 µm auf ein Siliziumsubstrat mit einer 0,3 µm dicken, aus Titan be­ stehenden galvanisch oberflächenbehandelten Elektrode be­ schichtet. Der Resist wird belichtet und fotolithografisch entwickelt. Zur Ausbildung einer Ansteuerungselektrode wird auf den entwickelten Strukturabschnitt Ni elektrolytisch abgeschieden. Die Breite der Elektrodenstruktur beträgt 4 µm, die Breite der Struktur des Einbring-Abschnitts 6 µm. Die Einzelschritte zwischen Beschichtung und elektrolyti­ scher Ausfällung von Ni werden wiederholt, bis die Höhe der Ansteuerungselektrode gegenüber der Substrat-Oberfläche 400 µm erreicht. Siliziumdioxid wird mit einer Dicke von 1 µm durch Vakuum-Elektronenstrahl-Abscheidung aufgebracht, und eine Hemmschichtstruktur aus SiO₂ auf der Ansteuerungselek­ trode und dem zu befüllenden Abschnitt mittels Fotolithogr­ afie erzeugt. Der Abdecklack wird mittels Aceton entfernt, und Au wird elekrolytisch auf den belichteten Abschnitt ausgefällt. Auf der Ansteuerungselektrode wird kein Au elektrolytisch ausgeschieden, da sich auf der Ansteuerung­ selektrode der als elektrischer Isolator wirkende SiO₂-Film befindet. Die SiO₂-Hemmschicht wird mittels einer wässrigen Lösung von Fluorwasserstoffsäure, der Abdecklack durch Ace­ ton vom zu befüllenden Abschnitt entfernt. Eine durch Mi­ schen und feinstes Verteilen von feinen ferroelektrischen Bleizirkonat-Titanat-Partikeln (PZT) in PVDF hergestellte Suspension wird auf das Substrat aufgeschmolzen und mittels einer Klinge außerhalb der zu befüllenden Abschnitte ent­ fernt. Ebenso wird ferner das während des Aufschmelzens verwendete Lösungsmittel entfernt.

Daraufhin wird der aus Au bestehende Belag mittels einer aus Jod und Kaliumjodid bestehenden wäßrigen Lösung ver­ flüssigt und entfernt und dadurch das bimorphe Betätigungs­ glied gemäß Fig. 6 dargestellt. An dieses Betätigungsglied wird zur Polarisation des piezoelektrischen Materials eine hohe Gleichspannung angelegt, wodurch ein hoher piezoelek­ trischer Beiwert bzw. Koeffizient resultiert. Wird eine Spannung von 200 V an das resultierende Betätigungsglied angelegt, so ist eine Verschiebung von ± 0,12 µm in der X-Richtung möglich.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des Betätigungsglieds vom bimorphen Typ ist in Fig. 7 dargestellt. Wie bei dem Betä­ tigungsglied gemäß Fig. 6 ist die Längsrichtung des Betäti­ gungsglieds eine zum Substrat parallele Richtung. Die Dicke des photoempfindlichen Materials braucht nicht übermäßig erhöht werden, und es kann eine größere Verschiebung in ei­ ner zum Substrat parallelen Richtung erzielt werden.

Die einzelnen Schritte zur Herstellung des Betätigungs­ glieds vom bimorphen Typ gemäß Fig. 7 werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 8A bis 8E näher beschrieben, in denen die Stufen dieser Herstellungsschritte anhand ei­ nes Schnittes entlang der Linie A-A' aus Fig. 7 veranschau­ licht sind. Wie in Fig. 8A gezeigt, wird eine Hilfsschicht 40 auf ein Substrat 30 aufgebracht und galvanisch oberflä­ chenbehandelte Elektroden 31, 31' und 31" unter Verwendung einer Schablone ausgebildet. Ein photoempfindliches Materi­ al wird auf den resultierenden Aufbau beschichtet. Das Substrat besteht aus geschmolzenem Quarz, ein durch Auf­ spritzen gebildeter ZnO-Film repräsentiert die Hilfs­ schicht, und lediglich ein gewünschter Abschnitt wurde der fotolithographischen Strukturbildung unterzogen. Eine wäß­ rige Lösung von Essigsäure wurde als Lösung zum Ätzen der ZnO-Schicht verwendet. Das Material der Elektrode und das photoempfindliche Material sind dieselben, wie sie auch bei der Herstellung des Betätigungsglieds nach Fig. 6 Verwen­ dung finden. Der Resistfilm besitzt eine Dicke von 30 µm. Das photoempfindliche Material 32 wird zur Ausbildung von Strukturen 33, 33' und 33" gemäß Fig. 8B belichtet, entwik­ kelt und entfernt. Wie ferner in Fig. 8C gezeigt wird, wird Ni zur Bildung von Ansteuerungselektroden 34, 34' und 34" elektrolytisch auf die galvanisch oberflächenbehandelte Elektrode abgeschieden. Unter Anwendung derselben Prozedu­ ren wie bei dem Betätigungsglied gemäß Fig. 6 werden, wie in Fig. 8D dargestellt, Schichten aus piezoelektrischem Ma­ terial 36 und 36' eingebracht. Schließlich wird gemäß Fig. 8E die Hilfsschicht 40 mittels einer wäßrigen Essigsäurelö­ sung entfernt. Nach der Polarisation wird durch den resul­ tierenden Aufbau das bimorphe Betätigungsglied gemäß Fig. 7 dargestellt. Die Breite der Ansteuerungselektroden beträgt 3 µm, die Breite der aufgefüllten Abschnitte 5 µm, und die Länge der Hilfsschicht in der zum Substrat des Betätigungs­ glieds parallelen Richtung 1 µm. Als piezoelektrisches Ma­ terial wird P(VDF-TrFE) verwendet. Wird eine Spannung von 100 V an das resultierende Betätigungsglied angelegt, be­ trägt die Verschiebung in der X-Richtung ± 0,3 µm. Die Ver­ schiebung in X-Richtung kann auf diese Weise durch die Ver­ wendung der Hilfsschicht vergrößert werden, ohne dabei die Dicke des photoempfindlichen Materials in der zum Substrat lotrechten Richtung zu erhöhen, und Mikrostrukturen können aufgrund der relativ geringen Dicke des photoempfindlichen Materials erzeugt werden.

Vorstehend wurde das Verfahren zur Herstellung des Betäti­ gungsglieds mittels ultravioletten Lichts und das durch das Verfahren hergestellte Betätigungsglied beschrieben. Alter­ nativ kann jedoch zur Verringerung der Breite der Ansteue­ rungselektroden als Lichtquelle zur Belichtung Synchrotron- Strahlungslicht verwendet werden. Ferner können die struk­ turellen Breiten der Ansteuerungselektroden und des befüll­ ten Abschnitts zum Betreiben des Betätigungsglieds mit ei­ ner kleinen Spannung verringert werden.

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines gestapelten Betätigungsglieds gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das gestapelte Betätigungsglied wird unter Anwendung der­ selben Prozeduren wie bei dem Betätigungsglied gemäß Fig. 7 unter Verwendung einer Hilfsschicht hergestellt. Obwohl nicht dargestellt, sind Elektroden wechselseitig sowie auf elektrische Weise mittels galvanisch oberflächenbehandelten Elektroden verbunden und angeschlossen. Bei dem Betäti­ gungsglied gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel be­ trägt der piezoelektrische Koeffizient d33, so daß die mit der Erzeugung von Mikrostrukturen mittels fotolithografi­ scher Verfahren zusammenhängenden Erfordernisse, wie bei­ spielsweise die Strukturbreite der Ansteuerungselektroden und die Dicke des photoempfindlichen Materials weniger ein­ schränkend sind. Die strukturelle Breite der Ansteuerungse­ lektrode beträgt 5 µm, die strukturelle Breite der Ein­ bring-Abschnitte 10 µm, und die Anzahl der Einbring-Ab­ schnitte 100. Ein durch Dispergieren feiner ferroelektri­ scher PZT-Partikel in PVDF erhaltener Grundstoff wird als einzubringendes piezoelektrisches Material verwendet. Dies­ mal kann bei Anlegen einer Spannung von 170 V eine Ver­ schiebung von ± 0,5 µm erzielt werden.

Fig. 10 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer bei einem STM verwendbaren STM-Sonde. Die STM-Sonde wird durch Verbinden einer einen Tunnelstrom erzeugenden Sonden-Elek­ trode 50 mit dem freien Ende einer bimorphen, freitragenden Tragfläche gemäß Fig. 7 gebildet. Das herkömmliche bimorphe ZnO-Betätigungsglied nach S. Akamine et al. besitzt eine maximale Verschiebung in der zur Substratoberfläche recht­ winkligen Richtung. Bei der STM-Sonde gemäß dem vorliegen­ den Ausführungsbeispiel ist die zur Maximierung der Ver­ schiebung anzusteuernde Richtung eine Richtung parallel zur Substratoberfläche. Eine STM-Überwachung kann durchgeführt werden, während die Abtastung der zu messenden Oberfläche einer zu messenden Probe aufrecht erhalten wird. Werden ei­ ne Vielzahl von STM-Sonden auf einer Substratoberfläche an­ geordnet, können eine Vielzahl von Lageorten auf der Probe zeitgleich bzw. auf simultane Weise betrachtet werden.

Fig. 11 zeigt eine Aufsicht einer weiteren Anwendung bei einem X-Y-Objekttisch gemäß einem sechsten Ausführungsbei­ spiel. Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B' aus Fig. 11. Eine Vielzahl von in Stapelbauweise angeordneten Betätigungsgliedern 100 gemäß Fig. 9 wird auf einem Objekttisch 203 befestigt, wobei eine zum Substrat parallele zweidimensionale Verschiebung mittels Drehein­ richtungen 202 erhalten wird. Die Gelenke 202 und der Ob­ jekttisch 203 werden als einige der Ansteuerungselektroden bei der Herstellung der gestapelten Betätigungsglieder auf den Hilfsschichten angebracht. Abschnitte 101 und 201 re­ präsentieren Kontaktabschnitte zwischen dem Substrat an den Elektroden des gestapelten Betätigungsglieds und den Endab­ schnitten der Gelenke. Bei herkömmlichen X-Y-Objekttischen werden der Objekttisch-Teil und der Betätigungsglied-Teil unabhängig voneinander hergestellt und montiert und darauf­ hin miteinander verbunden. Gemäß dem vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel wird demgegenüber der Objekttisch mittels der Fotolithografie in integraler Bauweise hergestellt, wodurch Montagefehler grundlegend und darüber hinaus zusätzlich durch selbständige Ausrichtung eliminiert werden. Ein in einem Anschlußbereich von durch die Verwendung eines Klebe­ materials verursachten mechanischen Streuungen und Absorp­ tion einer Verschiebung freier X-Y-Objekttisch kann erhal­ ten werden, da keine Anschlußbereiche verwendet werden.

Wie obenstehend beschrieben wurde, wird der piezoelektri­ sche Effekt in Übereinstimmung mit dem Betätigungsglied ge­ mäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen sowie dessen Herstellungsverfahren zur Vergrößerung einer Verschiebung in einer Richtung parallel zur Oberfläche eines Substrats eingesetzt. Strukturen können auf simultane Weise mittels fotolithografischer Verfahren aufgebaut werden, um ein von mechanischen Streuungen und Montagefehlern freies Betäti­ gungsglied darzustellen.

Somit wird ein ein Mikro-Betätigungsglied mit einem pie­ zoelektrischen Material und einer benachbart zu dem pie­ zoelektrischen Material angeordneten Ansteuerungselektrode wie folgt hergestellt. Eine galvanisch oberflächenbehandel­ te Elektrode wird auf einem Substrat gebildet. Eine pho­ toempfindliche Schicht wird auf dem Substrat, auf dem die galvanisch oberflächenbehandelte Elektrode angeordnet ist, aufgebracht. Die photoempfindliche Schicht wird mit einem gewünschten Muster belichtet. Die photoempfindliche Schicht wird zur teilweisen Entfernung der photoempfindlichen Schicht entwickelt. Ein Metall wird galvanisch in einen von der photoempfindlichen Schicht befreiten Substratbereich eingebracht, so daß eine Ansteuerungselektrode ausgebildet wird. Eine verbleibende photoempfindliche Schicht wird ent­ fernt. Zum Abschluß wird ein piezoelektrisches Material se­ lektiv in einen zur Ansteuerungselektrode benachbarten Substratbereich eingebracht.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mikro-Betätigungs­ glieds mit einem piezoelektrischen Material und einer be­ nachbart zum piezoelektrischen Material angeordneten An­ steuerungselektrode, gekennzeichnet durchdie Verfahrensschritte:

• - Ausbilden einer galvanisch oberflächenbehandelten Elektrode (11; 31, 31', 31") auf einem Substrat (19; 30),
• - Aufbringen einer Schicht (12; 32) aus photoempfindli­ chem Material auf dem Substrat (10; 30), auf dem die galva­ nisch oberflächenbehandelte Elektrode (11; 31, 31', 31") aufgebracht ist,
• - Belichten der photoempfindlichen Schicht (12; 32) in einem vorgegebenen Muster,
• - Entwickeln der belichteten photoempfindlichen Schicht (12; 32) zur teilweisen Entfernung der photoempfindlichen Schicht (12; 32),
• - galvanisches Einbringen von Metall in einen Substrat­ bereich, von dem die photoempfindliche Schicht entfernt ist, und Ausbilden einer Ansteuerungselektrode (14, 14'; 34, 34', 34"),
• - Entfernen der verbleibenden photoempfindlichen Schicht, und
• - Einbringen eines piezoelektrischen Materi­ als (16; 36, 36') in einen zur Ansteuerungselektrode (14, 14'; 34, 34', 34") benachbarten Bereich des Substrats (19; 30).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Bildung einer Hilfsschicht (40) auf dem Substrat (10, 30) vor der Ausbildung der galvanisch oberflächenbehandelten Elektrode (11; 31, 31', 31") und Entfernen der Hilfsschicht nach dem Einbringen des piezoelektrischen Materials.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei­ chent, daß das Entfernen der photoempfindlichen Schicht die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

• - Entfernen der photoempfindlichen Schicht mit Ausnahme eines zur Ansteuerungselektrode benachbarten Bereichs,
• - versenktes Einbringen eines Hemmungs-Füllmaterials (21) in einem Bereich mit Ausnahme des zur Ansteuerungse­ lektrode benachbarten Bereichs,
• - Entfernen der photoempfindlichen Schicht im zur An­ steuerungselektrode benachbarten Bereich, und
• - Entfernen des Hemmungs-Füllmaterials nach dem Ein­ bringen des piezoelektrischen Materials.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindliche Schicht mit Rönt­ genstrahlen belichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindliche Schicht mit Syn­ chrotron-Lichtstrahlen belichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belichtung der photoempfindlichen Schicht die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

• - Anordnen einer Maske (1) mit einer gemusterten Öff­ nung auf der photoempfindlichen Schicht, und
• - Abstrahlen des hochenergetischen Lichts (2) durch die Maske (1) auf die photoempfindliche Schicht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hochenergetische Licht eine Wellenlänge von nicht mehr als 400 nm aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material im wesentlichen aus einem piezoelektrischen Polymer besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Polymer im wesentlichen aus einem Kopolymer von Vinyliden-Fluorid und Äthylen-Trifluorid be­ steht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material im we­ sentlichen aus einem Material besteht, das durch Verteilen feiner ferroelektrischer Teilchen in einem Polymer oder in Gummi erhalten wird.

11. Mikro-Betätigungsglied mit einem piezoelektrischen Material (16, 36, 36') und einer benachbart zu dem piezoelektrischen Material angeordneten Ansteuerungselektrode (14, 14'; 34, 34', 34"), das nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt worden ist.

12. Mikro-Betätigungsglied nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerungselektrode (14, 14'; 34, 34', i34") aus einer Vielzahl von parallel zueinander ange­ ordneten Elektroden besteht.