DE69304380T2

DE69304380T2 - Vorrichtung zur feinoptischen Bearbeitung

Info

Publication number: DE69304380T2
Application number: DE69304380T
Authority: DE
Inventors: Fumiharu Iwasaki; Toshihiko Sakuhara; Masataka Shinogi; Masayuki Suda
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: EP0563782A2; DE69304380D1; US5288382A; JP2896726B2; EP0563782A3; EP0563782B1; JPH05272000A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feinbearbeitungsgerät zur optischen und chemischen Durchführung der Beschichtungsprozesse und Abtragsprozesse für Metall oder dergleichen in einer Lösung, um eine Struktur zu erzeugen, die ein hohes Längenverhältnis voraussetzt, das insbesondere in einem Gebiet eingesetzt wird, in dem die Struktur durch Mikromaterialbearbeitungstechnik erzeugt wird.
Ein Beispiel für das herkömmliche Feinmaterialbearbeitungsverfahren wird in Fig. 3 gezeigt.
Eine Probe 10, eine Gegenelektrode 32 und eine Bezugselektrode 31 werden in eine Lösung (Plattierungslösung) 16 getaucht, das elektrische Potential der Gegenelektrode 32 wird auf einen Zustand eines elektrischen Gleichgewichtspotentials oder auf eine kleine Überspannung in einem Maße, in dem noch keine Ablagerung auftritt, eingestellt, der (Laser) Lichtstrahl 1 wird gebündelt und durch eine Linse 21 auf die Probe gelenkt unter Verwendung eines Lasers aus einem Gerät 20. Die Plattiergeschwindigkeit nimmt an der vom Lichtstrahl 1 überstrichenen Fläche rapide zu, und nur an den belichteten Teilen wird eine Substanzablagerung generiert. Zu diesem Zeitpunkt kann, wenn der Laserstrahl linienförmig geführt wird, ein lineares Muster gezeichnet werden. Das Prinzip dieser Ablagerung kann wie folgt erklärt werden. Wenn der Laser auf die Elektrodenfläche der Probe in der Lösung fällt und seine Energie vom belichteten Teil absorbiert wird, wird die Schnittstelle zwischen Elektrode und Lösung örtlich aufgeheizt. Die örtliche Erwärmung begünstigt die elektrische Ladungswanderungsreaktion, die die Beschichtung bewirkt.
Im herkömmlichen Feinbearbeitungsverfahren gemäß Fig. 4 wird jedoch die aufgetragene Substanz 5 mit der Schichtdickenverteilung gemäß der Figur auf dem Teil generiert, der von dem auf die Probe fallenden Lichtstrahl 1 belichtet wird. Das wird, wie man annimmt durch die Temperaturverteilung gemäß der Laserlichtbestrahlung bewirkt. Im Falle eines Rohmaterials mit guter Wärmeleitfähigkeit wird die von der Lichtabsorption erzeugte Wärme sehr schnell abgeleitet. Somit wird die Schichtbildung in einer Form ausgeführt, die sich über den bestrahlten Teil erstreckt. Zusätzlich ergib im Falle von Laserlicht die Intensität des Laserstrahls eine normale Gaußsche Verteilung, so daß eine bergförmige Schichtdickenverteilung entsteht, wie in Fig. 4 gezeigt wird.
Um den Einfluß der Wärmeableitung zu unterdrücken wurde nun eine Methode versucht, bei der eine Substanz mit geringer Wärmeleitfähigkeit dünn auf eine Probengrundlage aufgeschichtet wird, eine Methode, in der ein Impulsschwingungslaser benutzt wird, um eine zufriedenstellende Wärmefreisetzung zu erreichen und so die Einflüsse der Wärmeableitung usw. abzuschwächen; jedoch wurde keine Lösung erzielt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Feinbearbeitungsgerät bereitzustellen zum Ausbilden eines Metall- oder Polymerschichtmusters mit scharfen Musterkanten und einem hohen Längenverhältnis, auch mit einem Probenmaterial hoher Wärmeleitfähigkeit.
Zur Lösung der obigen Aufgabe wird erfindungsgemäß das Endteil des aufzutragenden Metalls oder Polymers durch einen Schichtausformungs-Chip abgearbeitet, in dem Abtragselektroden in der Nähe einer Lichtführung zur Lichtbestrahlung angeordnet sind.
Ferner werden die Lichtbestrahlung und das Anlegen eines elektrischen Potentials an die Abtragselektroden in der Nähe des Lichts für jeden Impuls abwechselnd durchgeführt, dabei kann das aufgeschichtete Metall bzw. das Polymer elektrochemisch abgetragen werden.
Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, wonach die Abtragselektroden zum Abtragen des Musterendteils um den Mittelpunkt der optischen Achse rotieren und sich die Abtragselektroden auf einen Drehwinkel einstellen können, der gegenüber der optischen Achse verändert werden kann, wodurch sich die Breite des abzutragenden Musters einstellen läßt.
Das Licht, wie z.B. ein Laserstrahl, wird auf die Probe in der Lösung aufgestrahlt. Das Metall oder Polymer wird auf dem vom Laserstrahl belichteten Teil abgelagert. Jetzt wird ein elektrisches Potential an die Abtragselektroden gelegt, um die aufgetragene Substanz abzutragen und das Metall oder Polymer wird am Musterendteil abgetragen.
Durch Führen des Schichtbildungs-Chips und der Probe ist es möglich, ein beliebiges gewünschtes Muster auf der Probe auszuformen. Die Abtragselektroden zum Abstreifen können um die optische Achse gedreht werden, auf diese Weise kann die Breite des abzustreifenden Musters eingestellt und die Steuerung der Musterbreite durchgeführt werden.
Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht des Schichtbildungs-Chips, der in dem erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsgerät benutzt wird;
Fig. 2 ist eine seitliche Schnittansicht des Schichtbildungs- Chips, der in dem erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsgerät benutzt wird;
Fig. 3 ist eine illustrative Ansicht des herkömmlichen Schichtbildungsgeräts;
Fig. 4 ist eine erklärende Ansicht des herkömmlichen Schichtbildungsgeräts, das mit Licht arbeitet;
Fig. 5 ist eine illustrative Ansicht des erfindungsgemäßen Schichtbildungsgeräts; und
Fig. 6A und 6B sind erklärende Ansichten, die das Mustersteuerungsverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsgeräts zeigen.
Nachstehend wird ein erfindungsgemäßes Beispiel anhand der Zeichnungen erklärt:
In Fig. 1 und Fig. 2 wird die Struktur eines Schichtbildungs- Chips 7 gezeigt, die aus einer Lichtführung 6 besteht, die das Licht durch ein Isolierrohr 3, einen Drehring 4 und Abtragselektroden 2 führt.
Die Abtragselektroden 2 bestehen aus einem Metall wie Wolfram, Platin oder dergleichen und werden von einem Drehring 4 gehaltert, um die Abtragselektroden 2 um die Mittellinie des Lichtstrahls drehen zu können. Der Drehring 4 besteht aus einem Isolator. Der Drehring 4 wird ferner vom Isolierrohr 3 gehaltert. Der Lichtstrahl fällt durch das Innere des Drehrings 4 auf die Probe 10.
Im vorliegenden Beispiel hat der Öffnungsteil des Drehrings 4 einen Durchmesser von 500 µm. Die im Drehring 4 gehalterten Elektroden 2 haben einen Durchmesser von 100 µm.
Fig. 5 ist eine illustrative Ansicht des erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsgeräts.
Im Inneren des Behälters 15 ist untergebracht die Probe 10, eine Bezugselektrode 31 und ein Schichtbildungs-Chip 7, und es ist gefüllt mit einer Lösung 16. Ferner sind die Probe 10, die Bezugselektrode 31 und die Abtragselektroden 2 des Schichtbildungs-Chips sowie eine Gegenelektrode 32 elektrisch verbunden mit einem Potentiometerregler 30. Die Probe 10 kann entweder eine elektrisch leitende Substanz oder ein Isolator sein, der mit einer elektrisch leitenden Substanz beschichtet ist. Die Bezugselektrode 31 ist eine Elektrode zum Generieren eines elektrischen Potentials, die für den Fall der Regelung des elektrischen Elektrodenpotentials in der elektrochemischen Reaktion als Norm dient, für die im allgemeinen eine gesättigte Kalomelelektrode 30 (SCE) oder die Silber-Silberchloridelektrode benutzt wird. Für die Gegenelektrode 32 wird Wolfram oder Platin benutzt. Der Behälter 15 ist auf einem schwingungsdämpfenden Stand 8 eingerichtet.
Der Laserstrahl wird von einem Lasergerät 20 generiert, und sein Winkel wird durch einen Reflexionsspiegel 22 verändert. Der reflektierte Lichtstrahl wird von einem optischen System gebündelt, so daß ein paralleler Lichtstrahl entsteht.
Jetzt soll ein Musterzeichenverfahren erklärt werden. Unter dem Probenstand 40 mit der Probe ist ein (in der Figur nicht dargestelltes) X-Y-Antriebssystem angebracht und bewegt die Probe in X-Y-Richtung. Ein Laserstrahl hat die Eigenschaft einer hohen Kohärenz, so daß bei einer Bewegung in der Z- Achse kein Problem auftritt.
Zusätzlich ist die optische Box 23 direkt am Isolierrohr 3 installiert, um die Absorption des Lichts infolge der Reaktion durch die Lösung 16 möglichst zu vermeiden.
Erklärt wird nun ein Verfahren zum Ausbilden einer Chromschicht unter Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtung. Ein Lösungsgemisch 16 aus Chromsäure und Schwefelsäure wird in den Behälter 15 geschüttet und die Probe 10, die Bezugselektrode 31 und die Gegenelektrode 32 werden in den Behälter 15 getaucht. Ferner werden die Probe 10, die Bezugselektrode 31 und die Gegenelektrode 32 an den Potentiometerregler 30 angeschlossen. Die Probe 10 wird zu einem Bereich bewegt, an dem beabsichtigt ist, ein gewünschtes Muster mittels des X-Y- Antriebsmechanismus, der in der Figur nicht dargestellt aber im Probenstand 40 eingebaut ist, zu erzeugen. Der vom Lasergerät 20 erzeugte Lichtstrahl durchläuft das optische System in der optischen Box 23, fällt durch den Öffnungsteil des Drehrings 4 innerhalb des Isolierrohrs 3 auf die Probe 10. Auf der Probenoberfläche kommt es zur Reaktion und eine dünne Chromschicht bildet sich aus.
Dann wird an die Abtragselektrode 2, die im Drehring installiert ist, ein elektrisches Potential gelegt, dabei wird der Endteil der ausgebildeten Dünnschicht abgetragen. In der Musterbildung wird der Lichtstrahl generiert durch eine Impulsschwingung, um so ein Muster zu bilden, und das elektrische Potential an die Elektroden wird durch eine Impulsschwingung gegeben, um die Endteile des Musters abzutragen, und wenn diese Schritte bei jedem Impuls abwechselnd ausgeführt werden, ist es möglich, abwechselnd das Auftragsverfahren und das Abtragsverfahren durchzuführen, um so ein scharfkantiges Muster mit einem hohen Längenverhältnis zu erhalten.
Das Steuerverfahren für das Muster wird jetzt anhand Fig. 6A und 6B erklärt. In Fig. 6A wird ein Fall gezeigt, in dem die Schichtbildung ausgeführt wird durch Einsetzen der Abtragselektrode 2, die so in den Drehring 4 eingesetzt ist, daß sie rechtwinklig zur Vorschubrichtung steht. Im Gegensatz dazu wird in Fig. 6B ein Fall gezeigt, in dem der Drehring um etwa 45º um die optische Achse gedreht ist. Wenn der Drehring 4 um etwa 45º um die optische Achse gedreht wird, wird die Breite des Musters verringert. beim linearen Führen der Lichtführung 6 und der Abtragselektroden über der Probenoberfläche läßt sich die Musterbreite steuern und ein beliebiges Muster in jeder gewünschten Breite kann ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß ist, wie oben im Hinblick auf das Gerät gesagt, die Probe 10, die Gegenelektrode 32 und die Bezugselektrode 31 in der Lösung 16 installiert. Der Lichtstrahl 1 wird auf die Probe gestrahlt, dabei wird ein gewünschtes Muster aus Metall oder Polymer ausgebildet und die Abtragselektroden 2 sind in der Nähe des Lichtstrahls 1 angeordnet. Der elektrische Strom kann zwischen der Abtragselektrode 2 und der Probe 10 fließen, um so die elektrochemischen Reaktionen zu bewirken, um einen Teil des Metalls oder des Polymers abzutragen, dabei wird ein solcher Effekt erzielt, daß eine Struktur erhalten wird, die eine scharfe Musterkante und ein hohes Längenverhältnis aufweist.

Claims

1. Ein optisches Feinbearbeitungsgerät zum Ausbilden einer Struktur auf einer Probe 10, enthaltend:

Eine elektrolytische Lösung (16), die in einen Behälter (15) gefüllt wird, um die in den Behälter eingebrachte Probe zu durchtränken;

eine in die elektrolytische Lösung eingetauchte Lichtführung (6) zum Aufstrahlen von Licht auf die Probe, um mittels der optischen Energie eine Substanz aus der elektrolytischen Lösung auf die Probe auszufällen;

eine Abtragselektrode (2), die an der Lichtführung (6) angeordnet ist und ein elektrisches Potential zum Abtragen eines Teils der auf der Probe abgelagerten Substanz durch eine elektrochemische Reaktion anlegt;

Lichterzeugungsmittel (20) zum Schicken eines Lichtstrahls (1) durch ein optisches System (23) auf die Lichtführung (6);

und Potentialerzeugungsmittel zum Anlegen des elektrischen Potentials an die Abtragselektroden (2).

2. Ein optisches Feinbearbeitungsgerät gemäß Anspruch 1, in dem das lichterzeugende Mittel (20) und das potentialerzeugende Mittel abwechselnd den Lichtstrahl (1) auf die Lichtführung (6) werfen zwecks Ablagerung der Substanz, und das elektrische Potential an die Abtragselektrode (2) legen, zwecks Abtragung eines Teils der abgelagerten Substanz, und in dem die Lichtführung (6) und die Abtragselektrode (2) über der Probe (10) bewegbar angeordnet sind, um ein vorbestimmtes Muster in der Struktur auszubilden.

3. Ein optisches Feinbearbeitungsgerät gemäß Anspruch 1, in dem eine Vielzahl von Abtragselektroden (2) auf einem Drehring (4) angeordnet sind, der um eine Mittellinie einer optischen Achse eines auf die Probe einfallenden Lichtstrahls drehbar ist, so daß die Breite eines vorbestimmten Musters, das abgetragen werden muß, durch Verändern des Drehwinkels der Abtragselektroden (2) gegenüber der optischen Achse eingestellt werden kann.

4. Ein optisches Feinbearbeitungsgerät gemäß Anspruch 1, in dem die auf die Probe aufgetragene Substanz ein Metall ist.

5. Ein optisches Feinbearbeitungsgerät gemäß Anspruch 1, in dem die auf die Probe aufgetragene Substanz ein Polymer ist.