Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum anisotropen
Ätzen von Metalloxidmaterialien.
Hintergrund der Erfindung
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Ohne den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken, wird ihr
Hintergrund in Zusammenhang mit aktuellen Verfahren zum Ätzen
von Metalloxiden als Beispiel beschrieben.
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Metalloxidmaterialien haben wegen ihrer elektrischen und
mechanischen Eigenschaften zahlreiche Anwendungen auf dem
Gebiet der Elektronik gefunden. Beispiele dieser nützlichen
Metalloxidmaterialien sind Bariumstrontiumtitanat (BaSrTiO&sub3;,
nachfolgend als BST bezeichnet), Bleizirconattitanat (PbTiZrO&sub3;,
nachfolgend als PZT bezeichnet), Niobpentoxid (Nb&sub2;O&sub5;) und
Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;). Da zahlreiche Metalloxidverbindungen
sehr hohe Dielektrizitätskonstanten aufweisen, sind sie als
dielektrische Materialien in Kondensatoren, insbesondere in
Miniaturkondensatoren, die in zahlreiche integrierte
schaltungen (beispielsweise in dynamische RAMs) eingebaut sind,
nützlich. Zahlreiche Metalloxidmaterialien weisen auch einen
positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands
auf, wodurch das Herstellen von Bauelementen ermöglicht ist,
die Elektromotoren gegen eine Beschädigung durch
Überstrombedingungen schützen. Die piezoelektrischen
Eigenschaften dieser Materialien werden weit verbreitet
verwendet, wie beispielsweise bei der genauen Steuerung der
Länge von Laserresonatoren. Metalloxidmaterialien enthaltende
Mikrominiaturstrukturen werden verwendet, um infrarote
Strahlung zu messen, wodurch die Notwendigkeit von Bandlücken-
Detektormaterialien, bei denen ein kryogenes Kühlen
erforderlich ist, um das infrarote Licht zu messen, beseitigt
ist.
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Metalloxidmaterialien werden häufig während der Herstellung der
elektrischen Bauelemente, bei denen ihre nützlichen
Eigenschaften ausgenutzt werden, geätzt. Bei einem zum Ätzen
von Metalloxiden verwendeten Verfahren sollte dies im
allgemeinen ohne ein Herbeiführen einer Beschädigung geschehen, die
die Eigenschaften des Materials, von denen die Funktion der
endgültigen Bauelemente abhängt, in unannehmbarer Weise ändern
würde. Weiterhin ist gewöhnlich ein anisotropes Ätzverfahren
wünschenswert, so daß Einzelheiten der Ätzmaskenstruktur
erhalten bleiben. Eine Verschmutzung des Metalloxidmaterials
(und/oder nahegelegener Materialien) durch das Ätzverfahren
kann gewöhnlich nicht geduldet werden.
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Bisher wurden auf diesem Gebiet Metalloxide durch isotropes
Naßätzen, Ionenstrahlätzen, plasmaätzen oder Laserritzen
geätzt. Das Laserritzen ist ein Verfahren, bei dem ausgewählte
Teile des Materials durch Belichtung mit intensiver
Laserstrahlung beschädigt und geschwächt und dann entfernt
werden.
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In "Applied Physics Letters", Band 54, Nr. 13, 27.03.1989,
S. 1272 bis 1274, ist ein Verfahren zum thermisch aktivierten
Laserätzen beschrieben, das zum anisotropen Ätzen einer
Oberfläche eines Metalloxidmaterials geeignet ist, wobei die
Oberfläche beim Ausführen des Ätzschritts in ein flüssiges
Ätzmittel eingetaucht ist.
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In "Japanese Journal of Applied Physics", Band 26, (1987),
Ergänzung 26-2, 5. 159 - 161, ist ein Verfahren zum
lokalisierten Ätzen von Halbleitern und Keramiken beschrieben, bei
dem eine thermische oder optische Anregung des Ätzmittels
und/oder des Werkstücks verwendet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es wurde herausgefunden, daß gegenwärtige Verfahren zum Ätzen
von Metalloxidmaterialien unannehmbare Ergebnisse liefern
können. Beim isotropen Naßätzen kann die Ätzmaske unterätzt
werden (im allgemeinen um die gleiche Strecke wie die
Ätztiefe),
was zu Merkmalen im darunterliegenden
Metalloxidmaterial führt, die in der Ätzmaskenstruktur nicht wirklich
auftreten. Beim Ionenstrahlätzen können unannehmbare Fehler im
Metalloxidmaterial einschließlich Änderungen seiner
elektrischen, chemischen, mechanischen, optischen und/oder
magnetischen Eigenschaften erzeugt werden. Beim Plasmaätzen kann
eine ähnliche Beschädigung wie beim lonenstrahlätzen
hervorgerufen werden, und die Plasmabestandteile können weiterhin die
Substratmaterialien verschmutzen, und sie sind häufig schwer zu
entfernen. Beim Ätzen durch Laserritzen kann sich kein
Unterätzen des Materials ergeben, durch die Laserstrahlung
können jedoch Beschädigungen des Metalloxidmaterials
hervorgerufen werden, die durch ein Ausheilen bei einer hohen
Temperatur (etwa 1400º C) repariert werden müssen. Durch dieses
Ausheilen können unerwünschte Oxidationszustände im
Metalloxidmaterial erzeugt werden, wodurch seine nützlichen
Eigenschaften verringert werden. Das Ausheilen bei einer hohen
Temperatur kann weiterhin Veränderungen und Beschädigungen
anderer Materialien und Strukturen, die in dem Substrat
vorhanden sind, hervorrufen.
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Die vorliegende Erfindung offenbart ein in den Ansprüchen
ausgeführtes Verfahren zum anisotropen Ätzen
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie anisotrop ist
(d. h., daß sie kein erhebliches Unterätzen hervorruft). Die
unter der Maske liegenden Bereiche bleiben im Schatten und
werden nicht nennenswert geätzt. Es wurde weiterhin
herausgefunden, daß durch dieses Verfahren keine unannehmbaren
Fehler im Metalloxidmaterial hervorgerufen werden. Eine
Verunreinigung durch Plasmaspezies wird verhindert. Im
allgemeinen ist kein Ausheilen bei einer hohen Temperatur
erforderlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die als die Erfindung kennzeichnend angesehenen neuartigen
Merkmale sind in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt. Die
Erfindung selbst wird jedoch ebenso wie andere Merkmale und
Vorteile von ihr am besten beim Lesen der folgenden
detaillierten Beschreibung zusammen mit der begleitenden Zeichnung
verstanden.
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In der Zeichnung ist
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FIG. 1 eine Darstellung der Vorrichtung und von Materialien,
die zum anisotropen Ätzen von Metalloxidmaterialien verwendet
werden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Mit Bezug auf Fig. 1 sei bemerkt, daß eine Struktur in ein
Substrat 34 aus Bariumstrontiumtitanat (BaSrTiO&sub3;) geätzt wird,
das in Salzsäure (HCl) 30 mit einer 12molaren Konzentration
eingetaucht ist und mit im wesentlichen kollimierter
sichtbarer/ultravioletter Strahlung 24 beleuchtet wird, die
sich im wesentlichen orthogonal zu der Substratoberfläche 34
ausbreitet und die von einer Quecksilberxenon-Bogenlampe 20 mit
200 Watt erzeugt wird. Strahlung 21 von der Strahlungsquelle 20
wird durch eine Kollimationsoptik 22 kollimiert, und die
resultierende kollimierte Strahlung 24 wird auf das Substrat 34
gerichtet. Ein Fenster 26, das ein Teil des Reaktionsgefäßes 28
ist und das für die kollimierte Strahlung im wesentlichen
transparent ist, ermöglicht es, daß die abgestrahlte Energie
das BST-Substrat 34 erreicht. Eine Ätzmaske 32 definiert die
geätzte Struktur durch Sperren der Strahlung an Teilen des
Substrats. Das BST-Substrat 34 und die Säurelösung 30 liegen
nominell bei einer Temperatur von 25ºC. Bei einer solchen
Temperatur und Säurekonzentration und ohne Beleuchtung wird BST
durch HCl nicht nennenswert geätzt. Bei Beleuchtung durch die
von der Lampe erzeugte sichtbare/ultraviolette Strahlung wird
die Ätzrate jedoch etwa ein Mikrometer pro Stunde.
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Die Ätzmaske 32 zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem BST-
Substrat 34 ist vorzugsweise dicht bei der zu ätzenden
Oberfläche angeordnet oder berührt diese. Eine solche Ätzmaske 32
kann auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die
Ätzmaske 32 besteht vorzugsweise aus Siliciumoxid. Im
allgemeinen
kann jede Substanz, die für sichtbares und
ultraviolettes Licht, wie das von der Quecksilberxenonlampe erzeugte,
ausreichend undurchlässig ist und die von der
Umgebungsflüssigkeit nicht in hohem Maße durchdrungen oder geätzt wird, wie
Silicimoxid oder Siliciumnitrid, verwendet werden. Es können
Edelmetalle wie Platin verwendet werden. Diese nicht durch das
Maskenmaterial bedeckten Gebiete des Substrats werden dem Ätzen
durch die Säurelösung ausgesetzt.
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Die Steuerung des Seitenwandprofils wird durch Einleiten eines
nicht mit dem BST reagierenden Passivierungsmittels in die
Umgebungsflüssigkeit 30 verbessert, um ein lösliches Produkt
oder ein nur leicht lösliches Produkt zu bilden. Das
Passivierungsmittel "vergiftet" die Seitenwände bezüglich eines
Angriffs durch andere Ätzreagenzien auf die Seitenwand,
unterbricht jedoch nicht das Ätzen senkrecht zum Substrat, da
die Bestrahlung das Passivierungsmittel von der Oberfläche
ablöst. Ein Beispiel eines Passivierungsmittels bei einem Ätzen
von BST ist Phosphorsäure.
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Wiederum sei mit Bezug auf Fig. 1 bemerkt, daß eine Struktur in
ein Substrat 34 aus Niobpentoxid (Nb&sub2;O&sub5;) geätzt wird, das in
10%ige Fluorwasserstoffsäure (HF) 30 eingetaucht ist und mit im
wesentlichen kollimierter sichtbarer/ultravioletter Strahlung
24 beleuchtet wird, die sich im wesentlichen orthogonal zu der
Substratoberfläche 34 ausbreitet und die von einer
Quecksilberxenon-Bogenlampe 20 mit 200 Watt erzeugt wird.
Strahlung 21 von der Strahlungsquelle 20 wird durch eine
Kollimationsoptik 22 kollimiert, und die resultierende
kollimierte Strahlung 24 wird auf das Substrat 34 gerichtet.
Ein Fenster 26, das ein Teil des Reaktionsgefäßes 28 ist und
das für die kollimierte Strahlung im wesentlichen transparent
ist, ermöglicht es, daß die abgestrahlte Energie das Nb&sub2;O&sub5;-
Substrat 34 erreicht. Eine Ätzmaske 32 definiert die geätzte
Struktur durch Sperren der Strahlung an Teilen des Substrats.
Das Nb&sub2;O&sub5;-Substrat 34 und die Säurelösung 30 liegen nominell
bei einer Temperatur von 25ºC. Bei einer solchen Temperatur
und Säurekonzentration und ohne Beleuchtung wird Nb&sub2;O&sub5; nicht
nennenswert geätzt. Bei Beleuchtung durch die von der Lampe
erzeugte sichtbare/ultraviolette Strahlung ist die Ätzrate
jedoch erhöht. Es wurden Ätzratenverhältnisse von bis zu 9 : 1
(beleuchtet : unbeleuchtet) beobachtet.
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Die Ätzmaske 32 zwischen der Strahlungsguelle 20 und dem Nb&sub2;O&sub5;-
Substrat 34 ist vorzugsweise dicht bei der zu ätzenden
Oberfläche angeordnet oder berührt diese. Eine solche Ätzmaske
32 kann auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die
Ätzmaske 32 ist vorzugsweise ein organischer Photoresist. Im
allgemeinen kann jede Substanz, die für sichtbares und
ultraviolettes Licht, wie das von der Quecksilberxenonlampe
erzeugte, ausreichend undurchlässig ist und die von der
Umgebungsflüssigkeit nicht in hohem Maße durchdrungen oder
geätzt wird, verwendet werden. Es können Edelmetalle wie Platin
verwendet werden. Die nicht durch das Maskenmaterial bedeckten
Gebiete des Substrats werden dem Ätzen ausgesetzt.
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Die Steuerung des Seitenwandprofils wird durch Einleiten eines
nicht mit dem Nb&sub2;O&sub5; reagierenden Passivierungsmittels in die
Umgebungsflüssigkeit 30 verbessert, um ein lösliches Produkt
oder ein nur leicht lösliches Produkt zu bilden. Das
Passivierungsmittel "vergiftet" die Seitenwände bezüglich eines
Angriffs durch andere Ätzreagenzien auf die Seitenwand,
unterbricht jedoch nicht das Ätzen senkrecht zum Substrat, da
die Bestrahlung das Passivierungsmittel von der Oberfläche
ablöst. Ein Beispiel eines Passivierungsmittels bei einem Ätzen
von Nb&sub2;O&sub5; ist Salzsäure.
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Wiederum sei mit Bezug auf Fig. 1 bemerkt, daß eine Struktur in
ein Substrat 34 aus Tantalpentoxid (Ta&sub2;O&sub5;) geätzt wird, das in
10%ige Fluorwasserstoffsäure (HF) 30 eingetaucht ist und mit im
wesentlichen kollimierter sichtbarer/ultravioletter Strahlung
24 beleuchtet wird, die sich im wesentlichen orthogonal zu der
Substratoberfläche 34 ausbreitet und die von einer
Quecksilberxenon-Bogenlampe 20 mit 200 Watt erzeugt wird. Die
Strahlung 21 von der Strahlungsquelle 20 wird durch eine
Kollimationsoptik 22 kollimiert, und die resultierende
kollimierte Strahlung 24 wird auf das Substrat 34 gerichtet.
Ein Fenster 26, das ein Teil des Reaktionsgefäßes 28 ist und
das für die kollimierte Strahlung im wesentlichen transparent
ist, ermöglicht es, daß die abgestrahlte Energie das Ta&sub2;O&sub5;-
Substrat 34 erreicht. Eine Ätzmaske 32 definiert die geätzte
Struktur durch Sperren der Strahlung an Teilen des Substrats.
Das Ta&sub2;O&sub5;-Substrat 34 und die Säurelösung 30 liegen nominell
bei einer Temperatur von 25ºC. Bei einer solchen Temperatur
und Säurekonzentration und ohne Beleuchtung wird Ta&sub2;O&sub5; nicht
nennenswert geätzt. Bei Beleuchtung durch die von der Lampe
erzeugte sichtbare/ultraviolette Strahlung ist die Ätzrate
jedoch erhöht. Es wurden Ätzratenverhältnisse von bis zu 50 : 1
(beleuchtet : unbeleuchtet) beobachtet.
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Die Ätzmaske 32 zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem Ta&sub2;O&sub5;-
Substrat 34 ist vorzugsweise dicht bei der zu ätzenden
Oberfläche angeordnet oder berührt diese. Eine solche Ätzmaske
32 kann auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die
Ätzmaske 32 ist vorzugsweise ein organischer Photoresist. Im
allgemeinen kann jede Substanz, die für sichtbares und
ultraviolettes Licht, wie das von der Quecksilberxenonlampe
erzeugte, ausreichend undurchlässig ist und die von der
Umgebungsflüssigkeit nicht in hohem Maße durchdrungen oder
geätzt wird, verwendet werden. Es können Edelmetalle wie Platin
verwendet werden. Die nicht durch das Maskenmaterial bedeckten
Gebiete des Substrats werden dem Ätzen ausgesetzt.
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Die Steuerung des Seitenwandprofils wird durch Einleiten eines
nicht mit dem Ta&sub2;O&sub5; reagierenden Passivierungsmittels in die
Umgebungsflüssigkeit 30 verbessert, um ein lösliches Produkt
oder ein nur leicht lösliches Produkt zu bilden. Das
Passivierungsmittel "vergiftet" die Seitenwände bezüglich eines
Angriffs durch andere Ätzreagenzien auf die Seitenwand,
unterbricht jedoch nicht das Ätzen senkrecht zum Substrat, da
die Bestrahlung das Passivierungsmittel von der Oberfläche
ablöst. Ein Beispiel eines Passivierungsmittels bei einem Ätzen
von Ta&sub2;O&sub5; ist Salzsäure.
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Mit Bezug auf Fig. 1 sei bemerkt, daß eine Struktur in ein
Substrat 34 aus Bleizirconattitanat (PbTiZrO&sub3; oder PZT) geätzt
wird, das in Salzsäure (HCl) 30 mit einer 12molaren
Konzentration eingetaucht ist und mit im wesentlichen
kollimierter sichtbarer/ultravioletter Strahlung 24 beleuchtet wird,
die sich im wesentlichen orthogonal zu der Substratoberfläche
34 ausbreitet, und die von einer Quecksilberxenon-Bogenlampe 20
mit 200 Watt erzeugt wird. Strahlung 21 von der
Strahlungsquelle 20 wird durch eine Kollimationsoptik 22
kollimiert, und die resultierende kollimierte Strahlung 24 wird
auf das Substrat 34 gerichtet. Ein Fenster 26, das ein Teil des
Reaktionsgefäßes 28 ist und das für die kollimierte Strahlung
im wesentlichen transparent ist, ermöglicht es, daß die
abgestrahlte Energie das PZT-Substrat 34 erreicht. Eine
Ätzmaske 32 definiert die geätzte Struktur durch Sperren der
Strahlung an Teilen des Substrats. Das PZT-Substrat 34 und die
Säurelösung 30 liegen nominell bei einer Temperatur von 25ºC.
Bei einer solchen Temperatur und Säurekonzentration und ohne
Beleuchtung wird PZT durch HCl nicht nennenswert geätzt. Bei
Beleuchtung durch die von der Lampe erzeugte
sichtbare/ultraviolette Strahlung ist die Ätzrate jedoch
erhöht. Es wird angenommen, daß die Ätzreaktion teilweise wegen
der relativ niedrigen Leistung der Lichtquelle in den
beleuchteten Bereichen vielmehr durch elektronische Anregung
durch Lichteinstrahlung als durch thermische Wirkungen
beschleunigt wird. Der Begriff "Strahlung" bezeichnet in der hier
verwendeten Bedeutung Strahlung bei über dem Hintergrund
liegenden Niveaus, und dies bedeutet beispielsweise eine
Beleuchtung bei erheblich höheren Niveaus als denen des
Raumlichts.
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Die Ätzmaske 32 zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem PZT-
Substrat 34 ist vorzugsweise dicht bei der zu ätzenden
Oberfläche angeordnet oder berührt diese. Eine solche Ätzmaske 32
kann auf die Substratoberfläche aufgebracht werden. Die
Ätzmaske 32 besteht vorzugsweise aus Siliciumoxid. Im
allgemeinen kann jede Substanz, die für sichtbares und
ultraviolettes Licht, wie das von der Quecksilberxenonlampe erzeugte,
ausreichend undurchlässig ist und die von der
Umgebungsflüssigkeit nicht in hohem Maße durchdrungen oder geätzt wird,
wie Silicimoxid oder Siliciumnitrid, verwendet werden. Es kann
ein Edelmetall wie Platin verwendet werden. Diese nicht durch
das Maskenmaterial bedeckten Gebiete des Substrats werden dem
Ätzen durch die Säurelösung ausgesetzt.
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Die Steuerung des Seitenwandprofils wird durch Einleiten eines
nicht mit dem geätzten Material reagierenden
Passivierungsmittels in die Umgebungsflüssigkeit 30 verbessert, um ein
lösliches Produkt oder ein nur leicht lösliches Produkt zu
bilden. Das Passivierungsmittel "vergiftet" die Seitenwände
bezüglich eines Angriffs durch andere Ätzreagenzien auf die
Seitenwand, unterbricht jedoch nicht das Ätzen senkrecht zum
Substrat, da die Bestrahlung das Passivierungsmittel von der
Oberfläche ablöst. Ein Beispiel eines Passivierungsmittels bei
einem Ätzen von PZT ist Phosphorsäure.
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Es wird angenommen, daß die Ätzreaktion bei allen oben
angegebenen Beispielen teilweise wegen der relativ niedrigen
Leistung der Lichtquelle in den beleuchteten Bereichen vielmehr
durch elektronische Anregung durch Lichteinstrahlung als durch
thermische Wirkungen beschleunigt wird. Der Begriff "Strahlung"
bezeichnet in der hier verwendeten Bedeutung Strahlung bei über
dem Hintergrund liegenden Niveaus, und dies bedeutet
beispielsweise eine Beleuchtung bei erheblich höheren Niveaus
als denen des Raumlichts.
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Bei allen oben angegebenen Beispielen kann die
Umgebungsflüssigkeit der Klasse von Lösungen angehören, bei der das
Substratmaterial ohne Lichteinstrahlung geätzt wird. In diesem
Fall beschleunigt die Strahlung die Ätzrate in den beleuchteten
Teilen des Substrats, was zu einem weniger isotropen Ätzen
führt. Wieder andere alternative Ausführungsformen beinhalten
Salze enthaltende Umgebungsflüssigkeiten und
Umgebungsflüssigkeiten mit pH-Werten, die kleiner oder gleich
sieben sind (d. h. Säuren und neutrale Lösungen). Wieder andere
alternative Ausführungsformen beinhalten Umgebungsflüssigkeiten
mit pH-Werten im alkalischen Bereich (d. h. größer als sieben),
wenngleich neutrale und saure Lösungen stark bevorzugt sind und
ausgezeichnete Ergebnisse geliefert haben, wie in den
bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben
wurde.
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Bei allen oben angegebenen Beispielen wird eine Struktur in die
Oberfläche des Metalloxidmaterials geätzt, indem mit einer
Struktur versehenes Licht auf das Substrat abgebildet wird
(beispielsweise durch herkömmliche photolithographische
Techniken). Weiterhin kann veranlaßt werden, daß die
Umgebungsflüssigkeit bezüglich des Substrats strömt. Die Strömungsrate
der Umgebungsflüssigkeit kann geändert werden. Die
Lösungstemperatur kann geändert werden, um unterschiedliche
Ätzraten und eine Ätzanisotropie zu erreichen. Der Photonenfluß
kann geändert werden, um die Ätzrichtung und die Ätzraten zu
beeinflussen. Die Strahlungswellenlänge kann eingestellt
werden, um unterschiedliche Ätzrichtungen und Ätzraten zu
erreichen. Die Ausbreitungsrichtung der Strahlung braucht nicht
senkrecht zur Oberfläche zu verlaufen. Die Ätzlösung kann eine
Mischung von Spezies sein (beispielsweise aus einem oder
mehreren Passivierungsmitteln zum Erhöhen der Anisotropie und
einem oder mehreren Reagenzien zum photochemischen Ätzen des
Materials).
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Die unten angegebene einzige Tabelle bietet einen Überblick
über einige Ausführungsformen und die Zeichnung.
TABELLE