DE69615721T2

DE69615721T2 - Herstellungsverfahren mit einem Energiebündel

Info

Publication number: DE69615721T2
Application number: DE69615721T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Hatakeyama; Yotaro Hatamura; Katsunori Ichiki; Takao Kato; Masayuki Nakao
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2016-03-16
Also published as: EP0732624A3; EP0732624A2; EP0732624B1; DE69615721D1; US6015976A; US5868952A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Mikroherstellungsverfahren unter Verwendung von Energiestrahlen und sie bezieht sich insbesondere auf ein ultrafeines Mikroherstellungsverfahren, das anwendbar ist bei der Fertigung von Quanteneffektbauteilen, optischen Linsen, reibungsreduzierenden Bauteilen und Strömungsmitteldichtungen, sowie auf eine Vorrichtung basierend auf dem Verfahren.

Beschreibung des Standes der Technik:

Herkömmliche Halbleiterbauteilfertigung wurde durchgeführt unter Verwendung von Fotolithographie, wie es in Fig. 121 dargestellt ist. Bei solch einem Verfahren werden solche Bereiche auf einem Substrat, die nicht bearbeitet werden sollen, mit einer Fotomaske abgedeckt und die ungeschützten Bereiche werden einem Ultraviolettstrahl für eine fotografische Entwicklung ausgesetzt, oder angeregten bzw. energiereichen Ionen im Falle der Plasmaverarbeitung. Die Tiefe der Bearbeitung wird durch Einstellen der Zeit für das Materialätzen gesteuert.
Ein detailliertere Erklärung des Fotolitographieverfahrens wird in der Folge gegeben. In Schritt 1 wird ein Fotoresistmaterial 302 als eine Beschichtung auf die Bearbeitungsoberfläche einer Substratbasis 301 aufgebracht. In Schritt 2 wird ein Fotomaske 303 auf der Zieloberfläche plaziert, die mit einem Ultraviolettstrahl 304 bestrahlt wird, wodurch ein Bauteilmuster 303a, das auf der Fotomaske geformt ist, auf den Fotoresist 302 übertragen wird. In Schritt 3 wird das Bauteilmuster 303a fotografisch entwickelt für das Entfernen des Fotoresist 302 von den UV-ausgesetzten Bereichen des Bauteilmusters 303a, so dass die Bearbeitungsoberfläche der Substratbasis 301 frei gelegt ist.
In Schritt 4 wird selektives Ätzen durchgeführt unter Verwendung von Ionen und Radikalen in einer Plasmaentladung, die auf die freigelegte Oberfläche der Basis 301 einwirkt, und schließlich wird in Schritt S der restliche Fotoresist 302 entfernt. Beim Durchgang durch die zuvor skizzierten fünf Schritte werden Hohlräume 301c, die identisch zum Bauteilmuster 303a sind, auf der Basis 301 gebildet. Dieser Basiszyklus wird wiederholt für das Vervollständigen der Bildung der Bauteilhohlräume.
Das Herkömmliche Fotolithografiefertigungsverfahren kann Hohlräume mit einem relativ einfachen Querschnittsprofil bilden; jedoch können Krümmungen und schräge Tiefenprofilformen nur durch Vorbereiten von einer Serie von Mustern mit allmählich sich ändernden Mustern gefertigt werden. Die Fertigung wird durch sukzessives Austauschen der Muster und durch Wiederholen der Bestrahlungs- und Entwicklungsprozesse durchgeführt für das stufenweise Formen von Kurven und komplexen Profilen. Diese Herangehensweise ist nicht nur zeitraubend und mühsam, sondern auch die Präzision des Endprodukts ist nicht geeignet für die Mikrofertigung von fortgeschrittenen Bauteilen, wie beispielsweise Quanteneffektbauteilen.
Der Basisprozess der Fotomaskierung ist inhärent ein komplexer Prozess, der die folgenden Schritte involviert: Aufbringen einer Fotoresistbeschichtung, Waschen, Aussetzen bzw. Bestrahlen, Erwärmen bzw. Backen und fotografische Entwicklung. Die ausgesetzte Oberfläche muss dann durch irgend einen Energiestrahl zum Entfernen des Basismaterials verarbeitet werden, wobei danach die Maske entfernt werden muss. Der Gesamtprozess ist umständlich und mühsam und ergibt hohe Produktionskosten. Ferner beeinflussen die Oberflächenrauhigkeit und die Flachheit der Bearbeitungsoberfläche die Präzision der Musterfertigung und somit senken sie schwerwiegend die Prozessausbeute.
Ferner muss das restliche Fotoresistmaskierungsmaterial nach dem Abschluss des Fotolitographieverarbeitungsschrittes irgendwie entfernt werden, und wenn beispielsweise Veraschen angewandt wird, kann die Qualität der Oberfläche beschädigt werden, und wenn eine Lösung angewandt wird kann eine Verschmutzung oder ein Verwischen der Form resultieren, wobei beides nachteilig die nachbearbeitete Oberfläche des Produkts beeinflusst.
Die Nutzung von Plasma für die Fertigungsverarbeitung stellt ein Problem hinsichtlich von zufällig einfallenden Strahlwinkeln der ionischen Teilchen dar und die Variation des einfallenden Strahlwinkels wird weiter verschlimmert durch die lokale Ladungsakkumulation in kleinen Oberflächenbereichen. Diese Probleme resultieren in einer stark hervortretenden Tendenz zu einem homogenen Ätzen, insbesondere im Falle der Mikrofertigungsverarbeitung, und erzeugt Bauteile mit geringer Flachheit am Boden der geätzten Rillen und geringer Vertikalität der Seitenwände der Rillen. Diese Probleme stellen eine ernsthafte Beschränkung der Fertigungspräzision dar, und zwar insbesondere bei der Fertigung von Bauteilmustern im ultrafeinen Bereich von weniger als 1 um.
Wie in Becker W. et al., "Fabrication of microstructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation lithography galvanoforming, and plastic moulding (LIGA process)", MICROELECTRONIC ENGINEERING, Band 4, 1986, Seiten 35-56, bildet unter dem LIGA-Prozess für die Herstellung von Mikrostrukturen mit einem hohen Seitenverhältnis und großen strukturellen Höhen eine Synchrotronstrahlungslithographie eine Primärschablone, die mit einem Metall durch Elektroabscheidung gefüllt wird. Die so erzeugte metallische Struktur wird genutzt als ein Formeinschub für das Fertigen einer sekundären Plastikschablone, die in der Massenproduktion die Primärschablone ersetzt. Durch Bestrahlen und Entwickeln von Polymethylmethacrylat-(PMMA)-Platten wurden Primärschablonen erzeugt, die für strukturelle Höhen von einigen hundert um Abweichungen in den kritischen Dimensionen von weniger als einige 0,1 um zeigten. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Röntgenstrahlmaske erhalten, die aus 25 um dicker Berylliumfolie und 18 um dicken Absorberstrukturen bestehend aus Kupfer und Gold bestand. Praktisch perfekte Metallreproduktionen wurden durch Elektroabscheidung von Nickel in den PMMA-Mikrostrukturen erhalten und sogar Details in der Struktur von weniger als 0,1 um Größe wurden reproduziert. Eine Abformung wurde durchgeführt mit Methacrylat-basierenden Gussharz mit einem inneren Formlösewirkstoff. Durch Elektröabscheidung von Nickel in den Sekundärschablonen wurden sekundäre Metallstrukturen erzeugt, die sich praktisch nicht von den Primärstrukturen unterschieden.
Hinsichtlich zusätzlichem Stand der Technik wird die Aufmerksamkeit insbesondere gelenkt auf US-A-4 835 392, US-A-4 757 208, US-A-4 513 203, US- A-4 310 743, US-A-4 136 285 und WO 88 05205 A.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein ultrafeines Mikrofertigungsverfahren vorzusehen, und zwar mit einem hohen Freiheitsgrad beim Fertigen von Feinstrukturmustern mit einer hohen Präzision sogar auf gekrümmten und geneigten Oberflächen eines Werkstücks.
Das Ziel wird erreicht durch ein Mikrofertigungsverfahren für das Erzeugen einer Feinstruktur auf einer Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen ersichtlich.
Gemäß dem Fertigungsverfahren wird, weil das Maskenglied als ein getrennter Körper vorgesehen wird, das Verarbeiten des Feinstrukturmusters ermöglicht und feine und komplexe Muster können erzeugt werden. Weil das Maskenglied nicht auf der Bearbeitungsoberfläche angebracht ist, ist die Technik nicht durch die Natur oder die Form der Bearbeitungsoberfläche eingeschränkt.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass das Maskenglied flexibel gemacht ist, so dass eine Deformierung für die Anpassung an die Konturen der Bearbeitungsoberfläche ermöglicht wird, so dass unebene Oberflächenkonfigurationen nicht dieses Verfahren stören.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass eine Vielzahl von Bearbeitungsoberflächen verarbeitet werden können, so dass simultan oder sukzessive diese Bearbeitungsoberflächen dem Energiestrahl ausgesetzt werden können, wodurch das Erfordernis des Ladens eines Werkstücks und des Entfernen des verarbeiteten Werkstücks von einer Reaktionskammer für jede Verarbeitung einer Arbeitsoberfläche eliminiert wird.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass das Maskenglied wiederholt zu einer Relativbewegung im Bezug auf das Werkstück gebracht wird, so dass das Feinstrukturmuster wiederholt der Fertigungsoberfläche überlagert wird, wodurch ermöglicht wird, dass eine überlagerte Feinstruktur an einer Stelle oder mehrere Feinstrukturen an unterschiedlichen Stellen erzeugt werden.
Ein anderer Aspekt des Verfahrens ist es, dass die Relativbewegung eine Rotationsbewegung um ein Eigenachse ist, so dass eine Feinstruktur auf Umfangsoberflächen bzw. Peripherieoberflächen oder auf mehreren Seitenoberflächen erzeugt werden kann.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass zumindest entweder die Energiestrahlquelle, das Maskenglied oder das Werkstück zu einer Relativbewegung im Bezug auf die restlichen Komponenten gebracht wird, während die Dauer der Bestrahlung bzw. Aussetzung gegenüber der Bestrahlung der Bearbeitungsoberfläche mit dem Energiestrahl gesteuert wird, so dass eine Feinstruktur auf der Bearbeitungsoberfläche erzeugt wird, wobei die Feinstruktur erzeugt werden kann ohne Beschränkung auf die Oberflächenkonfiguration, wie beispielsweise die auf der Bearbeitungsoberfläche herzustellende Höhe und Tiefe der Feinstruktur. Das getrennte Maskenglied ermöglicht die Fertigung von Feinstrukturmustern, um so die Fertigung von feinen komplexen Mustern zu ermöglichen. Es besteht kein Bedarf für eine Anbringung des Maskenglieds auf dem Werkstück, wodurch die Technik nicht auf die Oberflächenkonfiguration beschränkt ist.
Ein anderer Aspekt des Verfahrens ist es, dass zumindest entweder die Energiestrahlquelle, das Maskenglied oder das Werkstück zu einer kontinuierlichen Relativbewegung im Bezug auf die restlichen Komponenten gebracht wird, so dass eine Feinstruktur mit einer glatten oder einer geneigten Oberfläche erzeugt wird, wodurch ermöglicht wird, nicht nur einfache Feinstrukturen sondern auch solche mit gekrümmten Oberflächen oder komplexen Oberflächenkonfigurationen zu erzeugen.
Ein anderer Aspekt des Verfahrens ist es, dass das Maskenglied entlang der Oberflächenkonfiguration oder entlang einer bestimmten Richtung bewegt wird, während das Werkstück bestrahlt wird, was dann eine feine geneigte Struktur ergibt, die sich in Richtung der Bewegung erstreckt gemäß der Geschwindigkeitsvariation der Bewegung. Diese Herangehensweise ermöglicht das Erzeugen von dreidimensionalen Feinstrukturen durch Nutzung eines Maskenglieds mit einem einfachen Strukturmuster. Solche Pläne für die Geschwindigkeitsänderungen können leicht in einem Computer gespeichert werden, wodurch eine numerische Steuerung genau und automatisch ermöglicht wird.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass das Maskenglied stationär ist zum Definieren eines Maximumbereichs für die Aussetzung gegenüber der Bestrahlung, wobei das stationäre Maskenglied ausgetauscht werden kann gegen ein anderes Maskenglied für das Erzeugen von komplexeren Feinstrukturen auf der Bearbeitungsoberfläche.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass der Grad der Aussetzung bzw. Exposition gegenüber der Bestrahlung gesteuert wird auf der Basis der Verteilung der Öffnungen auf einem Feinstrukturmuster, wodurch das Erzeugen einer Feinstruktur ermöglicht wird unter Nutzung eines Maskenglieds mit unterschiedlichen Strahltransmissionsgebieten von Feinstrukturmustern entlang einer Querrichtung zur Bewegungsrichtung. Durch Kombinieren der Effekte der unterschiedlichen Grade des Aussetzung gegenüber der Bestrahlung in der Breite mit den Effekten aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten können sogar noch komplexere Feinstrukturen erzeugt werden.
Ein weiterer Aspekt des Verfahrens ist es, dass das Maskenglied aus einem Material gefertigt ist mit einer unterschiedlichen Reaktivität als das Werkstück, so dass nur das Werkstück selektiv auf den Strahl reagiert und die Feinmuster auf dem Maskenglied erhalten bleiben. Diese Herangehensweise stellt sicher, dass nicht nur das Dienstleben des Maskenglieds verlängert wird, sondern dass Verunreinigungen aufgrund des Schirmungsmaterials vermieden werden. Es ist auch zulässig, dass nur auf der Oberfläche des Maskenglieds eine Beschichtung vorgesehen wird.
Ein anderer Aspekt des Verfahrens ist es, dass das Maskenglied mit einem Feinstrukturmuster versehen ist, das eine Wiederholung einer gemeinsamen bzw. geläufigen Form aufweist, wodurch die Reproduktion einer Feinstruktur durch Nutzung von nur einem Maskenglied ermöglicht wird.
Ein anderer Aspekt des Verfahrens ist es, dass der Energiestrahl einen schnellen Atomstrahl, eine Ionenstrahl, einen Elektronenstrahl, einen Laserstrahl, einen Strahlungstrahl, einen Röntgenstrahl, einen Atomstrahl und einen Molekularstrahl umfasst. Kombiniert mit einer Vorbehandlung zur Erzeugung eines Energiestrahls mit guter Linearität und Gerichtetheit, kann die Bearbeitung bzw. Fertigung selektiv gemacht werden und Feinstrukturen können genau sein gemäß dem Feinmuster gemäß der Position und der Bewegungsgeschwindigkeit des Maskenglieds. Durch Nutzung eines Energiestrahls mit hoher Gerichtetheit bzw. Direktionalität, kann Strahlenergie sogar auf schmale Bereiche der Bearbeitungsoberfläche übertragen werden, so dass eine Feinstruktur mit einem hohen Seitenverhältnis erzeugt werden kann, die schwer mit einer Plasmaverarbeitung zu erzeugen ist.
Ein Strahl aus schnellen Atomen (FAB = fast atomic beam) ist ein elektrisch neutraler Strahl und seine Gerichtetheit ist ausgezeichnet, so dass FAB anwendbar ist auf einen breiten Bereich an Materialien und der Strahl in feine Löcher oder tiefe Ausnehmungen eindringen kann, so dass sogar die Bodenoberfläche der Feinstruktur präzise flach verarbeitet werden kann und die vertikale Seitenwand präzise vertikal gefertigt werden kann.
Ionenstrahlen sind nützlich bei der Verarbeitung von elektrisch leitenden Materialien, wie beispielsweise Metallen. Ein Elektronenstrahl ist anpassbar auf verschiedene Formen, wie beispielsweise ein Duschstrahl oder ein Feinstrahl, wobei beide hoch steuerbar sind und in Verbindung mit reaktiven Gasen genutzt werden zum Vorsehen einer Verstärkung bei einer Oberflächenreaktion.
Laser-, Strahlungs- und Röntgenstrahlen haben ihre bestimmten Energien und Wellenlängen und erzeugen unterschiedliche Effekte auf der Bearbeitungsoberfläche. Diese Strahlen können genutzt werden für das Entfernen von Materialien von der Oberfläche zum Erzeugen einer Feinstruktur oder diese Strahlen können in Verbindung mit reaktiven Gasteilchen genutzt werden, die auf der Bearbeitungsoberfläche absorbiert sind, um eine Aktivität zum Entfernen des Material von der Oberfläche mit den aktivierten Teilchen zu induzieren.
Die Auswahl des Strahls unter den Laser-, Strahlungs- oder Röntgenstrahlen hängt ab von der Größe der Feinstrukturmuster, der Natur der Bearbeitungsoberfläche und den unterschiedlichen Verhalten der reaktiven Gasteilchen. Wenn die Größe beispielsweise extrem klein ist, wäre es schwierig, Strukturmuster zu erzeugen, die kleiner sind als die Wellenlänge eines Laserstrahls, so dass Strahlen mit kürzeren Wellenlängen, wie beispielsweise Röntgen- oder Strahlungsstrahlen, genutzt werden müssen. Atom- oder Molekularstrahlen sind Teilchenstrahlen mit niedriger Energie und Feinstrukturen mit geringer Oberflächenbeschädigung können erzeugt werden. Es ist klar, dass die Wahl auf der Basis der Natur einer jeden Anwendung gemacht werden muss.
Durch Nutzung eines Energiestrahls, der ein fokussierbarer Strahl ist, ist eine reduzierte Projektionsabbildung möglich. Die Größe des Feinstrukturmusters auf dem Maskenglied wir in der Größe reduziert und auf die Bearbeitungsoberfläche projeziert, wodurch die Erzeugung einer Feinstruktur mit einer reduzierten Größe des Musters des Maskenglieds möglich ist. Zur Steuerung des Reduktionsgrads wird der Fokussierwinkel oder die Abstandsweite zwischen dem Maskenglied und dem Werkstück eingestellt. Durch dieses Verfahren wird der Grad der Größenreduktion in der Größenordnung von Zehntel bis Tausendstel ermöglicht.
Die reduzierte Projektionsabbildungstechnik ist insbesondere nützlich, wenn die Herstellung eines Feinstrukturmusters auf dem Maskenglied schwierig ist, beispielsweise wenn eine Linienbreite von 0,1 nm erforderlich ist, jedoch Strukturmuster nur bis zu einer Größe von 10 nm gefertigt werden können.
Ein weiteres Ziel ist es, eine Vorrichtung für die Nutzung des zuvor dargelegten Mikroherstellungsverfahrens vorzusehen. Die Vorrichtung weist folgendes auf: Eine Energiestrahlquelle; eine Probenbühne angeordnet auf einer Strahlachse für das Halten eines Werkstücks; ein Maskenglied mit einem Feinstrukturmuster; und eine Positioniervorrichtung für das Vorsehen einer Relativbewegung von zumindest der Energiestrahlquelle, dem Maskenglied oder dem Werkstück im Bezug auf die restlichen Komponenten.
Die Positioniervorrichtung kann derart gestaltet sein, dass sie kontinuierlich bewegt werden kann zumindest relativ zu der Strahlquelle, dem Maskenglied oder dem Werkstück, um eine Feinstruktur mit einer glatten oder geneigten Oberfläche zu erzeugen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Maskenglied vorzusehen zur Nutzung mit dem zuvor dargelegten Mikroherstellungsverfahren. Die minimale Größe des Feinstrukturmusters auf dem Maskenglied ist in einem Bereich von 0,1 bis 10 000 nm.
Eine Strahltransmissionsöffnung kann durch Ausdünnen eines Bereichs auf dem Maskenglied und Bilden einer Öffnung in diesem ausgedünnten Bereich erzeugt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A-1C sind perspektivische Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels eines ultrafeinen Mikroherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiel des ultrafeinen Mikroherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiel des ultrafeinen Mikroherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4A-4C sind perspektivische Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiel des ultrafeinen Mikroherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5A-5C sind perspektivische Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiel des ultrafeinen Mikroherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6A-6C sind perspektivische Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiel des ultrafeinen Mikroherstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine schematische Gesamtansicht einer Herstellungsvorrichtung unter Verwendung eines Energiestrahls des ersten Ausführungsbeispiels.
Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer ultrafeinen Mikrobühne.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht der ultrafeinen Mikrobühne.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels der ultrafeinen Mikrobühne.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht einer Herstellungsvorrichtung unter Verwendung des Energiestahls des zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 12A-12C sind schematische Ansichten der Fertigung eines Maskenglieds zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 13 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Maskenglieds zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 14A-14C sind schematische Ansichten der Durchführung eines weitere Ausführungsbeispiels des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht eines anderen Maskenglieds zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 16 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 17 ist eine Darstellung eines Nachbearbeitungsschrittes der Verarbeitung des in Fig. 16 gezeigten Maskenglieds.
Fig. 18 ist ein Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung des durch den in Fig. 16 gezeigten Prozess hergestellten Maskenglieds.
Fig. 19 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung in dem Herstellungsverfahren.
Fig. 20 ist ein Beispiel einer Feinstruktur erzeugt durch Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 21A-21C sind schematische Ansichten der Fertigung von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 22A-22B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 23A-23B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 24A-24B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 25A-25B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 26A-26B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der in Fig. 25 gezeigten Maske.
Fig. 27 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Maskenglied zur Verwendung im Herstellungsverfahren.
Fig. 28 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens.
Fig. 29 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens.
Fig. 30A-30B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens.
Fig. 31 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens.
Fig. 32A-32B sind schematische Ansichten von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens.
Fig. 33A-33B sind schematische Ansichten von einem Ausführungsbeispiel eines Quanteneffektbauteils gefertigt durch das Herstellungsverfahren.
Fig. 34 ist ein Beispiel eines Lagers mit einer Labyrinthdichtung gefertigt mit dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung.
Fig. 35 stellt ein Verfahren zur Fertigung des in Fig. 34 gezeigten Lagers dar.
Fig. 36 ist eine schematische Ansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel des Lagers mit einer Labyrinthdichtung.
Fig. 37 stellt ein Verfahren zur Fertigung des in Fig. 36 gezeigten Lagers dar.
Fig. 38 ist eine schematische Ansicht von noch einem anderen Ausführungsbeispiel des Lagers mit der Labyrinthdichtung.
Fig. 39 ist eine Ansicht von einigen wesentlichen Teilen des in Fig. 38 gezeigten Lagers.
Fig. 40 stellt ein Verfahren zur Fertigung des in Fig. 39 gezeigten Lagers dar.
Fig. 41 ist eine schematische Darstellung von einem Beispiel des Herstellungsverfahrens basierend auf reduzierter Projektionsabbildung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 42 ist das Maskenglied zur Verwendung mit dem in Fig. 6 gezeigten Verfahren.
Fig. 43 ist ein Beispiel einer Feinstruktur hergestellt durch das in Fig. 6 gezeigte Verfahren.
Fig. 44 ist ein weiteres Beispiel einer Feinstruktur hergestellt durch das in Fig. 6 gezeigte Verfahren.
Fig. 45 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines anderen Herstellungsverfahrens.
Fig. 46 ist eine schematische Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens.
Fig. 47 ist ein Beispiel einer Feinstruktur erzeugt durch das in Fig. 46 gezeigte Verfahren.
Fig. 48 bis Fig. 76 sind verschiedene Beispiele des Herstellungsverfahrens.
Fig. 77 ist ein Beispiel der Fertigung einer feinen Linsenstruktur durch das Herstellungsverfahren.
Fig. 78 ist ein weiteres Beispiel der Fertigung einer feinen Linsenstruktur durch das Herstellungsverfahren.
Fig. 79 ist noch ein anderes Beispiel der Fertigung einer feinen Linsenstruktur durch das Herstellungsverfahren.
Fig. 80 ist ein Beispiel einer Mikroherstellungsvorrichtung zum Vorsehen des Herstellungsverfahrens.
Fig. 81 ist eine Darstellung des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 82A-82C sind Darstellungen bezüglich der Bewegung des Maskenglieds und der Feinstruktur erzeugt durch eine parallele Kreisbewegung des Maskenglieds.
Fig. 83A-83D sind Darstellungen bezüglich der Schritte beim Erzeugen einer gleichförmigen Ätzung der in Fig. 82C gezeigten Feinstruktur.
Fig. 84 ist eine Darstellung eines weiteren Beispiels des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 85 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 84 gezeigte Verfahren erzeugten Feinstruktur.
Fig. 86 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 87A-87B sind Darstellungen der Bewegung des Strahltransmissionsloches und die Querschnittansicht der so erzeugten Feinstruktur.
Fig. 88 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 89 ist eine Darstellung der Bewegung des Strahltransmissionsloches.
Fig. 90 ist eine Querschnittansicht der durch das in Fig. 89 gezeigte Verfahren erzeugten Feinstruktur.
Fig. 91 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 92A-92B sind Darstellungen eines Beispiels eines Feinstrukturmusters mit Strahlblockierflecken und die Bewegung der Flecken.
Fig. 93 ist eine Querschnittsansicht einer Feinstruktur, die unter Verwendung des in Fig. 92 gezeigten Maskenglieds gefertigt wurde.
Fig. 94 zeigt verschiedene Verarbeitungsschritte (A) bis (E), die mit dem Bilden einer feinen optischen Struktur in Beziehung stehen.
Fig. 95 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 96 zeigt verschiedene Muster von Strahltransmissionslöchern und Strahlblockierflecken gebildet durch das in Fig. 95 gezeigte Verfahren.
Fig. 97 ist eine Querschnittsansicht einer Feinstruktur gefertigt unter Verwendung des in Fig. 96 gezeigten Maskenglieds.
Fig. 98 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 99A-99B zeigen eine Bewegung des Maskenglieds und die Querschnittsansicht der gefertigten Feinstruktur.
Fig. 100 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 101 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 100 gezeigte Verfahren hergestellten Feinstruktur.
Fig. 102 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einschließlich der zeitlichen Bewegung des Maskenglieds.
Fig. 103 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 102 gezeigte Verfahren gefertigten Feinstruktur.
Fig. 104 ist ein Beispiel eines Maskenglieds mit einem speziell geformten Strahltransmissionshohlraum.
Fig. 105 ist eine Darstellung der durch das in Fig. 104 gezeigte Maskenglied gefertigten Feinstruktur.
Fig. 106 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung des in Fig. 104 gezeigten Maskenglieds.
Fig. 107 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 108 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 107 gezeigte Verfahren gefertigten Feinstruktur.
Fig. 109 ist ein Beispiel eines Maskenglieds mit einem Gitter aus strukturierten Strahltransmissionslöchern.
Fig. 110 ist eine Darstellung einer Schirmungsbewegung des in Fig. 109 gezeigten Maskenglieds basierend auf einer quadratischen Spur.
Fig. 111 ist eine perspektivische Ansicht der durch das in Fig. 110 gezeigte Verfahren erzeugten Feinstruktur.
Fig. 112 ist ein Beispiel eines Maskenglieds mit einem Gitter aus strukturierten Strahlblockierflecken.
Fig. 113 ist eine perspektivische Ansicht einer durch das in Fig. 112 gezeigte Maskenglied erzeugten Feinstruktur.
Fig. 114 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 115 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 114 gezeigte Verfahren erzeugten Feinstruktur.
Fig. 116 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 117 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 116 gezeigte Verfahren erzeugten Feinstruktur.
Fig. 118 ist eine Darstellung von noch einem anderen Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 119 ist eine Querschnittsansicht der durch das in Fig. 118 gezeigte Verfahren erzeugten Feinstruktur.
Fig. 120 stellt grundlegende Verarbeitungsschritte (a) bis (e) bezüglich des Formens einer Massenproduktion von Reproduktionen bzw. Abdrücken dar.
Fig. 121 stellt grundlegende Verarbeitungsschritte bezüglich des herkömmlichen Energiestrahlherstellungsverfahrens dar.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt die grundlegende Herangehensweise des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung dar. Das Verfahren weist die Schritte des Plazierens eines Maskenglieds M1 auf einer Herstellungs- bzw. Bearbeitungsoberfläche eines Zielwerkstücks W1 und das Bestrahlen des Werkstücks W1 mit einem Energiestrahl B auf, wie in Fig. 1A dargestellt. Das Maskenglied M können Stangen (für feine Drähte) mit einer Breitendimension in einem Bereich von entweder 0,1-10 nm (Nanometer); 10-100 nm; oder 100 nm-10 um (Mikrometer) sein. Durch Auswahl eines richtigen Typs des Energiestrahls kann das Werkstück W1 wie in Fig. 1B dargestellt durch eine Ätzwirkung des Strahls auf dem Werkstück W1 bearbeitet werden.
Der Energiestrahl kann aus einer Anzahl von schnellen Atomstrahlen (FAB = fast atomic beam), deren Teilchen nicht elektrisch geladen sind und deren Strahlgerichtetheit steuerbar ist, ausgewählt werden. Der FAB kann erzeugt werden von einer FAB-Quelle basierend auf Chlor oder Fluor enthaltendem Gas, so wie es in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 5-121194 erfunden von den Erfindern der vorliegenden Erfindung offenbart ist. Der FAB mit hoher Gerichtetheit bzw. Direktionalität, der von einer solchen Quelle erzeugt wird, erreicht die Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks W1, nachdem er durch das Maskenglied M1 hindurch gegangen ist. In dem Ausführungsbeispiel ist das Material des Werkstücks W1 SiGaAs, jedoch können andere Halbleitermaterialien, Isolatoren wie Glas und Quarz und Metalle verwendet werden. Das Maskenglied M1 kann aus Materialien gefertigt sein wie Wolfram, Gold, Silber, Platin und Nickel, die in feinen Drähten gefertigt werden könne durch Elektroformen auf ungefähr 50 um im Durchmesser. Das Maskenglied M1 wird auf der Oberfläche durch irgend ein geeignetes Mittel gehalten.
Ein Prozess unterschiedlich zu einem Materialentfernungsverfahren, wie beispielsweise Ätzen, kann auch genutzt werden durch Variieren des Typs des Prozessgases und des Energieausmaßes des Strahls, beispielsweise zur Bildung eines Dünnfilms auf der Oberfläche des Werkstücks W1, wie in Fig. 1C gezeigt. In diesem Fall kann die Strahlenergie variieren zwischen einigen eV bis einigen Hundert eV, und der Gastyp kann irgend ein kohlenstoffhaltiges Gas sein, wie Methan, oder irgend welche aluminium- oder titanhaltigen Gase. Wenn die Oberfläche mit solch einem Strahl bestrahlt wird, kann sich eine isolierender oder leitender Film auf den bestrahlten Bereichen bilden, und zwar abhängig vom Typ des Gases, wodurch das Muster des Maskenglieds M1 auf die Bearbeitungsoberfläche übertragen wird.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Verfahrens, bei welchem das Maskenglied M1 direkt auf ein Werkstück W2 gelegt wird. Ein feiner Maskendraht M1 wird auf einem zylindrischen Werkstück W2 in eine Spirale gewickelt, welches um seine Stangenachse in einem Energiestrahl gedreht wird. Die resultierende Feinstruktur nach dem Entfernen des Materials von dem ausgesetzten Bereich des Werkstücks W2 ist ein spiralförmiger Vorsprung 3 gebildet unter dem Maskenglied M1. Es ist ersichtlich, dass eine komplexe Feinstruktur durch ein relativ einfaches Wickelverfahren eines Maskenglieds M1 direkt auf ein dreidimensionales Werkstück W2 gebildet werden kann.
Fig. 3 zeigt eine weitere Anwendung des Wickeln eines bandförmigen Maskenglieds M2 (anstelle eines drahtförmigen) direkt auf das Werkstück W2, wodurch es möglich ist, einen breiteren spiralförmigen Vorsprung als der in der Fig. 2 gezeigte zu formen. Das Verfahren ist anwendbar auf jegliche Form des Werkstücks, beispielsweise quadratische Stangen, rechteckige Körper, Kegel und Kugeln. Es ist auch möglich eine Serie von lokalen Bereichen zu bearbeiten für das Erzeugen einer schließlich komplexen Feinstruktur. Das Maskenglied M2 kann mit einer gemusterten Öffnung zur Erzeugung von komplexeren Feinstrukturen versehen sein. Wie durch diese Beispiele gezeigt, können feine Drähte oder dünne Filme oder Folien für das Maskenmaterial M verwendet werden zum Vorsehen eines effizienten Verfahrens für eine mehrseitige, dreidimensionale Bearbeitung, um so eine Ineffizienz durch die getrennte Bearbeitung der Seiten zu vermeiden.
In dem in Fig. 4A-4C gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein stangenförmiges Werkstück W2 auf einer Bühne zusammen mit einem folienförmigen Maskenglied M2 befestigt. Diese Anordnung steht im Gegensatz zu einem Maskenglied M3 aus einer festen Platte, das in Fig. 5A-5C gezeigt ist, und der Vorteil ist es, dass das Maskenglied M2 zu einem engen Kontakt mit dem Werkstück W2 gebracht werden kann, so dass der Trennabstand zwischen dem Maskenglied M2 und dem Werkstück W2 klein und konstant ist, wodurch gut definierter Musterübertrag gestattet wird. Es sei klar, dass ein gut definierter Bildübertrag einen Trennabstand von ungefähr 100 um erfordert und der Kontakt verbessert wird durch die Elastizität des Maskenglieds M2. Ein elastisches Maskenglied M2 kann erzeugt werden durch Verwendung eines Verbundmaterials, das Harze oder Gummi gemischt mit geeigneten Metallen aufweist. Es ist auch zulässig, eine Anzahl von Maskengliedern M2 in Schichten anzuordnen.
Fig. 6 stellt ein Beispiel des Herstellungsverfahrens unter Verwendung des in Fig. 4 gezeigten Maskenglieds dar. Das Werkstück W2 ist eine Polyimidstange von 0,5 mm Durchmesser. Wie in Fig. 5A gezeigt, wird eine Nickelfolie mit einer Dicke von 10 um mit einem kreisförmigen Loch von 200 um Durchmesser auf das Werkstück W2 gewickelt. Wegen der Dünnheit des Folienmaterials kann die Maskierung fest um die Stange W2 gewickelt werden. Wenn ein Sauerstoff-FAB auf die Stange W2 gestrahlt wird, wird ein Loch 4 von ungefähr 200 um Durchmesser unter rechten Winkeln zur Stangenachse gebildet, wie in Fig. 6B gezeigt. Solch eine Komponente ist nützlich als Basiselement für die Fertigung einer Mikrovorrichtung, wie jene, die in Fig. 6C dargestellt ist.
Bei anderen in der Folge beschriebenen Herstellungsverfahren sind das Werkstück W und das Maskenglied M getrennt, so dass die Relativpositionen der FAB-Quelle, des Maskenglieds M und des Werkstücks W geändert werden können.
Die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung ist für die Verwendung in solch einem Verfahren und weist auf: eine FAB-Quelle 5 für das Erzeugen eines parallelen Strahls von angeregten Teilchen; eine Tragebühne 6 gegenüber von der Quelle 5 für das Tragen des Werkstücks W; eine Haltevorrichtung 7 für das Halten des Maskenglieds M. Die Tragebühne 6 ist mit einem Arbeitsmanipulator 8 versehen für das Vorsehen einer Mikrobewegung des Werkstücks W, und die Haltevorrichtung 7 ist mit einem Maskenmanipulator 9 versehen für das Vorsehen einer Mikrobewegung des Maskenglieds M.
Der Arbeitsmanipulator 8 erzeugt eine Dreh-/Parallelbewegung und ist mit einer vertikalen Anordnung versehen, die X-, Y- und Z-Translatoren 10, 11 und 12 und eine Drehvorrichtung 13 aufweist, die um die Z-Achse gedreht werden kann. Der Maskenmanipulator 9 weist auf: X-, Y- und Z- Drehvorrichtungen 12, 13 und 14; und eine Parallelismus-Einstellvorrichtung 17 für das Einstellen der Parallelorientierung des Maskenglieds M biaxial bezüglich dem Werkstück W.
Wie in Fig. 8 gezeigt, befindet sich an der Basis des Maskenglieds M eine Mikromanipulatorbühne bzw. -stufe 19, die ein piezoelektrisches Element 18 nutzt, um Schiebeeinstellungen in die Richtung der Parallelbewegung in der Größenordnung von 0,1-50 nm Genauigkeit zu ermöglichen bei der Verwendung des piezoelektrischen Elements 18 in Verbindung mit der sich zusammenziehenden oder ausdehnenden Mikrotranslationsbühne bzw. -stufe. Fig. 9 und 10 zeigen Beispiele der Mikrotranslationsbühne 19. Eine Steuerung der Mikrobewegung unter Verwendung der piezoelektrischen Einrichtung 18 wird durchgeführt durch eine Vorrichtung, die eine Bewegung entlang von höchstens drei orthogonalen Achsen zulässt, jedoch ist ein Fall einer einachsigen Steuerung in Fig. 9 gezeigt, während das in Fig. 10 gezeigte Beispiel eine zweiachsige bzw. biaxiale Richtungssteuerung hat.
Fig. 11 zeigt eine Herstellungsvorrichtung ähnlich zu der in Fig. 7 gezeigten, jedoch liegt der Unterschied in der Tragevorrichtung 20 für das Tragen des Werkstücks W. Das heißt, dass die Vorrichtung Folgendes aufweist: dreiachsige Paralleltranslationsbühnen 10, 11 und 12; eine Drehvorrichtung 20 für das Drehen des Werkstücks W in einer Ebene um eine Arbeitsachse, so dass eine Drehung des Werkstücks W unter rechten Winkeln oder unter einem Winkel zum Strahlweg B ermöglicht wird. Die Maskenhaltevorrichtung 7 ist gleich zu jener, die in Fig. 7 gezeigt ist, und der Mikromanipulator mit einem piezoelektrischen Element und einer Mikrobewegung entlang von höchstens drei orthogonalen Achsen ist auch gleich. Vorrichtungen anders als die piezoelektrische Vorrichtung können auch genutzt werden, beispielsweise können auch für die Mikromanipulation Magnetostriktionsvorrichtungen oder Vorrichtungen mit thermischen Ausdehnungseffekten genutzt werden. Abhängig vom zu bewegenden Abstand kann auch eine auf einem Hebel basierende Bewegung genutzt werden.
Als nächstes wird der Aufbau und das Fertigungsverfahren für ein Mikromaskenglied M erklärt. Wie in Fig. 12A gezeigt, wird ein durch Elektropolieren oder Elektroformung gefertigtes feinstrukturiertes Element 21 in eine abgedichtete Kammer 22 plaziert und evakuiert. Ein Verarbeitungsgas G, das mit dem Element 21 reagiert, wird in die Kammer 22 eingeführt, wodurch das Oberflächenmaterial vom Element 21 mit den Gasteilchen entfernt wird, um so allmählich die Größe des Elements 21 gleichförmig in alle Richtungen zu reduzieren.
Die Rate der chemischen Reaktion wird durch Bestrahlen mit einer Lampe 23 auf das Element 21 gesteuert, um die Aktivierung des Gases G zu steuern oder eine Steuerung der Temperatur des Elements 21 zu erreichen. Zur Steuerung der Temperatur des Elements 21 ist es zulässig eine Heizung 24 zusätzlich zur Lampe 23 zu nutzen. Durch die Steuerung der Rate der chemischen Reaktion auf der Oberfläche ist es möglich, die Größenreduktion in der Größenordnung 0,1-10 nm zu steuern durch Einstellen der Dauer der Reaktion. Ein anderes Verfahren, wie beispielsweise Immersion bzw. Eintauchen in einer chemischen Reaktion, ist nicht geeignet wegen der schnellen Rate der Größenreduktion in solchen Fällen.
Fig. 12B zeigt ein Beispiel eines stangenförmigen Maskenglieds M3 hergestellt durch das zuvor beschriebene Verfahren. Ein Anfangsmaskenglied M3' von feiner Stangenform mit 50-100 nm Durchmesser wird durch Elektropolieren und dergleichen vorbereitet, und dann wird das Anfangsglied M3' weiter durch das zuvor beschriebene Verfahren verarbeitet in eine stangenförmige Feinstruktur zur Verwendung als ein Maskenglied M3. Wenn das Material der Feinstruktur GaAs oder Si ist, wird ein Prozessgas aus der Chlor- oder Fluorgruppe verwendet, und wenn das Material Wolfram ist wird ein Prozessgas aus der Fluorgruppe verwendet. Anstelle eines reaktiven Prozessgases können auch reaktive Radikalteilchen genutzt werden. Die Reaktionsrate mit reaktiven Radikalteilchen ist schneller als die mit einem reaktiven Gas beim Erzeugen eines gleichförmig geätzten Produkts und sie ist geeignet für die Verarbeitung einer großen Menge von Maskengliedern.
Fig. 12C zeigt eine weiteres Beispiel eines Feinstrukturmaskenglieds M4 mit einem tetragonalförmigen Basisteil 25 an der Wurzel eines stangenförmigen Musterungsteils 26. Der Basisteil 25 des Maskenglieds M4 ist konstruiert für die Handhabung des Maskenglieds M4, dessen stangenförmiger Musterungsteil 26 die Maskierungswirkung ausführt. Die Größe des Basisteils 25 kann ungefähr 1 mm sein. Ähnlich zum in Fig. 12B gezeigten Fall wird das Anfangsglied M4' durch das herkömmliche Verfahren vorbereitet und es wird weiter verarbeitet durch das in Fig. 12A gezeigte Herstellungsverfahren zum Erzeugen des Endmaskenglieds M4.
Während des Herstellungsprozesses wird der Basisteil 25 mit dem Mikromanipulator oder der Dreh-/Translationsbühne gekoppelt, so dass eine Mikrobewegung gestattet wird, sofern dies nötig ist. Dem folgt im Gegensatz zum vorhergehenden Beispiel das Trennen des Maskenglieds M und des Werkstücks W um einen Abstand von bis zu ungefähr 100 um. Ein Trennabstand größer als zuvor genannt ist nicht wünschenswert wegen des Effekts der Strahlstreuung. Fig. 13 ist ein Maskenglied M5 mit einer Vielzahl von stangenförmigen Maskengliedern 26a einstückig geformt mit dem Basisteil 25.
Fig. 14 zeigt ein Beispiel einer Feinstruktur zum Vorsehen eines Maskenglieds M6 gefertigt aus Ni. Der Basisteil 27 und ein polygonales Maskenglied 28 werden einstückig als eine Einheit geformt. Wie in den Fällen, die in Fig. 12C und Fig. 13 gezeigt wurden, wird die Feinstruktur mit einem Mikromanipulator oder einer Translationsbühne für eine Mikrobewegung gekoppelt. Wie bezüglich des in Fig. 1 gezeigten Beispiels diskutiert wurde, ist es durch Änderung des Typs des Energiestrahls oder des Prozessgases möglich Ätzen (Fig. 14A) durchzuführen oder eine Filmablagerung (Fig. 14B) zu bilden.
Fig. 15 ist ein beispielhaftes Maskenglied M6. Ein Maskenglied M7' vorbereitet durch Elektroformung aus einem Material wie beispielsweise Ni und dergleichen hat einen Feinstrukturmusterungsteil 30a, der weiter in der Größe zur Erzeugung eines Maskenglieds M7 zu reduzieren ist. Die Vorrichtung und der Prozess für die Fertigung solch eines Feinstrukturmaskenglieds M7 ist gleich zu jenen, wie sie in Fig. 12A gezeigt wurden. Wenn das Material für das Maskenglied M7 Ni ist, kann ein Chlorguppengas als ein reaktives Gas oder reaktive Radikalteilchen genutzt werden. Die Temperatur des Anfangsmaskenglieds M6 kann innerhalb ungefähr 500-1000 K unter Verwendung einer Heizung 24 oder einer Lampe 23 reguliert werden. Die überall gleichförmig Reduktion der Größe auf ungefähr 1-19 um kann erreicht werden.
Fig. 16 und 17 zeigen eine andere Herangehensweise für die Fertigung eines stangenförmigen Maskenglieds M8.
Wie in Fig. 16 gezeigt weist eine Spannvorrichtung 31 zwei Rahmenteile 31a, 31b, einen Mittelteil 31c und einen Schaftteil 31d auf, wobei der Schaftteil 31d an eine Drehmaschine anbringbar ist. Der Rahmenteil 31a ist mit einer Öffnung 31e versehen. Die Spannvorrichtung 31 wird mit einem feinen Draht 31a von ungefähr 1 um Durchmesser umwickelt. Das Drahtmaterial kann Material auf Kohlenstoffgrundlage sein oder eine Quarzfaser und der Abstand zwischen der Wicklung kann beispielsweise 5 um sein. Eine gleichförmige und parallele Wicklung wird erhalten durch Nutzung einer NC-Spindel zur Steuerung des Abstandes. Der gewickelte Draht 32a ist auf die Oberfläche des Rahmenteils 31a aufgebracht, worauf die Teile 31a und 31b getrennt werden zum Erzeugen eines Anfangsmaskenglieds M8', wie in Fig. 17 gezeigt.
Das Anfangsmaskenglied M8' wird in die in Fig. 12A gezeigte Vorrichtung plaziert und reaktives Gas oder reaktive Radikalteilchen werden in die evakuierte Kammer 22 eingeführt. Die Temperatur des Anfangsmaskenglieds M8' oder die Reaktivität/Aktivität des reaktiven Gases/Radikalteilchen werden gesteuert für das Entfernen des Oberflächenmaterials vom Anfangsmaskenglied M8', so dass der 1 um Durchmesser des Anfangsdrahtes 32a reduziert werden kann auf einen Enddurchmesser in einem Bereich von 0,1-100 nm für den Feinstrukturteil 32 des Maskenglieds M8.
Die in Fig. 1B-1 C gezeigten Feinstrukturen werden durch Bearbeitung unter Nutzung des Maskenglieds M8 erzeugt, und zwar ähnlich zum Fall der Erzeugung unter Nutzung der in Fig. 12B, 12C und 13 gezeigten Maskenglieder.
Durch Nutzung entweder des in Fig. 14, 15 oder 17 gezeigten Maskenglieds und wiederholtes Ändern der Position des Werkstücks W kann eine in Fig. 18 gezeigte Feinstruktur erzeugt werden, bei welcher zwei Muster einander überlagert sind (ein inselartiger Vorsprung 34 geformt durch den Schnitt der linienförmigen Vorsprünge 33). Die detaillierten Schritte sind wie folgt. Das Maskenglied M8 wird in Verbindung mit der Bestrahlung mit einem Energiestrahl genutzt. Nach dem Drehen des Maskenglieds M8 um 90º bezüglich des Werkstückes W wird der vorhergehende Schritt wiederholt. Die Drehbewegung kann durchgeführt werden durch die Verwendung einer in Fig. 7 gezeigten Drehvorrichtung 13. Die so erzeugte Feinstruktur ist nützlich bei der Reduzierung der Reibung, wenn Gleitbewegungen in jeglichen zwei Ebenen involviert sind. Solche Feinstrukturen werden in einer Lagervorrichtung für eine Drehwelle oder für optische oder magnetische Disks zur Realisierung einer hohen Leistung mit geringer Reibung von solchen Vorrichtungen genutzt.
Fig. 19 zeigt noch ein anderes Maskenglied M9, das durch Anbringen der Drähte 32a auf beiden Seiten des Rahmenteils 35 erzeugt wird, und zwar mit dem Verfahren der Fig. 16 und durch weiteres Reduzieren der Größe durch die Vorrichtung und das Verfahren der Fig. 12, wodurch die Feinstruktur 32 erzeugt wird. Das Maskenglied M9 erzeugt ein sich schneidendes Linienmuster, das die Linienvorsprünge 36 aufweist. Wenn dieser Prozess für das Bilden des Musters 36 für andere Seiten eines polygonalen Werkstücks wiederholt wird, kann einen Feinstruktur, wie sie in Fig. 20 dargestellt ist, auf einem Werkstück W3 erzeugt werden.
Fig. 21A-21C stellen ein anderes Verfahren für die Fertigung des Maskenglieds M10 dar, welches ähnlich zu dem in Fig. 17 gezeigten ist. Das Material für die Drähte 37 ist Gold von 20 um Durchmesser. Unter Verwendung eines bei der Halbleiterbauteilherstellung genutzten Drahtbonders werden die Golddrähte 37 auf einer Aluminiumplatte 38 auf einer Si-Basis 39 installiert. Die Drähte 37 werden über jeweilige V-Nuten 41 auf den gegenüber liegenden Flecken bzw. Pads 40 gespannt, die auf der Si-Basis 39 gebildet sind.
Durch die Verwendung eines gewöhnlichen Drahtbonders ist es nicht einfach, einen Drahtabstand bzw. eine Drahtganghöhe von 20 um im Abstand zu erhalten, jedoch richten sich die Drähte selbst aus, wenn die Drähte über die V-Nuten gespannt werden. Zur Vermeidung eines Schlupfes bzw. Durchhängens in den Drähten 37 wird die Aluminiumplatte 38 auf eine Aluminiumbasis 34 mit Messerkanten 42 geschraubt, so dass die Aluminiumplatte 38 gebogen ist, wie in Fig. 21 B dargestellt, und zwar zum Spannen der Drähte 37.
Die Fertigung des Maskenglieds 10 wird ermöglicht durch die Nutzung der feinen Drähte 37. Die Oberfläche der Drähte 37 ist glatt und die Größe der Drähte ist durchwegs konstant, wodurch die dimensionale Präzision vorgesehen wird. Die Stärke der Drähte 37 ist relativ hoch, was es ermöglicht, eine geeignete bzw. richtige Vorspannung zu erreichen, so dass sogar beim Anstieg der Temperatur während der Verwendung und bei einer Ausdehnung des Rahmenteils des Maskenglieds M10 keine Lockerung bzw. kein Schlupf in den Schlitzen erzeugt wird. Anstelle des Golddrahtes können auch andere metallische Drähte genutzt werden, wie beispielsweise ein Aluminiumdraht, und in diesem Fall kann der mit Spannung installierte Draht weiter verarbeitet werden durch beispielsweise Ätzen, um weiter den Drahtdurchmesser zu reduzieren.
Andere Verfahren für die Fertigung des Maskenglieds umfassen ein Verfahren basierend auf einer Beschichtung mit einem Fotoresistmuster auf einer Edelstahlfolie, Ätzen zum Erzeugen von Hohlräumen und Entfernen der Resistbeschichtung; ein Verfahren basierend auf Laserbohrung einer Polyimidfolie; ein Verfahren ähnlich zur Elektroformung, bei welchem ein Resistmuster auf einer Glasplatte erzeugt wird gefolgt von elektroloser Nickelplattierung auf dem Muster und späterem Entfernen der Nickelplattierung.
Fig. 22A und 22B zeigen ein Beispiel eines geschlitzten Plattenmaskenglieds M11. Das Plattenmaskenglied M11 hat eine Dicke geeignet für die Verwendung als steifes Glied und es sollte aus einer Edelstahlplatte von dicker als 100 um gefertigt sein. In diesem Beispiel wird eine Edelstahlplatte von 100 um Dicke mit einem feinen Hohlraummuster 81 versehen. Der Hohlraum wird erzeugt durch Laserbohrung des Hohlraums. Eine Infrarotlaserquelle, wie beispielsweise ein CO&sub2;-Laser oder ein YAG-Laser kann in Verbindung mit einer Apertursteuervorrichtung für das Fokussieren eines feinen Punkts verwendet werden, und ferner durch Steuerung der Bewegung der Mikromanipulatorbühne und der Laserintensität zum Erzeugen eine Hohlraums 45 (100 um mal 500 um), wie jener, der in Fig. 22B im Maskenglied M11 gezeigt ist.
Wenn das Plattenmaskenglied M11 für die Übertragung des Hohlraummusters auf ein Werkstück genutzt werden soll, sind die Dicke so wie die Größe der Musterform auf dem Plattenmaskenglied M11 wichtige Variablen, die die Präzision des Musterübertrags beeinflussen. Die Dicke der Platte, die für gewöhnlich mit einem plattenartigen Material assoziiert ist, wäre nicht geeignet für die Erzeugung eines Hohlraums mit hoher Präzision, und zusätzlich kann etwas an Streuung an den Seitenoberflächen des Hohlraums auftreten, was die Präzision des Musterübertrags verschlechtert. Für feine Hohlräume würde eine dicke Platte Probleme hervorrufen auch wegen einer Streuung an den Seitenwänden und Anhaften von gesputterten Teilchen auf der Bearbeitungsoberfläche. Diese Probleme sind besonders ernst für Hohlraummuster von weniger als 10 um Größe.
Das in Fig. 23A, 23B gezeigte Beispiel wird präsentiert für die Lösung der zuvor diskutierten Probleme. In diesem Beispiel ist das Plattenmaskenglied M12 mit einem verdünnten Bereich 47 und einem in diesem Bereich der Platte geformten Hohlraum 48 versehen. Bei Aluminium oder Edelstählen wird dieser verdünnte Bereich 47 durch Abdecken aller Bereiche mit Ausnahme des auszudünnenden Bereichs erreicht, und zwar mit einer Fotoresistbeschichtung, und durch Eintauchen der Platte in eine chemische Lösung zum Entfernen von Material von dem unbeschichteten Bereich der Platte, bis die Dicke in diesem Bereich ungefähr 10 um wird. Bei Si ist ein chemisches Ätzen auch möglich, jedoch kann auch die Behandlung durch einen FAB oder durch Energieteilchen aus einem Plasma genutzt werden für das Entfernen von Material vom verdünnten Bereich 47.
Der verdünnte Bereich 47 kann weiter einer Fotoresistmaskierungunterzogen werden zum Erzeugen eines Musters und in Verbindung mit einer FAB- oder einer Plasmaverarbeitung können Hohlräume von weniger als 10 um Größe erzeugt werden. In diesem Beispiel wird das Plattenglied 83 von 10 · 10 mm mit einem verdünnten Bereich 47 versehen, der 500 · 500 um misst. Feine Öffnungen 48 werden dann in dem verdünnten Bereich 47 zum Erzeugen einer Anordnung bzw. Reihe von Schlitzen erzeugt, die 5 um in der Breite und 5 um im Abstand messen.
Fig. 24 zeigt ein anderes Beispiel zur Lösung des gleichen Problems. In diesem Fall besitzt das Plattenmaskenglied M13 einen verjüngten Bereich, der in Richtung auf die Kante 50 des Hohlraums 49 abfällt. Weil die Kante 50 scharf ist, wird eine Streuung minimiert und die Musterübertragungspräzision wird verbessert.
Wenn die Plattendicke über 100 um ist, sind Hohlräume kleiner als einige Zehntel Mikrometer auf dem Plattenmaskenglied M11 schwer zu erreichen weil die Größe der Seitenwände größer als die Hohlraumgröße wird. Demgemäß steigt die Streuung von der Seitenwand an und die Musterübertragpräzision wird verschlechtert.
Zur Lösung des zuvor erwähnten Problems präsentieren Fig. 25A und 25B eine Folienmaskenglied M14. Dieses Glied M14 wird erzeugt durch Elektroformung. Ein Fotoresistmuster wird auf einer flachen Glasplatte erzeugt und Nickel wird auf der Oberfläche elektrogeformt. Die Resistbeschichtung wird dann aufgelöst und die Nickelfolie wird zum Erzeugen des Folienmaskenglieds M14 entfernt. Ein Hohlraummuster, das minimal 1 · 5 um misst, wurde auf dem Folienmaterial erzeugt. Ein weiteres Beispiel eines Folienmaskenglieds M14 ist eine Halbleiterfolie gefertigt aus SiGaAs unter Verwendung einer Opferschicht.
Solche Folienmaskenglieder M14 können direkt auf dem Werkstück verwendet werden, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, jedoch können sie auch, wie in Fig. 26 gezeigt, auf einer Bühne montiert werden, so dass ihre relative Positionierung eingestellt werden kann. Dieses Beispiel bezieht sich auf das Ausbilden von Löchern oder Nuten 52 auf einer gekrümmten Oberfläche 51, die von einem Werkstück W5 (SiO&sub2;) hervorragt. Das Maskenglied M14 wird durch eine Spannvorrichtung (nicht gezeigt) gehalten, so dass der Trennabstand zwischen der gekrümmten Oberfläche und der Unterseite des Maskenglieds M14 konstant entlang der Krümmung ist, wie in Fig. 26B gezeigt ist. Der Trennabstand sollte kleiner sein als 100 um für das Aussetzen gegenüber einem Energiestrahl für die Bearbeitung bzw. Herstellung.
Der in diesem Beispiel geformte Hohlraum ist eine Vielzahl von Löchern 53 von unterschiedlichen Durchmessern und wenn die Exposition durch konstantes Beibehalten der Relativposition des Maskenglieds M14 und des Werkstücks W5 durchgeführt wird, können unterschiedliche Lochgrößen auf der gekrümmten Oberfläche 51 erzeugt werden. Die Lochgrößen waren 5, 10 und 15 um in diesem Beispiel. Wenn die Relativposition durch Bewegen der Spannvorrichtung verschoben wird, können feine Nuten von der zuvor erwähnten Größe erzeugt werden.
Wenn der Trennabstand 100 um übersteigt, kann eine Strahlstreuung und eine Fehlausrichtung der Strahlachse aus der Vertikalen hervorgerufen werden, jedoch weil das Maskenglied M14 ein Folienmaterial ist, werden solche Probleme durch freie Änderung der Form der Krümmung vermieden. Dieses Beispiel demonstriert, dass das Bilden von Mustern auf einer nicht flachen Oberfläche mit dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung möglich ist.
Das in Fig. 27 gezeigte Maskenglied M15 hat eine in drei Schritten variierende Breite. Dieses Muster kann durch Fotolithographie gefertigt werden und Elektroformung wird genutzt zur Verdopplung bzw. Duplizieren des Musters in Nickel. Zur Fertigung des Fotoresistmusters wird Elektronenstrahlziehen sowohl für eine Fotomaskierung als auch für die Musterfertigung verwendet. In beiden Fällen wird eine Steuerung zur Erzeugung eines ultrafeinen Musters ausgeübt.
In den zuvor zitierten Beispielen kann der Energiestrahl ein FAB sein, und wenn das Maskenmaterial aus Si gefertigt ist, kann die Maske mit Gold beschichtet sein, so dass eine chemische Reaktion mit dem FAB vermieden wird.
Fig. 28 zeigt ein anderes Beispiel der Musterformung auf einem Werkstück W1. In diesem Fall wird das Maskenglied M1 seitlich wiederholt während der Bestrahlung bewegt, um eine Vielzahl von Mustern zu erzeugen. Das Maskenglied M1 ist ein einzelner Draht mit ultrafeinen Durchmesser, der parallel zum Werkstück W1 verschoben wird und für eine Zeit bei einer Position angehalten wird. Die maskierten Bereiche zeigen weniger Materialentfernung während der anhaltenden Aussetzung, wodurch eine Serie von Linienvorsprüngen 54 auf der Bearbeitungsoberfläche ausgebildet werden. Die Paralleltranslation kann erzeugt werden durch Verwendung von Translationsvorrichtungen 10, 11, 14 und 15, wie sie in Fig. 7 und 11 gezeigt sind. Der Vorteil von dieser Herangehensweise ist es, dass nur ein Maskenglied M1 notwendig ist für die Fertigung einer Vielzahl von parallelen Strukturen und der Abstand durch die Translationsvorrichtung gesteuert werden kann.
Fig. 29 zeigt eine Herangehensweise bei der Herstellung einer Feinstruktur, wenn das Maskenglied M15 nicht die Anforderungen hinsichtlich der feinen Größen erfüllt. Beispielsweise ist es wünschenswert, dass ein Hohlraum von 10 nm Größe auf einem Werkstück W1 gefertigt wird, jedoch misst das verfügbare Maskenglied M15 1 um oder mehr. In diesem Fall kann die Herstellung durchgeführt werden unter Nutzung der Kanten des Maskenglieds M15, wie in Fig. 29 dargestellt. Die Relativposition des Maskenglieds M15 und des Werkstücks W1 kann leicht variiert werden (in Fig. 29 nicht skaliert), so dass nur ein Bereich von 10 nm Breite vollständig von einem Energiestrahl maskiert wird. Die resultierende Struktur mit feinen Vorsprüngen hat eine Breite von 10 nm im oberen Abschnitt einer gestuften Struktur.
Die in Fig. 30 bis 32 gezeigten Beispiele beziehen sich auf eine Technik der Überlagerung einer Vielzahl von Maskengliedern M zum Erzeugen eines Musters auf einem Werkstück. Ein Maskenglied M16 mit einem kreisförmigen Hohlraum wird einem anderen Maskenglied M17 mit einer Scheibe von kleinem Durchmesser überlagert zum Erzeugen eines halbmondförmigen Musters auf dem Werkstück. Dies ist ein Beispiel der Fertigung eines komplexen Musters durch Überlagerung von Mustern von einfacheren Formen. Feine komplexe Muster sind für gewöhnlich schwer zu fertigen und diese Herangehensweise ist hervorragend für solche Muster.
Fig. 37 zeigt noch eine anderes Beispiel für die Überlagerung von Maskengliedern M. Der Vorteil ist es, dass die Relativposition der zwei Maskenglieder 18M geändert werden kann zur Variation der Form und der Größe des Raumes, der dazwischen erzeugt wird. In diesem Beispiel werden zwei L-förmige Maskenglieder M18 zum Erzeugen eines rechteckig geformten Raums verwendet. Beispielsweise, wie in Fig. 32 gezeigt, kann dieser Öffnungstyp für die Reparatur eines speziellen lokalen Gebiets auf einer IC- Schaltung W6 genutzt werden. Die Relativposition kann durch Verwendung einer Mikromanipulatorvorrichtung mit einem piezoelektrischen Element eingestellt werden, wie sie in Fig. 8 bis 10 gezeigt ist. Diese Art eines Reparaturservice kann auch durch Scannen mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) vorgesehen werden, jedoch ist dieses Verfahren viel zeitraubender im Vergleich zum hier präsentierten Verfahren.
Wenn das Werkstück W aus einem III-V-Verbundhalbleiter wie GaAs, AI- GaAs, InGaAs oder aus Halbleitern der Si-Gruppe gefertigt ist, ist das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung besonders geeignet für die Fertigung von Quanteneffektbauteilen. Fig. 33A zeigt ein Beispiel eines Quantenlinieneffektbauteils. Dieser Bauteiltyp basiert auf einer Energiepegeländerung bewirkt durch den Quanteneffekt zum Erzeugen eines Licht- oder Laserstrahls von geringerer Wellenlänge als die Volumenwellenlänge. Das gezeigte Beispiel bezieht sich auf eine Quantenlinienstrukur, jedoch ist das Herstellungsverfahren gleichfalls anwendbar auf die Fertigung von einer Quantenboxen- oder Quantenstangenstruktur gemäß den zuvor vorgesehenen Beschreibungen durch Bewegen des Maskenglieds M bezüglich des Werkstücks W.
Fig. 33A stellt ein Quanteneffektbauteil dar, das zwei Typen von Quantenstrukturen zum Erzeugen von zwei ausgegebenen Laserstrahlen von unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2) aufweist durch Anregen mit einem hohen Magnetfeld oder durch Lichtanregung auf einen bestimmten Zustand. Das Werkstück W1 hat zwei Reihen von Feinstrukturen 57, die aus der Oberfläche hervorragen, und das durch die angeregten Elektronenzustände erzeugte Licht wird durch die Resonatorenspiegel am Ende der Reihen verstärkt, um einen Laserstrahl von jedem Ende der Feinstrukturen 57 zu emittieren. Weil die Dimensionen der Feinstrukturen unterschiedlich sind, sind die Quanteneffekte unterschiedlich und Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen werden erzeugt.
Fig. 32B zeigt ein grundlegendes Verfahren für die Fertigung des Quanteneffektlaserbauteils. Ein Maskenglied M19 mit zwei Reihen von Hohlräumen 58 von unterschiedlichen Größen wird verwendet für das Erzeugen von zwei Reihen von Feinstrukturen 57 für die Erzeugung der zwei Wellenlängen λ1 und λ2. Die Maske 19 wird direkt auf oder einen gewissen Abstand weg von dem Werkstück W 1 plaziert und die Anordnung wird mit einem Energiestrahl wie einem FAB bestrahlt. Dieser Prozess überträgt das Muster der Maske M19 auf die Oberfläche des Werkstücks W1 zum Erzeugen der feinstrukturierten Vorsprünge 57, wie in Fig. 32A gezeigt, zum Erzeugen des Quanteneffekts.
Fig. 34 zeigt eine Anwendung des Herstellungsverfahrens zur Fertigung eines Lagers 61 mit einer Labyrinthstrukturdichtung, die feine Nuten 62 umfasst, die sich auf der inneren Umfangsoberfläche des Lagers 61 erstrecken, die in Kontakt ist mit einer Welle 60. Das Lager 61 wird durch das in Fig. 35 dargestellte Verfahren gefertigt. Das Lager 61 ist gefertigt aus zwei gespaltenen Halbabschnitten W5 und die innere Umfangsoberfläche wird mit einem Energiestrahl B durch eine Maskenglied M20 bestrahlt zum Erzeugen der feinen Nuten 62 darauf. Das Maskenglied M20, das mit einer Vielzahl von feinen Schlitzen 63 versehen ist, wird über der inneren Oberfläche des gespaltenen Halblagers W5 plaziert und der FAB B wird auf die innere Oberfläche durch die Schlitze 63 gestrahlt. Die gespaltenen Hälften werden zusammengefügt zum Ausbilden eines Lagers 61 mit einer Labyrinthstruktur.
Fig. 36 zeigt eine weitere Anwendung der Technik für die Herstellung der Labyrinthstruktur zum Formen einer Vielzahl von feinen Vertiefungen 65 auf der Oberfläche eines Wellenteils W6, um als Reibungsreduzierer zwischen dem Wellenstück W6 und dem Lager 66 zu wirken. Die Herstellungstechnik für das Wellenstück W6 ist in Fig. 37 gezeigt. Ein Maskenglied M21 mit Löchern, die entsprechend den auf dem Wellenstück W6 zu bildenden Vertiefungen 65 angeordnet sind, wird einen gewissen Abstand über dem Wellenstück W6 plaziert, und ein Energiestrahl B wie beispielsweise ein FAB wird durch es hindurch gestrahlt. In diesem Beispiel war die verwendete Technik die Nutzung eines Maskenglieds M21, das groß genug ist für die Abdeckung des Wellenstücks W6 und der Bestrahlungsprozess wurde durchgeführt für eine feste Zeit. Das Wellenstück W6 wurde dann gedreht um aufeinander folgend andere Oberflächen in die FAB-Bestrahlung zu positionieren. Wenn die Gleichförmigkeit der Vertiefungen wichtig ist, sollte ein gekrümmtes Maskenglied M21 verwendet werden und der Energiestrahl sollte fokussiert werden auf das Wellenstück W6.
Fig. 38 zeigt noch eine andere Anwendung des Herstellungsverfahrens zur Fertigung einer Lagerstruktur. Das Lager 69 weist einen Flansch 68 auf, der einige Schichten aus Dichtungsringen W7 in Axialrichtung auf dem Inneren aufweist zum Formen einer Labyrinthdichtungsstruktur. Die Dicke der Dichtungsringe W7 bei einem Minimalabschnitt, wie es in Fig. 39 gezeigt ist, hat eine Dimension "a", die klein gemacht sein sollte um die Effizienz der Labyrinthdichtungsstruktur zu erhöhen und die Reibung zu erniedrigen.
Fig. 40 zeigt einen Schritt bei der Fertigung einer solchen Lagerstruktur. Ein Loch 70, das einen Freiraum mit minimaler Größe definiert, wird vorgefertigt auf einem Dichtringstück W7 und die Dicke des Freiraumabschnitts wird durch Bestrahlen mit einem Energiestrahl B durch ein Maskenglied M22 reduziert, das eine kreisförmige Öffnung 71 hat mit einer Größe leicht größer als der Durchmesser des Loches 70, wie in Fig. 40 gezeigt. Die Herstellung bzw. Bearbeitung mit dem Energiestrahl ist flexibel, weil die Menge des entfernten Materials von der Strahlstärke bestimmt wird, und durch Einstellen der Strahlstärke und Variation der Expositionszeit gegenüber der Strahlung die Materialentfernungsrate ziemlich präzise gesteuert werden kann. Das Ergebnis ist ein Hochleistungslager für die Reduktion der Reibung, und zwar mit einer feinen Labyrinthstruktur.
Fig. 41 zeigt ein Beispiel der Verwendung eines fokussierten Energiestrahls zum Reduzieren der Größe des Musters des Maskenglieds M23, das auf der Oberfläche des Werkstücks W1 reproduziert werden soll. Das Maskenglied M23, das in Fig. 43 gezeigt ist, ist durch Elektroformung eines Ni-Blatts gefertigt. Die Dimension des kleinsten Abschnitts 72 des Maskenglieds M23 ist 10 um. Der Energiestrahl, der bei der Herstellung benutzt wird, ist ein fokussierter FAB mit seinem Fokus auf einem Punkt O, was eine Größenreduktion von 1/1000 erreicht. Wenn die Breite des Abschnitts 72 10 um ist und der Fokussierwinkel 1 Grad am Fokalpunkt ist, dann wird die Breite auf 10 nm bei einem Abstand von ungefähr L = 286 um vom Fokalpunkt reduziert, wie in Fig. 41 dargestellt ist. Das Ergebnis ist eine Herstellung eines Maskenglieds M23 mit einem feinstrukturierten Vorsprung 73, der ein 1/1000-stel des Abschnittes 72 auf dem Maskenglied M23 ist.
Fokussierte Strahlen B haben für gewöhnlich einige Aberrationen, so dass der Trennabstand zwischen dem Werkstück W und dem Maskenglied M eingestellt werden sollte bis die gewünschte Dimension des Musters auf dem Werkstück W erhalten ist. Wenn die Aberration des fokussierten Strahls zu hoch ist, kann die Aberration zu einem Vorteil gewandelt werden, um eine Variation der Strahlintensität zu gestatten für das Erzeugen von gewünschten Feinstrukturen. In diesem Fall ist auch die Einstellung des Trennabstandes ein wichtiger Parameter.
Fig. 44 zeigt eine Anwendung des Ni-Maskenglied M23. Der fokussierte Strahl B weist in diesem Fall einen radikalen Atom-/Molekularteilchenstrahl auf, beispielsweise methanhaltige Gase oder wolframhaltige Gase, wie WF6. Ein abgeschiedener Film 74 in der Größenordnung von 10 nm Dicke wird auf einer oder mehreren Oberflächen des Werkstücks W 1 gebildet.
Fig. 45 stellt ein Beispiel der Verwendung eines stangenförmigen Maskenglieds M24 dar. Das Maskenglied M24 wird einstückig auf einem Basisteil montiert, wie vorher in Fig. 12C gezeigt, um die Handhabung der feinen Stange zu ermöglichen. Durch Einstellen des Trennabstandes wie im Fall, der in Fig. 41 gezeigt ist, ist es möglich, einen feinstrukturierten Linienvorsprung 75 zu bilden, der eine größenreduzierte Reproduktion des Stangenmaskenglieds M24 ist.
Fig. 46A und 46B sind zwei Beispiel von Feinstrukturen gefertigt unter Verwendung von einigen Stangenmaskengliedern M. Im in Fig. 46A gezeigten Fall werden horizontal angeordnete Stangenmaskenglieder M24 in Verbindung mit einem FAB B zum Erzeugen einer Vielzahl von parallelen Linienvorsprüngen 75 genutzt. Im in der Fig. 46B gezeigten Fall werden maschenförmige Stangenmaskenglieder M25 zum Erzeugen von gekreuzten Linienvorsprüngen 76 genutzt.
Fig. 47 präsentiert eine Anwendung eines maschenförmigen Stangenmaskenglieds M25 gefertigt aus Ni in Verbindung mit der Technik der reduzierten Projektionsabbildung zum Formen von gekreuzten Vorsprüngen 76 auf unterschiedlichen Seiten eines Werkstücks W3. Dies ist ein Beispiel einer dreidimensionalen Mikroherstellungstechnik, die schwierig durchzuführen war bei Verwendung von herkömmlichen Herstellungstechniken. Die durch die reduzierte Projektionsabbildung gefertigten Produkte mit solchen Feinstrukturen in einem dreidimensionalen Werkstück sind nützlich in vielen Gebieten neuer Technologien, wie beispielsweise fortgeschrittene Elektroniken, Informationskommunikation, Quanteneffektbauteilen sowie in spezialisierten Gebieten wie die Reduktion der Reibung in schwierigen Umgebungen.
Die nächsten Beispiele stellen einige der Produkte dar, die durch Bewegen von zumindest einer der Komponenten des Herstellungssystems gefertigt werden können, was eine Energiestrahlquelle, ein Maskenglied und ein Werkstück aufweist. Die Steuerung über die Materialentfernung wird erreicht durch Einstellen der Dauer der Bestrahlung mit dem Strahl.
Die Technik nutzt die Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 7-11 gezeigt sind. Die Mikrobühne 14 des Mikromanipulators 9 wird verwendet für das Bewegen entweder des Maskenglied M oder des Werkstücks W in die x-Richtung während die FAB-Quelle 5 einen FAB B einstrahlt. Die Dauer der Exposition gegenüber dem Strahl B in den verschiedenen Bereichen des Werkstücks W wird bestimmt durch die Spur und die Geschwindigkeit der Bewegung des Maskenglieds M. Die bestrahlten Bereiche werden proportional zur Dauer der Expositionsdauer gegenüber dem Strahl geätzt und die Maskenbereiche bleiben als Vorsprünge in der Proportion, die bestimmt ist durch die erhaltene Maskierungsdauer.
Fig. 48 stellt ein Beispiel der Formung einer Nut mit einer Breitendimension w und einer Krümmung dar, deren Querschnittsform durch eine Funktion y = f(x) gegeben ist. Der Prozess wird durchgeführt unter Verwendung eines kolliminierten Energiestrahls B, eines stationären Schlitzmaskenglieds M30 mit einem Schlitz 81 der Breite w und einem bewegbaren Maskenglied M31 mit einer Kante 82, die parallel mit dem Schlitz ausgerichtet ist. Das bewegbare Maskenglied M31 wird unter rechten Winkeln zur Kante (x-Richtung) bewegt, während das Werkstück mit dem Energiestrahl B bestrahlt wird, so dass sukzessive Teile des Energiestrahls B abgeblockt werden.
Die Menge des entfernten Materials ist proportional zur Dauer der Exposition, wobei sie demgemäß ausgedrückt werden kann als y = at. Das heißt, dass bei der Zeit "at" die Kante der bewegbaren Maske M31 bei f(x) positioniert sein sollte. Beginnend bei at = f(x) wird das Material vom Werkstück W entfernt durch Bewegen der bewegbaren Maske M32, so dass sie einer inversen Funktion von f(x) folgt, d. h. x = fi(at) zum Bilden der Krümmung. Wenn eine Entfernung eines einzigen Durchgangs eine rauhe Oberfläche erzeugt, kann der Prozess in inkrementalen Schritten wiederholt werden. In diesem Fall kann das bewegbare Maskenglied M31 hin und her bewegt werden, so dass es der Kurve x = fi(at)/n zu allen Zeiten folgt, wobei n die Anzahl der Hin-und- Herbewegungen ist.
Fig. 49 zeigt einen Fall einer linearen Querschnittsform, bei welcher die Steigung ausgedrückt werde kann durch f(x) = bx, wobei x = a/b. Durch unidirektionales Bewegen oder Hin-und-Herbewegen des bewegbaren Maskenglieds M31 mit konstanter Geschwindigkeit wird eine Nut 84 mit einer geneigten Oberfläche 83 gefertigt. Der Prozess kann durch Umkehr der Kante 82 des bewegbaren Maskenglieds 31 wiederholt werden, wobei eine V-förmige Nut wie in Fig. 50 gezeigt erzeugt werden kann, oder es kann auch ein invertierter V-förmiger Vorsprung 85, wie in Fig. 51 gezeigt, erzeugt werden. Zur Beschleunigung der Fertigungsgeschwindigkeit für V-Nuten können zwei Maskenglieder M31 an beiden Seiten der Nut verwendet werden, wie in Fig. 52 gezeigt, und zwar für eine synchrone Bewegung oder eine Hin-und- Herbewegung.
Fig. 53 zeigt die Verwendung einer Anzahl, beispielsweise drei oder mehr, bewegbarer Maskenglieder M32 anstelle eines einzigen bewegbaren Maskenglieds M31, das im zuvor genannten Fall verwendet wurde. Die Darstellung zeigt das bewegbare Maskenglied M31 in einer Bewegung unter rechten Winkeln, jedoch kann irgend eine Bewegungsrichtung genutzt werden.
Ein einfacheres Herstellungsverfahren für V-Nuten ist in Fig. 54 dargestellt. In diesem Fall ist die Schlitzbreite des bewegbaren Maskenglieds M32 die Hälfte der Breite der Nut 85 und das bewegbare Maskenglied M32 wird seitlich über einen Abstand hin und her bewegt, der gleich ist zur Schlitzbreite. Das stationäre Maskenglied ist in diesem Fall nicht nötig und die Vorrichtung und der Prozess werden stark vereinfacht im Vergleich zu dem in Fig. 49 dargestellten Verfahren. Am Umkehrpunkt des bewegbaren Maskenglieds M32 liegt eine Geschwindigkeitsänderung vor, jedoch wird die Nutform nicht signifikant durch die Geschwindigkeitsänderung beeinflusst, da die Geschwindigkeit für gewöhnlich langsam ist.
Zum Erzeugen einer sich schneidenden Struktur entsprechend jener, die in Fig. 53 gezeigt ist, und zwar unter der Verwendung der zuvor genannten Technik, werden beide, das Maskenglied M33 und das Werkstück W, in zwei Richtungen bewegt. Die Nuten schneiden sich zum Erzeugen einer Vertiefung, wie sie in Fig. 55 dargestellt ist. Die gleiche Struktur kann durch Bewegen von einem oder beiden, dem bewegbaren Maskenglied M33 oder dem Werkstück W, entlang einer rechteckigen Form erzeugt werden, die gegeben ist durch die Summe von jedem Bewegungsvektor dieser Gegenstände.
Zum Erzeugen einer Nut 87 oder einer Vertiefung 88 mit einer flachen Oberfläche am Boden oder oben sollte die Schlitzbreite w' des bewegbaren Maskenglieds M34 größer sein als der Bewegungsabstand w. Das gezeigte Beispiel hat eine geneigte Oberfläche, jedoch ist klar, dass durch Regeln der Geschwindigkeit der Maskenbewegung eine gekrümmte Oberfläche 90 auf einer Nut 91 auch leicht erzeugt werden kann, wie in Fig. 57 gezeigt.
Für das Erzeugen einer scharf zugespitzten Linienvorsprungstruktur, ist diese erreichbar aus der in Fig. 51 gezeigten Linienvorsprungstruktur 86, wobei diese weiter verarbeitet wird zum Abflachen der Oberflächen an den Seiten, jedoch kann eine solche Struktur auch durch Hin-und-Herbewegen eines polygonalen Drahtmaskenglieds M35 über einen Abstand der erforderlichen Breite erzeugt werden. Dieser in Fig. 58 gezeigte Einschrittprozess ist einfacher für das Erzeugen einer zugespitzten Struktur 92. Durch Ändern der Bewegungsgeschwindigkeit eines in Fig. 59 gezeigten kreisförmigen Maskenglieds M36 ist es möglich, einen Vorsprung 94 mit einer gekrümmten Oberfläche 93 zu erzeugen.
Fig. 60A zeigt ein Beispiel der Verwendung eines Maskenglieds M37 mit einer speziell gemusterten Form, nämlich einem dreistufigen Muster. Das Maskenglied M37 mit dieser Art von Muster kann durch den Elektroformprozess erzeugt werden. Ein Fotoresistmuster wird auf einer flachen Glasplatte gebildet und eine Nickelfilm wird dann darauf elektrogeformt. Nachfolgend wird die Resistschicht aufgelöst und der Nickelfilm wird entfernt.
Der schließliche Ni-Film misst 1-10 nm in der Dicke und die minimale Dimension des Maskenglieds M37 in diesem Fall ist 1-5 um. Das Filmmaterial kann Si, GaAs und andere Halbleitermaterialien sein, die zu dünnen Filmen gefertigt werden können. Die Fotoresistmuster und die Maskierung kann durch Elektronenstrahlziehen gefertigt werden, welches präzise zu steuern ist zum Erzeugen jeglicher Art von Muster.
Das Maskenglied M37 wird mit jeweils drei unterschiedlichen Breiten (95a, 95b und 95c) versehen, und zwar mit 1 um; 10 um; und 20 um. Wie in Fig. 60B gezeigt, wenn das Maskenglied M37 über einen Abstand gleich zur Breite 95b (10 um) bewegt wird, während es mit einem Energiestrahl B bestrahlt wird, ist es möglich simultan eine Feinstruktur mit drei unterschiedlichen Höhen an den Stellen auf der Oberfläche des Werkstücks W zu erzeugen, die 95a, 95b und 95c entsprechen, und zwar wegen der Variation in der Energiedichteverteilung über die Oberfläche des Werkstücks W.
Der zuvor genannte Fall ist ein Beispiel einer dreidimensionalen Feinstruktur, die erzeugt werden kann durch Bewegen des Maskenglieds M relativ zum Werkstück W oder umgekehrt. Das Verfahren ist effizient, einfach und relativ schnell. Die Produkte, die durch ein solches Verfahren erzeugt werden, können für fortgeschrittene Anwendungen für elektrische und optische Mikroschaltungen genutzt werden.
Die Beispiele, die in Fig. 61 gezeigt sind, beziehen sich weiter auf die Fertigung mit zwei Richtungen der Relativbewegung zwischen dem Werkstück W und dem Maskenglied M. Typische Richtungen sind orthogonal und die erste Richtung ist für die Fertigung einer Struktur in die Richtung und die zweite Richtung der Bewegung ist für die Fertigung der Struktur über ein weiteres Gebiet. Die grundlegende Bewegung ist eine Bewegung in die zweite Richtung an einer bestimmten Stelle im ersten Weg, und dieser Schritt wird an unterschiedlichen Stellen auf dem zweiten Weg wiederholt.
Fig. 61A zeigt ein Verfahren für das Erzeugen einer scharfen Spitzte auf einem zylindrischen Werkstück W. Das Werkstück W wird derart plaziert, dass seine Achse unter rechten Winkeln zum Strahl liegt, und das Werkstück W wird um die Achse gedreht während ein Plattenmaskenglied M48, das zwischen dem Strahl und dem Werkstück W plaziert ist, axial bewegt wird. Wenn das Werkstück W wiederholt mit einer Drehgeschwindigkeit gedreht wird, die relativ zur seitlichen Bewegungsgeschwindigkeit des Maskenglieds M48 höher ist, kann eine angenähert kegelförmige Oberfläche 97 hergestellt werden, wie in Fig. 61B gezeigt.
Fig. 62 bis 63 zeigen eine Verfahren zum Fertigen einer Nut um den Umfang eines scheibenförmigen Werkstücks W8 unter Verwendung des in Fig. 54 dargestellten Verfahrens. Ein scheibenförmiges Werkstück W8 wird frei drehbar auf seiner Achse getragen und ein Maskenglied M38 mit einer kreisförmigen Öffnung 99 wird radial hin und her bewegt über einen Abstand ungefähr gleich zur Größe der Öffnung 99. Durch Einstellen des sich hin und her bewegenden Geschwindigkeitsmusters sowie der Form der Öffnung 99 können unterschiedliche Nuten erzeugt werden, wie beispielsweise eine gekrümmte Oberflächennut 98 (siehe Fig. 62) oder eine v-Nut 100 (siehe Fig. 63). Durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit kann die Tiefe der Nut 98, 100 geändert werden (siehe Fig. 63, 64).
Fig. 65 bezieht sich weiter auf ein Herstellungsverfahren basierend auf dem Vorsehen von mehreren komplexen Relativbewegungen zwischen dem Maskenglied M und dem Werkstück W. Das in Fig. 65 gezeigte Beispiel nutzt die in Fig. 55 dargestellte Technik. Eine Kugel, die an einem Ende eines zylindrischen Werkstücks W2 ausgebildet ist, wird mit einer Vielzahl von kleinen Vorsprungteilen 101 versehen. Zum Fertigen der Vertiefungsbereiche in solch einer Feinstruktur wird ein Maskenglied M39 mit einer kreisförmigen Öffnung 102 hin und her bewegt in die Axialrichtung, während das Werkstück W2 gedreht wird und um die Achse mit einer Schwingamplitude geschwungen wird, die ungefähr gleich ist zum Abstand der Hin-und-Herbewegung. Dieser Basisschritt wird mehrere Male wiederholt zum Erzeugen einer Vielzahl von Vorsprungteilen 101.
Das in Fig. 66 dargestellte Verfahren bezieht sich auf die Bildung eines feinen Vorsprungs 104 mit einer geneigten bzw. schrägen Seitenoberfläche und oben mit einer flachen Oberfläche, wie in Fig. 67 gezeigt, und zwar durch Drehen eines Rahmenmaskenglieds M40 mit einem feinen Draht 102, der innerhalb des Rahmens 103 um eine Achse unter rechtem Winkel zur Rahmenebene angeordnet ist. Wenn ein Rahmenmaskenglied M mit einem Schlitz versehen ist, wird eine Vertiefung geformt, wie bezüglich Fig. 55 zuvor erklärt wurde.
Fig. 68 bis 73 stellen Beispiel der Fertigung von verschiedenen Feinstrukturen durch Ändern des Einfallswinkels des Energiestrahls kombiniert mit einer Relativbewegung des Maskenglieds dar.
Fig. 68 zeigt eine Drehung eines Substratwerkstücks W1, das unter einem Winkel θ zur Vertikalen orientiert ist, und zwar unter der Verwendung der in Fig. 66 gezeigten Vorrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen sphärischen oder ovalen, linsenförmigen feinen Vorsprungs 105 oder einer Vertiefung.
Fig. 69A und 69B zeigen zwei Verfahren für die Fertigung eines Hohlraums von unterschiedlichen Querschnittsformen. Ein Maskenglied M41 mit einer kreisförmigen Öffnung 106 wird zwischen dem Werkstück W und einem Energiestrahl B plaziert, dessen Quelle zum Oszillieren gebracht wird, wie in Fig. 69A gezeigt. Der einfallende Strahlwinkel wird durch diese Anordnung geändert zum Erzeugen eines Hohlraums 108 mit einem breiteren Boden und geneigten Seitenwänden 107, wie in Fig. 69A gezeigt. Durch geeignetes Einstellen der Geschwindigkeiten von verschiedenen Bewegungen kann die Bodenoberfläche als flache Oberfläche 109 gefertigt werden, wie in Fig. 69A gezeigt, oder als eine konkave Oberfläche 110, wie in Fig. 69B gezeigt. Fig. 70 zeigt ein Beispiel der Verwendung eines Schlitzmaskenglieds M42 mit einem Schlitz 111. Diese Anordnung erzeugt eine Schwalbenschwanznut 113 mit geneigten Seitenwänden 112. Diese Art eines Produkts ist nützlich für die Fertigung einer feinen Schienen-Gleiter-Komponente.
Fig. 71A und 71B zeigen ein Verfahren, bei welchem der Strahl B dazu gebracht wird, eine schwenkende Bewegung um die Vertikalachse einer in einem Maskenglied M43 vorgesehenen kreisförmigen Öffnung 114 auszuführen. Das durch diese Anordnung erzeugte Produkt ist eine ringförmige Nut 115 mit sowohl inneren als auch äußeren Seitenwänden, die unter gleichem Winkel geneigt sind, wie in Fig. 71B dargestellt.
Fig. 72 zeigt ein Verfahren unter Verwendung eines Maskengliedes M44 mit einer quadratischen Öffnung 116 zum Erzeugen einer Kreuznut 117 mit einem flachen Boden auf einem Werkstück W, indem der Strahl zu einer Schwenkbewegung innerhalb zweier Vertikalebenen gebracht wird, die einander orthogonal schneiden.
Fig. 73 zeigt ein Verfahren unter Verwendung eines Maskenglieds M45 mit einer Vielzahl von feinen Öffnungen, wobei der Strahl dazu gebracht wird, in verschiedenen Richtungen zu schwenken, oder zu einer Schwenkbewegung gebracht wird. Das Produkt ist ein dreidimensionaler geneigter Durchlass 118 durch das Werkstück W.
Die grundlegenden Merkmale des soweit präsentierten Verfahrens zusammenfassend, ist ersichtlich, dass eine Relativbewegung eines Werkstücks W bezüglich eines Maskenglieds M eine signifikante Steigerung der Freiheitsgrade beim Konstruieren und Erzeugen von komplexen dreidimensionalen Feinstrukturen ermöglicht, welche im Rahmen der herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich waren. Komplexe Krümmungen und andere feine Merkmale können leicht wie zuvor demonstriert erzeugt werden. Allgemein ist es das Prinzip, ein Maskenmuster entsprechend dem Muster zu konstruieren, das auf einem Werkstück erforderlich ist, und die Herstellung bzw. Fertigung durch Variation der Relativgeschwindigkeit und -orientierung durchzuführen. Wie zuvor demonstriert, wenn ein Maskenglied nur ein begrenztes Muster erzeugt, kann eine Kombination von unterschiedlichen Maskengliedern zum wiederholten Durchführen der Fertigung verwendet werden. Es wurde gezeigt, dass verschiedene Verfahren der Herstellung zum Erzeugen von komplexen Feinstrukturen kombiniert werden können, die mit einem Verfahren nicht möglich sind. Zusätzliche Flexibilität wird durch die Änderung der Richtung des einfallenden Strahls geboten.
Die meisten der soweit präsentierten Beispiele basierten auf einer Prämisse, dass der Energiestrahl ein Parallelstrahl ist. Fig. 74 bis 76 zeigen Beispiele der Herstellung unter Verwendung eines fokussierten Strahls B. Fig. 74 zeigt ein Fertigungsverfahren eines oberflächlichen Vorsprungs 119 mit einer glatt gekrümmten Oberfläche durch Bewegen eines feinen Drahtmaskenglieds M46 entlang des Strahls, d. h. vertikal in die z-Achsenrichtung. Normale Energiestrahlen behalten nicht eine vollständige Parallelität bei und zeigen ein gewisses Ausmaß an Winkelstreuung. In diesem Verfahren wird dies zum Vorteil genutzt, weil der Energiestrahl ungleichmäßig verteilt wird, wenn der Trennabstand zwischen dem Maskenglied M46 und dem Werkstück W erhöht wird.
Fig. 75 und 76 beziehen sich auf ein Verfahren der Verwendung eines absichtlich fokussierten Energiestrahls, der ziemlich nützlich ist, wenn das Maskenglied M oder das Muster auf dem Maskenglied M zu groß ist, um die Anforderungen an die feine Größe der auf dem Werkstück W zu erzeugenden Feinstruktur zu erfüllen. In solchen Fällen wird ein fokussierter Strahl zum Erzeugen einer reduzierten Projektionsabbildung, wie zuvor diskutiert, genutzt. Diese Technik gestattet die Variation des Reduktionsverhältnisses der Größe des Bildes, das auf das Werkstück W projeziert wird, und zwar durch Einstellen des Trennabstandes zwischen dem Maskenglied M und der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks W.
Fig. 75 zeigt ein Verfahren der Verwendung eines fokussierten Strahls B in Verbindung mit der Variation des Trennabstandes zwischen dem Maskenglied M und dem Werkstück W. In diesem Fall ist das Maskenglied ein Feindrahtmaskenglied M49, das entlang einer x-Achse bewegt wird und beispielsweise an zwei Stellen angehalten wird, um so den Grad der durch die Bearbeitungsoberfläche aufgenommenen Exposition zu steuern. Das durch die reduzierte Projektionsabbildungstechnik gebildete Produkt ist eine Linienvorsprungstruktur 120 mit einer flachen Oberseite bzw. oberen Oberfläche und glatten Seitenoberflächen. Wenn der vertikale Trennabstand (z-Achse) während des Bestrahlungsschrittes variiert wird, kann das Reduktionsverhältnis variiert werden, so dass die an zwei Stellen erzeugten Feinstrukturen von gleicher Größe oder unterschiedlichen Größen erzeugt werden können.
Fig. 76 zeigt ein Verfahren, bei welchem das Maskenglied M48 ein sphärisches Mittelstück 121 hat, von welchem sich vier Nadeln 122 nach außen erstrecken. Das Maskenglied M48 wird um die Achse des sphärischen Mittelstücks 121 gedreht, die mit der optischen Achse des Energiestrahls zusammenfällt. Das durch die reduzierte Projektionsabbildungstechnik in diesem Fall erzeugte Produkt ist eine vorspringende bzw. vorragende Feinstruktur 122. Weil sich die Nadeln 122 drehen, wird die Herstellungsoberfläche gleichförmig gegenüber dem Energiestrahl exponiert und ultimativ erzeugt nur das sphärische Mittelstück die Wirkung der reduzierten Projektionsabbildung. Ein reduziertes Abbild der Nadeln kann durch periodisches Anhalten der Umdrehungen während der Bestrahlung mit dem Energiestrahl erzeugt werden.
Durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erzeugte glatte Oberflächen ermöglichen die Anwendung des Verfahrens für die Fertigung von feinen optischen Linsen. Ein in Fig. 77 gezeigtes Beispiel bezieht sich auf eine optische Linsenstruktur 123 von einer Größe, die kompatibel ist mit der Wellenlänge in der Größenordnung von weißem Licht. Wenn das einfallende Licht die Linsenstruktur 123 trifft, werden jene Wellenlängenkomponenten im einfallenden Licht, die größer sind als die Linsenstruktur 123, gestreut. Beispielsweise wenn der Durchmesser der Linsenstruktur 123 500 nm ist, werden längere Wellenlängenkomponenten, meistens rote Komponenten, gestreut und die kürzeren Wellenlängenkomponenten, meistens blau, werden durch die Linsenstruktur 123 fokussiert, wie in Fig. 77 gezeigt. Das Produkt kann demgemäß die Funktion eines Wellenlängenselektors, eines optischen Filters oder eines Laserbeugungselements erfüllen.
Fig. 78 stellt ein Verfahren für die Fertigung einer optischen Linsenstruktur 124 mit nadelförmigen Vorsprüngen 125 für die Erzeugen eines Quanteneffekts dar. Die Linsenstruktur 124 wird so aufgebaut, dass die Wellenlänge des einfallenden Lichts L sich in Resonanz befindet mit der Wellenlänge des Lichts, das durch den Quanteneffekt an der Spitze der nadelförmigen Vorsprünge 125 erzeugt wird. Wenn das einfallende Licht L die Oberfläche der nadelförmigen Vorsprünge 125 der optischen Linsenstruktur 124 erreicht, wird eine induzierte Emission erzeugt, wodurch die Verstärkung des fokussierten Lichts bewirkt wird.
Fig. 79 zeigt ein Beispiel eines anderen optischen Produkts, das durch das Herstellungsverfahren gefertigt wurde. Die optische Struktur wirkt als ein optischer Homogenisierer 129, der ein Vielzahl von feinen Linsenstrukturen 127 aufweist, die auf einer flachen Platte 126 gefertigt sind, um den einfallenden Laserstrahl gleichförmig zu verteilen und die verteilten Strahlen wieder durch eine Linse 128 zu sammeln. Das Herstellungsverfahren gestattet das Formen von viel mehr feinen Linsenstrukturen 127, als die mögliche Anzahl bei herkömmlichen Verfahren, wobei die Gleichförmigkeit des ausgegebenen Laserstrahls signifikant erhöht wird.
Das Folgende ist ein Verfahren zum Kopieren einer großen Zahl von Mustern. Fig. 80 zeigt eine typische Anordnung von solch einer Vorrichtung, die ein piezoelektrisches Element zur Steuerung der Parallelbewegung des Maskenglieds M in Bezug auf das Werkstück W und von elastischen Angeln mit Parallelplatten nutzt für die Richtungsführung der Maskengliedbewegung.
Die Vorrichtung hat eine Vakuumkammer (nicht gezeigt), die eine Energiestrahlquelle 212, eine Probenbühne 226 für das Plazieren eines Maskenglieds M und eines Werkstücks W und Goniometerbühnen 227, 228 für das Plazieren der Probenbühne 226 aufweist. Die Strahlquelle 212 repräsentiert irgend einen Energiestrahl 214, wie beispielsweise einen schnellen Atomstrahl (FAB), einen Ionenstrahl, Elektronenstrahl, Laserstrahl, Strahlungsstrahlen, Röntgenstrahl oder einen Strahl aus Radikalteilchen. Das Maskenglied M hat eine Öffnung, die dem Strahl gestattet, auf das Werkstück W einzustrahlen. Das Werkstück W wird der Bearbeitung durch Ätzen oder chemische Dampfabscheidung durch die Wirkung der Bestrahlung mit dem Strahl unterzogen.
Das Maskenglied M wird durch die piezoelektrischen Elemente 223, 224 gesteuert. Ein piezoelektrisches Element steuert die Bewegung nur in eine Richtung und dies wird durch die Nutzung einer an Parallelplatten angelmäßig aufgehängten Vorrichtung 225 ermöglicht, die die Bewegung des Maskenglieds M in die Richtung der Ausdehn-/Kontraktionsbewegung des piezoelektrischen Elements einschränkt. Die Bewegung des piezoelektrischen Elements wird auf einen Maskenhalter übertragen, der das Maskenglied M hält. Die zwei mit Parallelplatten aufgehängten Vorrichtungen 223, 224 sind orthogonal in einer Horizontalebene angeordnet zum Vorsehen der horizontalen Parallelbewegung des Maskenglieds M.
Wenn die aufgehängten Vorrichtungen 223, 224 mittels eines zeitlichen Bewegungsmusters mit einer sinusförmigen oder konsinusförmigen Welle angetrieben werden, das dem piezoelektrischen Element überlagert ist, wird die Bewegung des Maskenglieds in einer kreisförmigen Form mit einem Radius von beispielsweise ungefähr 10 nm ermöglicht, wodurch die Herstellung mit einer Präzision in der Größenordnung von nm gestattet wird, die für die Fertigung von Quanteneffektbauteilen erforderlich ist.
Die Bewegungsführung für das Maskenglied M kann auch durch die Verwendung von Magnetostriktions- oder Thermospannungsvorrichtungen vorgesehen werden. Sie kann auch durch das Vorsehen eines elastischen Ausleger vorgesehen werden, der an der unidirektionalen Angelvorrichtung angebracht ist, oder durch eine Gleitführung mit einem vorgespannten Glied. Solche Mikromanipulatorvorrichtungen können auch für die Bewegung der Strahlungsquelle genutzt werden während das Maskenglied stationär ist.
Die Probenbühne 226 ist auf Goniometerbühnen 227, 228 montiert, die durch einen Motor 230 angetrieben werden für eine Drehung der Probenbühne 226 um die α-Achse und die β-Achse, so dass das Maskenglied M und das Werkstück W geeignet bezüglich der Strahlachse orientiert werden können.
Die Ausrichtung des Maskenglieds M und des Werkstücks W wird durchgeführt unter der Verwendung eines Mikroskops, das irgend eines aus einem optischen, Elektronen-, Rastersekundärelektronen- oder Lasermikroskop sein kann. Eine grobe Ausrichtung kann unter der Verwendung von Bühnenbewegungsvorrichtungen durchgeführt werden, die in Halbleiterherstellungsprozessen verwendet werden.
Die Bewegungsspuren des Mikromanipulators für das Maskenglied M wird durch eine nebengeordnete Simulationsvorrichtung berechnet und das Maskenglied wird in den X-, Y-Richtungen durch den Mikromanipulator gemäß den berechneten Ergebnissen bewegt. Wenn die erforderliche Form der auf dem Werkstück herzustellenden Feinstruktur in eine Unterstützungsvorrichtung eingegeben wird, werden Betriebsparameter, wie die Form der Öffnung auf dem Maskenglied M, die Bewegungsspuren des Maskenglieds M und der nötige Expositionsgrad durch die Unterstützungsvorrichtung aus der Simulation basierend auf den Betriebsparametern bestimmt.
Ein Ätzen wird durchgeführt durch Auswahl eines Ätzmittels, das geeignet ist in Hinblick auf das zu verarbeitende Material. Beispielsweise wenn das Werkstück W Quarz ist, kann ein FAB aus SiF&sub6; genutzt werden. FABs können leicht dazu gebracht werden, einen hoch linearen Strahl mit großem Durchmesser zu erzeugen wegen der Abwesenheit von elektrischen Ladungen und sie sind besonders geeignet für die Bearbeitung von isolierenden Materialien. Energiestrahlen können ausgewählt werden aus irgend einem von geeigneten Energiestrahlen, wie FAB, Ionenstrahlen, Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Strahlungsstrahlen, Röntgenstrahlen oder Strahlen aus Radikalteilchen. Das Werkstück kann jegliches Metall, Halbleiter oder Isolatoren sein. Halbleitermaterialien umfassen Silizium, SiO&sub2;, und Quanteneffektmaterialien umfassen GaAs, AlGaAs, InGaAs. Strukturmaterialien umfassen Al, Edelstähle und superharte Materialien umfassen Wolfram, Titan, Wolframcarbid, Bornitrid, Siliziumnitrid. Optische Materialien umfassen Plastik, Polyimid, Glas, Quarz, optische Gläser, Rubin, Saphir, Magnesiumflourid, Zinkselenid und Zinktellurid.
Fig. 81 zeigt ein Verfahren für die Fertigung einer Vielzahl von Nadelvorsprungstrukturen in der Größenordnung von nm durch Ätzen eines Werkstücks W aus einer metallischen Platte oder einer Glasplatte. Der Strahl ist ein FAB von hoher Linearität mit einer gleichförmigen Energiedichte, der von einer Strahlquelle 212 emittiert wird. Das Werkstück W ist stationär und es ist koaxial mit der Mitte des Strahls mit kreisförmigen Punkt ausgerichtet. Zwischen der Strahlquelle 212 und dem Werkstück W ist ein Maskenglied M mit einer Vielzahl von Strahlenergietransmissionslöchern 215 angeordnet für die Steuerung der Exposition des Werkstücks W gegenüber dem Strahl. Die Strahlenergietransmissionslöcher 215 werden parallel zum Werkstück W gedreht zum Steuern des Expositionsgrades gegenüber dem Strahl, der von der Bearbeitungsoberfläche empfangen wird.
In diesem Beispiel ist das Maskenglied M aus einer Ni-Folie mit 10 um Dicke gefertigt und die Löcher 215 sind in einem Gittermuster mit einem Abstand von 25 um angeordnet. Das Maskenglied M wird wie in Fig. 81 dargestellt in einer Ebene parallel zu der Bearbeitungsoberfläche gedreht, so dass die Löcher 215 die Strahlenergie auf eine solche Weise verteilen, dass die Nadelvorsprungstrukturen erzeugt werden. Der Radius der parallelen Kreisbewegung ist in diesem Beispiel 6 um.
Der Prozess für die Formung der Nadelvorsprungstrukturen wird detaillierter in der Folge beschrieben.
Fig. 82A zeigt den Relativradius r&sub0; der Löcher 215 in Bezug auf einen größeren Radius r&sub1; der Kreisbewegung des Maskenglied M um eine Mitte C. Die Anordnung bewirkt eine ungleichmäßige Verteilung der Strahlungsenergie pro Zeiteinheit auf der Bearbeitungsoberfläche. Fig. 82B zeigt die Spur der Kreisbewegung der Löcher 215. Wie dargestellt, ist die Exposition am höchsten in der Nähe der Mitte C und sie wird allmählich gesenkt in Richtung auf die äußerer Radialrichtung. Bei der Mitte C liegt keine Exposition des Strahls vor. Da die Tiefe der Bearbeitung in das Werkstück W proportional zum Expositionsgrad ist, nimmt demgemäß das Werkstück W eine Form an, wie sie in Fig. 82C dargestellt ist, welche von einem Transmissionsloch 215 erzeugt wird, so dass eine dünne, nadelförmige Vorsprungstruktur in der Mitte einer Kraterstruktur 216 erzeugt wird. Das Maskenglied M hat eine Vielzahl von Transmissionslöchern 215 und die resultierende Struktur auf dem Werkstück ist eine Vielzahl von Kratern mit einer Nadelvorsprungstruktur im Mittelbereich eines jeden Kraters 216.
Durch Ätzen der Nadelvorsprungstruktur kann die Höhe der Nadel reduziert werden und der umgebende Bereich kann in eine parabolische Spiegeloberfläche gebracht werden. Die Serie von Schritten ist in den Fig. 83A-83C gezeigt. Der in Fig. 83A gezeigte Krater 216 mit einem Nadelvorsprung wird zum Reduzieren der Höhe der Nadel geätzt, wie in Fig. 83B gezeigt, wobei die Endhöhe abhängt von der Dauer des Ätzens. Die Krümmung des Kraters kann dazu gebracht werden, dass sie einer in Fig. 83C gezeigten parabolischen Kurve gleicht und das Ätzen wird durchgeführt um den Kraterspiegel so zu formen, dass der Nadelvorsprung dem Fokuspunkt der parabolischen Kurve entspricht.
Die resultierende Spiegelstruktur, die in Fig. 83D gezeigt ist, hat den Nadelvorsprung am Fokuspunkt des parabolischen Spiegels angeordnet. Wenn eine Lichtquelle hinter dem Spiegel plaziert wird, wirkt der Nadelvorsprung als eine Wellenführung und das Licht wird in alle Richtungen von der Spitze des Nadelvorsprungs gestreut, wobei das gestreute Licht von der parabolischen Spiegeloberfläche reflektiert wird, so dass es als ein paralleler Lichtstrahl gerichtet wird. Die erzeugte Feinstruktur erfüllt die Funktion einer optischen Wellenführung, die die Gerichtetheit von zufällig verteiltem Licht von einer ebenen Lichtquelle umwandelt, beispielsweise von einer elektrolumineszenten (EL) Quelle in einen gerichteten Lichtstrahl.
Ferner wurde im zuvor erwähnten Beispiel der Radius der kreisförmigen Spur der Parallelbewegung des Maskenglieds M konstant gehalten, jedoch kann die Kreisbewegung bei fortlaufender Herstellung bzw. Bearbeitung variiert werden. Eine in Fig. 84 gezeigte Anordnung bezieht sich auf einen solchen Fall. Wenn das Maskenglied M und das Werkstück W koaxial fixiert sind auf der Strahlachse und stationär sind, wird die gebildete Feinstruktur auf dem Werkstück W eine Serie von Löchern mit vertikalen Seitenwänden von gleicher Form sein wie die Löcher 215 im Maskenglied M. Wenn das Maskenglied M und das Werkstück W parallelen Kreisbewegungen mit einem gemeinsamen Radius um eine versetzte Drehachse unterzogen werden, wird die gebildete Feinstruktur auf dem Werkstück W Löcher mit einem Radius sein, der durch die Umhüllungsspur des Außenumfangs der Löcher des Maskenglieds M gegeben ist. Kreisförmige Löcher 215 auf dem Maskenglied M werden kreisförmige Löcher erzeugen mit einem größeren Radius als jener der Löcher 215. Beispielsweise wenn der Durchmesser der Löcher 215 10 um ist, wird das stationäre Maskenglied M Löcher mit 10 um Durchmesser auf dem Werkstück W erzeugen. Wenn das Maskenglied M um 6 um aus der Strahlmitte C versetzt ist und mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht wird, werden Löcher von 22 um Durchmesser auf dem Werkstück W erzeugt. Demgemäß werden durch allmähliches Reduzieren des Drehradius des Maskenglieds M von einem Anfangswert zu kleineren Werten beim Voranschreiten des Ätzens Löcher 216 mit parabolisch gekrümmten Wänden, wie sie in Fig. 85 dargestellt sind, auf dem Werkstück erzeugt.
Fig. 86 zeigt ein Verfahren der Fertigung von konkaven Linsen auf einem Werkstück. Wie in Fig. 87A gezeigt, ist der versetzte Bewegungsradius r&sub1; des Transmissionsloches 215 auf dem Maskenglied M kleiner als der Radius r&sub0; der Transmissionslöcher 215. Die Größe der Versetzung ist relativ klein, so dass die Mitten der Drehungen nah beabstandet sind. Der Drehradius wird allmählich verkleinert mit dem Fortschreiten des Ätzprozesses und die auf dem Werkstück W erzeugten Feinstrukturen sind eine Serie von konkaven Linsen, wie in Fig. 87B dargestellt.
Das so geformte Produkt erfüllt die Funktion einer mehrfach reflektierenden Linsenanordnung. Durch Auswahl des Radius der Transmissionslöcher 215 auf dem Maskenglied M in einer Größenordnung von nm können Reflektorlinsen mit der gleichen Größenordnung ihrer Durchmessergröße gefertigt werden. Das Maskenglied M mit den Transmissionslöchern in der Größenordnung von nm kann gefertigt werden durch den gewöhnlichen planaren Fotolithographieprozess oder durch das fokussierte Ionenstrahlverfahren. Durch die Fertigung der Linsendimension auf kleiner als die Wellenlänge des eingegebenen Lichts werden Streuungseffekte erzeugt und die Linsen können genutzt werden als Wellenlängenauswahlvorrichtungen. In diesem Fall hängt die Wellenlängenselektivität von der Größe der halbkugelförmigen konvexen Linsen ab, so dass eine Anordnung bzw. Reihe von konvexen Linsen mit einem gemeinsamen Durchmesser Licht mit Wellenlängen größer als der Durchmesser der Linsen streuen wird. Beispielsweise transmittiert eine konvexe Mikrolinsenanordnung von Linsen mit 500 nm Durchmesser nur Licht, das Wellenlängen kürzer als blaues Licht aufweist.
Fig. 88 zeigt ein Fertigungsverfahren für eine andere optische Feinstruktur. In diesem Fall wird der Durchmesser der kreisförmigen Drehbewegung des Maskenglieds M viel größer als der Radius der Transmissionslöcher 215 gemacht. Beispielsweise ist der Durchmesser der Transmissionslöcher 215 5 um während der Maximalradius der Kreisbewegung 50 um ist. Das Ergebnis ist eine Ringfeinstruktur, die aus einer Serie von konzentrischen Kreisen besteht. Wenn der Bewegungsradius allmählich und kontinuierlich geändert wird während des Bearbeitungsprozesses kann die Ätztiefe kontinuierlich geändert werden, und zwar abhängig vom Expositionsgrad gegenüber dem Strahl. Bei einem gegebenen Drehradius bleibt die Ätztiefe konstant.
Wie in Fig. 88 gezeigt, wird eine Serie von spärlich häufigen Transmissionslöchern 215 auf dem Maskenglied M vorgesehen. Bei einem gegebenen Bewegungsradius des Maskenglieds M werden eine Serie von Ringen auf dem Werkstück W in der zuvor beschriebenen Weise gefertigt. Durch Änderung der Änderungsrate des Bewegungsradius von bei einem Radius zu einem anderen in dem Prozess der kontinuierlichen Änderung des Bewegungsradius, wie in Fig. 89 gezeigt, kann ein Profil 216, wie es in Fig. 90 gezeigt ist, auf der Bearbeitungsoberfläche erzeugt werden. Die so erzeugte Feinstruktur kann als eine Fresnel-Linse dienen, die als Strahlkonzentrierer wirkt. Durch die Verwendung des Maskenglieds M mit regelmäßig verteilten Transmissionslöchern 215, wie in Fig. 88 gezeigt, ist es möglich, eine Multi- Fresnellinsenanordnungsstruktur auf dem Werkstück W zu fertigen.
Fig. 91 zeigt ein Verfahren für die Fertigung einer Multi- Konvexlinsenanordnungsstruktur. In diesem Fall ist zusätzlich zu dem drehbaren Maskenglied Mb, Mc ein stationäres Maskenglied Ma koaxial auf der Strahlachse fixiert. Die Energiestrahlen, die durch die Transmissionslöcher 215 hindurch gehen, die auf dem sich drehenden Maskenglied Mb, Mc vorgesehen sind, müssen auch durch die Transmissionslöcher 215A hindurch gehen, die auf dem stationären Maskenglied Ma vorgesehen sind. Demgemäß wird durch Drehen des Maskenglieds Mb, Mc, wie im vorangegangenen Fall beschrieben, der Außendurchmesser der hergestellten Linse gleich zum Durchmesser der Transmissionslöcher 215A auf dem stationären Maskenglied Ma. In diesem Fall sind die Kanten der Linse scharf definiert.
Ein Beispiel für eine Multi-Konvexlinsenanordnung gefertigt durch das Verfahren ist in Fig. 93 gezeigt. Der Energiestrahl 212 ist ein Laserstrahl. Die Maskenglieder sind ein stationäres Maskenglied Ma und zwei sich drehende Glieder Mb, Mc gefertigt aus Cr-Dampf abgeschiedenen bzw. beschichteten Quarzplatten. Das stationäre Maskenglied Ma ist mit Transmissionslöchern von 10 um Durchmesser versehen, die in einem Gittermuster mit einem Abstand von 20 um verteilt sind. Das sich drehende Maskenglied Mb, Mc ist mit Cr-beschichteten Maskenflecken von 10 um Durchmesser verteilt in einem Gittermuster von einem Abstand von 20 um versehen, wie in Fig. 92A gezeigt. Das bedeutet, dass die bewegbaren Maskenglieder Mb, Mc dem Laserstrahl eine Transmission nur durch jene Gebiete gestatten, die keine Cr- Maskenflecken haben. Die Drehbewegung des Maskenglieds Mb ist in Fig. 92B dargestellt. Die stationären Löcher 215 A und die Drehmaskenflecken 215B, 215C sind um eine Phasenverschiebung von 180 Grad getrennt während der horizontalen Drehbewegung der bewegbaren Maskenglieder Mb, Mc. Demgemäß wird das durch die Flecken 215B, 215C geformte Maskenmuster einer Drehung unterzogen, wie in einer Zeichnungsserie in Fig. 92B dargestellt, und der exponierte Bereich Y ändert sukzessive seine Position um die Strahlachse. Das gefertigte Produkt ist eine Konvexlinsenanordnung, die in Fig. 93 gezeigt ist.
Fig. 94A-94E zeigen ein Fertigungsverfahren für eine andere optische Anordnungsstruktur. In diesem Fall wird die Form des Maskenglieds während des Fertigungsprozesses geändert.
Die Schritte werden detaillierter in der Folge beschrieben. Wenn der Schritt für das Erzeugen der Konvexlinse abgeschlossen ist, wie in Fig. 94A, dann wird die Form des Maskenglieds M zu einer geändert, wie sie in Fig. 94B gezeigt ist, und zwar mit kreisförmigen Öffnungen mit einem Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Transmissionsloches 221, das für die Bildung der in Fig. 94A gezeigten Linse genutzt wurde. Die Exposition mit dem Maskenglied M erzeugt eine andere Konvexlinse von einem kleineren Durchmesser als zuvor, wie in Fig. 94C gezeigt. Die gleiche Art von Schritten unter Verwendung von einem noch kleineren Durchmesser, wie derjenige, der in Fig. 94D gezeigt ist, kann einige Male wiederholt werden zum Erzeugen einer in Fig. 92E gezeigten Feinstruktur. Das so gefertigte Produkt ist eine Fresnellinsenanordnung mit hervorragenden Lichtkonzentrationscharakteristika.
Fig. 95 zeigt ein Fertigungsverfahren von noch einer anderen optischen Feinstruktur. In diesem Fall sind das stationäre Maskenglied Ma und die Bewegung des Drehmaskenglieds Mb, Mc gleich wie zuvor. Die Energiestrahlquelle 212 erzeugt in diesem Fall einen FAB und die Transmissionslöcher werden mit Goldfolienmaskengliedern M abgedeckt. Das stationäre Maskenglied Ma ist mit Transmissionslöchern 215A versehen. Die Drehmaskenglieder Mb, Mc sind mit einer Anordnung aus Maskenflecken versehen, die aus Eisen gefertigt sind, und zwar in einem in Fig. 96 gezeigten Muster. Die Bewegungsmuster des exponierten Bereichs Y, der durch die bewegbaren Maskenglieder Mb, Mc erzeugt wird, ist gleich, wie jener, der in Fig. 92B dargestellt ist. Das hergestellte Produkt ist eine Anordnung aus Konvexlinsen, wie in Fig. 97 gezeigt. Der flache Teil der Anordnung wird wie folgt erzeugt. Nach dem der exponierte Bereich Y sich durch einen Halbkreis bewegt hat, wird das Maskenglied Mb, Mc um einen Abstand A gleich zur Länge A der Anordnung bewegt, so dass der durch die untere Eisenanordnung gebildete exponierte Bereich Y und das Transmissionsloch 215A auch um einen Halbkreis bewegt werden. Diese Bewegung ist in Fig. 95 durch die Pfeile dargestellt. Die Gesamtbewegung ist eine Kombination der Drehbewegung und der Translationsbewegung während das Werkstück W dem FAB ausgesetzt ist. Das Bewegungsmuster ist komplex, jedoch ist die dimensionale Präzision der hergestellten Struktur hoch.
Fig. 98 zeigt ein Fertigungsverfahren einer anderen Feinstruktur, die nützlich ist für optische Anwendungen, und zwar durch linear paralleles Bewegen des Maskenglieds M.
Das Maskenglied M ist mit einer Vielzahl von Transmissionsschlitzen 215 von einem gegebenen parallelen Abstand versehen. In diesem Fall sind die 10 · 100 nm messenden Schlitze um 10 nm voneinander beabstandet. Der von der Energiestrahlquelle 212 emittierte Energiestrahl geht durch die Schlitze 215 für die Exposition der Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks W hindurch. Das Maskenglied M wird periodisch in einem Schrittabstand von beispielsweise 10 nm bewegt. Die Beziehung des Abstandes der Bewegung x und der Zeit t ist in Fig. 99A gezeigt. Wenn die Exposition gegenüber der Strahlquelle so gesteuert wird, dass eine 10 nm Ätztiefe in einem gegebenen Zeitintervall erzeugt wird, wird ein Produkt mit einem Profil und einem Kammabstand 2a erzeugt, wie in Fig. 99B gezeigt.
Wenn das Material transparent gegenüber dem eingestrahlten Licht ist, erfüllt die Feinstruktur die Funktion eines optischen Sinuswellenbeugungselements. Solch ein Bauteil kann genutzt werden vor einem Ladungskopplungsbauteil-(CCD = charged coupled device)-Schirm einer CCD-Videokamera um als ein Tiefpassfilter für das Filtern von Parasitensignalen zu wirken, die auf Bilder beruhen, die durch Frequenzraumsignale gebildet werden.
Durch die Verwendung von den gleichen sich linear bewegenden Maskengliedern, die durch die in Fig. 100 gezeigte Sinuswellen angetrieben werden, wird eine periodische Feinstruktur mit Nadelspitzen erzeugt, wie in Fig. 101 gezeigt. Der Abstand von 10 nm in der periodischen Feinstruktur, der so erzeugt wird, ist kleiner als die Elektronenwellen, wobei die Elektronen begrenzt werden auf die erste Stufe der periodischen Struktur und sich nicht zu einer anderen Stufe bewegen können. Dieses Phänomen kann genutzt werden zum Erzeugen eines weiteren Quanteneffektbauteils.
Wenn das gleiche Schlitzmaskenglied M in Kombination mit einer Parallelbewegung genutzt wird, die ein in Fig. 102 gezeigtes Antriebsmuster hat, wird eine trapezförmige Feinstruktur mit periodischen flachen Oberseiten erzeugt, wie in Fig. 103 gezeigt. Wenn der Abstand zwischen den flachen Oberseiten in der Größenordnung des einfallenden Lichts ist, wird ein Beugungsgittereffekt erzeugt, so dass Beugungswellen höherer Ordnung eines einfallenden Laserstrahls blockiert werden. Solch ein Bauteil plaziert vor einem Laserstrahlrezeptionsbauteil in einem CD-Spieler kann als ein Filter für Beugungswellen höherer Ordnung wirken.
Fig. 104 bis 106 beziehen sich auf andere Herstellungsbeispiele unter Verwendung von Bewegungsmustern, die parallele Linearbewegungen mit variabler Bewegungsrate kombinieren.
Das Maskenglied M ist mit einem Strahltransmissionshohlraum 215 versehen, wie in Fig. 104 gezeigt. Das Maskenglied M wird in einer Horizontalebene unter rechten Winkeln zur Strahlachse bewegt. Wenn das Maskenglied M mit einer konstanten Geschwindigkeit kontinuierlich während der Exposition bewegt wird, wird eine halbzylindrische Feinstruktur erzeugt, wie in Fig. 105 gezeigt. In einem Fall kann das Maskenglied M in der Zeit auf eine Weise einer periodischen Sinuswelle bewegt werden, d. h. die Lineargeschwindigkeit wird allmählich erhöht, erniedrigt und angehalten, und dann wird diese variable Bewegungsrate in die entgegengesetzte Richtung wiederholt. Unter dieser Art Bewegungsmuster wird der Expositionsgrad hinsichtlich der pro Zeiteinheit durch das Werkstück W empfangenen Strahlenergie in einer räumlichen Sinuswellenverteilung variieren und die erzeugte Feinstruktur ist eine konvexe Stangenlinsenstruktur auf einer rechteckigen Basis, wie in Fig. 106 gezeigt.
Wenn die in Fig. 105 gezeigte Feinstruktur aus einem transparenten Material gefertigt ist, kann sie als eine Multi-Zylinderlinse wirken. Solch ein optisches Bauteil kann einen einfallenden Strahl, der auf eine Rückseite der Struktur auftrifft, als Linien von fokussierten Strahlen transmittieren, womit es als eine linsenförmige Linse wirkt, und es kann genutzt werde um einen sich umdrehenden Spiegel zu ersetzten, der in Fotografie mit schnellen Rahmen bzw. Rapid-Frame-Fotografie benutzt wird.
Die in Fig. 113 gezeigte Feinstruktur ist gefertigt aus der in Fig. 105 gezeigten halbzylindrischen Feinstruktur durch Drehen des Maskenglieds M um 90 Grad um die Strahlachse und durch lineares Bewegen bei einer konstanten Geschwindigkeit parallel zum Werkstück W. Das Produkt ist eine Anordnung von halbkugelförmigen Linsen in der Größenordnung von nm. Ein einfallender Strahl, der auf die Rückseite der Anordnung auftrifft, wird gleichförmig verteilt und wird dann durch die Linsen fokussiert und demgemäß erfüllt die Anordnung die Funktion eines optischen Homogenisierers. Die Strahlintensität, die aus dieser Struktur ausgegeben wird, ist signifikant gleichförmiger im Vergleich zu herkömmlichen optischen Homogenisierern wegen der signifikant höheren Dichte der gefertigten Linsen.
Fig. 107 zeigt ein Verfahren für die Fertigung einer in Fig. 108 gezeigten konkaven Kanalstruktur. In diesem Fall ist das Maskenglied M mit kreisförmigen Transmissionslöchern 215 in einem Karomuster versehen und es wird linear mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Diese Art von Feinstruktur kann auch erzeugt werden, wenn das Maskenglied linear angeordnete kreisförmige Löcher 215 hat, jedoch ist das Karomuster besser geeignet für das Erzeugen von konvexen Linsenkanälen, insbesondere wenn der Trennabstand der Kanäle in der Größenordnung von nm ist, und zwar im Vergleich mit einer Anordnung der kreisförmigen Löcher 215 in einer geraden Linie zum Erzeugen der gleichen Feinstruktur.
Fig. 109 zeigt ein Beispiel, bei welchem die karomäßigen Löcher 215 in einer Gittermatrix angeordnet sind zum Erzeugen einer Anordnung von dicht gepackten konvexen Linsen, wie in Fig. 111 gezeigt. In diesem Fall wird das Maskenglied M mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer quadratischen Spur bewegt, wie in Fig. 110 gezeigt, so dass die Bewegungsebene parallel zum Werkstück ist.
Fig. 112 ist ein anderes Maskenglied M für die Fertigung einer Anordnung von dicht gepackten konvexen Linsen, jedoch sind in diesem Fall die kreisförmigen Bereiche keine Transmissionslöcher sondern Maskierungsbereiche. Zwischen den Maskierungsbereichen sind Transmissionshohlräume 215 mit Rautenform, die dicht über das Maskenglied verteilt sind, wie in Fig. 112 gezeigt. Das Maskenglied M wird in einem quadratischen Muster wie im Fall zuvor bewegt zum Erzeugen der in Fig. 113 gezeigten mikro-konvexen, halbkugelförmigen Linsenanordnung. Wenn der Abstand der konvexen Linsen auf die Größenordnung der Lichtwellenlänge gebracht wird, kann die Anordnung als optischer Homogenisierer wirken zum Umwandeln eines einfallenden Laserstrahls mit Gauss'scher Intensitätsverteilung zu einem ausgegebenen Laserstrahl mit einer gleichförmigen Intensitätsverteilung.
Fig. 114 zeigt eine Anordnung von einer Energiestrahlquelle 212, einem Maskenglied M, das fixiert und mit etwas Abstand parallel von einem auf einer Probenbühne montierten Werkstück W beabstandet ist. Das Maskenglied M und das Werkstück W können zu einer Schwingbewegung mittels von Goniometerbühnen 227, 228 in Bezug auf die fixierte Strahlquelle 212 gebracht werden. Die durch diese Anordnung erzeugte Feinstruktur ist in Fig. 115 gezeigt und ist eine Anordnung bzw. Reihe von Mikrokonkavlinsen. Die Schwingbewegung ist zu Beginn um eine α-Achse und die Schwingachse wird allmählich um die Strahlachse gedreht während der Herstellungsprozess fortgesetzt wird. Solche Bewegungen der Goniometerbühnen werden leicht durch eine Computersteuerung der Goniometerantriebe vorgesehen.
Fig. 116 zeigt eine andere Anordnung der Basiskomponenten des Herstellungsprozesses. Die Goniometerbühnen 227, 228 sollen mit einem synchronen Zyklus um die α- und β-Achse schwingen und das Zeitbewegungsmuster sind Sinus- bzw. Kosinuswellen. Die Oberfläche der Probenbühne ist unter einem Winkel geneigt und dreht sich um die Strahlachse. Das Maskenglied M wird um die Mitte des Maskenglieds gedreht, wie in Fig. 112 gezeigt, und es wird in die Richtung des in Fig. 116 gezeigten Pfeils bewegt, wobei das Ergebnis eine Feinstruktur mit sich schneidenden Vorsprüngen ist, die durch die in Fig. 117 gezeigten Hohlräume erzeugt werden. Die Hohlräume können mit Elektroden gefüllt werden zum Erzeugen einer Multi- Feldemitteranordnung.
Fig. 118 zeigt noch eine andere Anordnung der Basiskomponenten des Herstellungsprozesses. Die Goniometerbühnen sind bezüglich der Strahlachse wie im vorhergehenden Beispiel geneigt und sie werden in die Richtung des weißen Pfeiles gedreht. Gleichzeitig wird das Maskenglied M linear und parallel zum Werkstück W bewegt, wie durch die ausgefüllten Pfeile gezeigt. Die erzeugte Feinstruktur hat Hohlräume 216 mit offenen Enden und mit gekrümmten Seitenwänden, wie in Fig. 115 gezeigt. Das Produkt kann als Lineal bzw. Rute für die Kopplung von optischen Fasern genutzt werden. Die Ruten haben eine hohe Dimensionspräzision und ermöglichen das Einschieben der Fasern wegen ihrer weiten Öffnung.
Die vollständigen Produkte, die bisher präsentiert wurden, wurden gefertigt unter direkter Verwendung des Energiestrahls auf dem Material. Abhängig von der Natur des Werkstückes W können die Fertigungszeit und -kosten übermäßig hoch sein oder die Ausbeute kann gering sein. Es können andere Verarbeitungsprobleme vorliegen, wie beispielsweise ein schwieriges Ätzen der funktionalen Form des Materials, die leichte Fertigung der komplementären Konfiguration wobei die Konfiguration selbst nicht direkt gefertigt werden kann. Eine Herangehensweise durch Anwenden eines Gussprozesses unter Verwendung einer durch die Erfindung gefertigten Gussform zum Duplizieren der Form wird in der Folge präsentiert.
Die Basisschritte (a) bis (e) sind in Fig. 120 dargestellt. In Schritt (a) wird ein Werkstück W durch das Energiestrahlfertigungsverfahren der vorliegenden Erfindung gefertigt. In Schritt (b) wird eine komplementäre Reproduktion 225 des Werkstücks W mittels Spritzgussformung oder Elektroformung gefertigt. In Schritt (c) wird die Reproduktion 225 entfernt. Wenn dies funktioniert wird das Endprodukt erhalten. Wenn ein in Schritt (a) gezeigtes Produkt benötigt wird, werden weitere Reproduktionsarbeitsgänge durchgeführt unter der Verwendung des in Schritt (c) gezeigten Produkts zum Durchführen der Spritzgussformung oder Elektroformung in Schritt (d) zum Erzeugen des Endprodukts 226. Diese Herangehensweise ist nützlich für die Massenproduktion von in Plastik gegossenen Produkten und dergleichen.
Ein Beispiel für die Elektroformung wird als nächstes präsentiert. Zuerst wird das Material wie ein GaAs-Einkristall in einem FAB aus Chlorgasatomen bearbeitet zum Fertigen einer Anordnung aus Mikrokonvexlinsen. Als nächstes wird die Oberfläche der Anordnung mit Gold besputtert zum Fertigen einer elektrisch leitenden Schicht. Die besputterte Anordnung wird in ein Bad aus einer Ni-Co-Lösung getaucht zum Durchführen einer Ni-Elektroformung. Der abgeschiedene Film wird vom Produkt abgeschält zum Erzeugen eines Anordnungssubstrats aus GaAs-Mikrolinsen mit einer Ni-Basis mit einer Goldschicht.
Einige der Merkmale des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung werden in der Folge zusammen gefasst. Das Verfahren ist anwendbar auf ein Werkstück mit einer großen Verschiedenheit zwischen den hohen und tiefen Punkten auf der Bearbeitungsoberfläche. Das Maskenglied kann in solchen Fällen weit weg vom Werkstück plaziert werden, jedoch beeinflusst ein großer Trennabstand die Fertigungsfähigkeit von solchen Energiestrahlen wie ein FAB mit hoher Strahllinearität nicht. Demgemäß kann eine Lagerstruktur mit einer gekrümmten Fertigungs- bzw. Bearbeitungsoberfläche leicht durch Plazieren des Maskenglieds weg vom Werkstück verarbeitet werden zur Fertigung der nötigen feingerillten Strukturen auf der Bearbeitungsoberfläche.
Die gekrümmte Oberfläche mit solch einer Rillen- oder Nutstruktur kann genutzt werden als Reibungsreduktionsmittel für Lagerkomponenten. Die feinen Rillendimensionen in der Größenordnung, wie sie durch das Herstellungsverfahren erhalten werden, ermöglichen die Reduktion des Abstandes zwischen den Rillen, wodurch der Rillenwiederholabstand bzw. die Rillenganghöhe erhöht wird und der Freiraum zwischen dem Lager und der Welle ebenso auf die Größenordnung von nm reduziert werden kann. Solche Feinstrukturen sind nützlich bei optischen Diskköpfen zum Reduzieren der Reibung während eine enge Passung beibehalten wird, wodurch das Erzeugen von Speichervorrichtungen mit hoher Dichte ermöglicht wird. Wenn die Feinrillenstruktur in Wellendichtungen genutzt wird, können Labyrinthdichtungsstrukturen leicht durch das Herstellungsverfahren erzeugt werden zum Reduzieren der Reibungskräfte, während die Leitfähigkeit bzw. Konduktanz reduziert wird. Bei einer Anwendung auf Magnetdichtungsvorrichtungen werden die feinen Nuten und der enge Freiraum ein Lecken von Dampf des Magnetfluidmediums reduzieren.
Bei den präsentierten Beispielen wurden die Energiestrahlen ausgewählt aus schnellen Atomstrahlen, Ionenstrahlen, Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Strahlungsstrahlen, Röntgenstrahlen und Radikalteilchenstrahlen. Jedoch sind die Energiestrahlen nicht auf die zuvor erwähnten beschränkt. Das Werkstück kann ausgewählt werden aus den Materialien, die in der Folge aufgelistet sind, jedoch ist es nicht notwendigerweise darauf beschränkt: Halbleitermaterialien wie Silizium, Siliziumdioxid; Qanteneffektmaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs; Strukturmaterialien wie Aluminium, Edelstähle; harte und widerstandsfähige Materialien wie Wolfram, Titan, Wolframcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Keramiken; optische Materialien wie Plastikmaterialien, Polyimid, Gläser, Quarzglas, optische Gläser, Rubin, Saphir, Magnesiumflourid, Zinkselenid und Zinktellurid und andere.

Claims

1. Mikrofabrikationsverfahren zur Herstellung einer feinen Struktur auf einer Herstellungsoberfläche eines Werkstückes (W), wobei das Verfahren folgendes vorsieht:

Anordnen einer Maske (M) gesondert von und nicht starr anhaftend an dem Werkstück (W), die ein feines Strukturmuster darin aufweist, zwischen der Herstellungsoberfläche des Werkstückes (W) und einer Energiestrahlenquelle (5);

Strahlung eines Energiestrahls (FAB) von der erwähnten Quelle (5) durch das Muster in der Maske (M) und direkt auf die erwähnte Herstellungsoberfläche des Werkstückes (W) und dadurch Erzeugen auf der Herstellungsoberfläche des Werkstückes (W) einer feinen Struktur als eine Funktion des erwähnten Musters; und

gekennzeichnet dadurch, daß während der Bestrahlung mindestens eine Komponente von dem Werkstück (W), der Energiestrahlungsquelle (5) und der Maske (M) eine Bewegung bezüglich der anderen der Komponenten erfährt, und dadurch Steuerung der Belichtungsdauer von Teilen der Herstellungsoberfläche des Werkstückes (W) gegenüber Bestrahlung des erwähnten Energiestrahls (FAB) und somit Regulieren der Herstellung der erwähnten Feinstruktur darauf.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energiestrahl (FAB) einen elektrisch beschleunigten Energiestrahl aufweist bzw. ein solcher ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erwähnte Energiestrahl (FAB) ein schneller Atomstrahl ist bzw. einen solchen aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energiestrahl ein Ionenstrahl ist bzw. einen solchen aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maske (M) flexibel ist und den Konturen der erwähnten Herstellungsoberfläche des Werkstückes (W) entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bewirken der Bewegung der mindestens einer Komponente umfaßt, daß wiederholt die Maske (M) veranlaßt wird, eine Bewegung relativ zu dem Werkstück (W) auszuführen und dadurch das erwähnte Muster der Maske (M) auf die Herstellungsoberfläche des Werkstückes (W) wiederholt überlagert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Bewegung eine Drehbewegung aufweist bzw. ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Bewegung eine Translationsbewegung ist bzw. aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bewirken, daß mindestens eine Komponente die erwähnte Bewegung erfährt umfaßt, daß die Maske (M) veranlaßt wird, eine relative Bewegung bezüglich einer Oberflächenkonfiguration der Herstellungsoberfläche auszuführen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erwähnte relative Bewegung eine planare Kreisbewegung mit einem konstanten Radius oder variablen Radien ist bzw. eine solche Bewegung aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erwähnte relative Bewegung eine lineare Hin- und Herbewegung ist bzw. eine solche aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erwähnte relative Bewegung eine Planarbewegung in einem quadratischen Spurverlauf ist bzw. aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erwähnte relative Bewegung eine periodische Bewegung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufweist bzw. ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erwähnte relative Bewegung der mindestens einen Komponente kontinuierlich ist bezüglich der anderen Komponenten, wodurch die erwähnte feine Struktur mit einer glatten oder geneigten Oberfläche hergestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erwähnte feine Struktur als eine Wellung geformt wird, und zwar sich verändernd bezüglich der Herstellungsoberfläche entlang der Richtung der erwähnten Relativbewegung.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erwähnte relative Bewegung der erwähnten mindestens einen Komponente das Bewegen der Maske (M) mit einer Geschwindigkeit aufweist bzw. ist, und zwar bestimmt entsprechend einer geneigten Oberfläche, die als Teil der erwähnten feinen Struktur gebildet werden soll.

17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dauer der Strahlung durch die Bewegung einer Kante der Maske (M) gesteuert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dauer der Bestrahlung durch die Bewegung von zwei entgegengesetzt liegenden Kanten der erwähnten Maske (M) gesteuert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erwähnte Relativbewegung eine Translationsbewegung in einer Richtung mit einem rechten Winkel zu einer Achse des Energiestrahls (FAB) aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner die Positionierung eines stationären Maskenglieds (M) zwischen der Energiestrahlquelle (5) mit der Fabrikationsoberfläche vorgesehen ist, und dadurch eine Maximalfläche der Belichtung der Fabrikationsoberfläche gegenüber der Strahlung durch den erwähnten Energiestrahl (FAB) definiert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Masken (M) zwischen der Energiestrahlquelle (5) und der Fabrikationsoberfläche positioniert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei mindestens eine der erwähnten Vielzahl von Masken (M) während der Belichtung der Fabrikationsoberfläche gegenüber der Bestrahlung durch den Energiestrahl (FAB) ausgetauscht wird.

23. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erwähnte Bestrahlen und Herstellen der erwähnten feinen Struktur mindestens einen der folgenden Prozesse aufweist: einen Ätzprozeß, einen Filmabscheidungsprozeß, einen Verbindungsprozeß und einen Binde- bzw. Klebeprozeß.

24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Energiestrahl (FAB) ein fokussierter Energiestrahl ist.

25. Verfahren nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist: Vorsehen des erwähnten Musters als Strahlübertragungsöffnungen in der erwähnten Maske (M), wobei jede der Öffnungen eine Minimalgröße von 0,1 bis 10 nm besitzt.

26. Verfahren nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist: Vorsehen des erwähnten Musters als Strahlübertragungs- oder Transmissionsöffnungen in der Maske (M), wobei jede der Öffnungen eine Minimalgröße von 10 bis 100 nm besitzt.

27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erwähnte Maske (M) gegenüber der Herstellungsoberfläche beabstandet ist.