DE2752378A1

DE2752378A1 - Verfahren zum herstellen von praezisionsteilen durch aetzen

Info

Publication number: DE2752378A1
Application number: DE19772752378
Authority: DE
Inventors: Carlton Edward Olsen; Leroy Jasper Serpa
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1978-06-29
Also published as: NL7712540A; FR2375628A1; FR2375628B1; US4092166A; IT1113820B; DE2752378C2; GB1589538A; CH620662A5; ES465428A1; JPS5382412A; CA1097974A; JPS606503B2

Description

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SA 9-76-009 International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 1050*1 USA

Verfahren zum Herstellen von Präzisionsteilen durch Aetzen .

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebene Art eines Verfahrens zum Herstellen von Präzisionsteilen.

Das Herstellen von Bauteilen aus ätzbaren Materialien, wie Kunststoff, Keramik und Metall, ist bereits bekannt. Dabei wire zur Formgebung mittels einer Maske ein auszuätzendes Muster auf das ätzbare Material aufgebracht. Das kann beispielsweise durch Abdecken der nicht zu ätzenden Stellen mittels eines Lackes erfolgen, der gegen das Aetzmittel resistent ist, oder durch Umwandlung des an sich ätzbaren Materials in eine nicht ätzbare Phase, und nachfolgendes Eintauchen in das Aetzmittel.

Dabei hat es sich gezeigt, dass insbesondere bei grösseren zu ätzenden Schichtdicken im Material stark geneigte Flanken auftreten, so dass mit zunehmender Tiefe der Aetzung eine Vergrösserung der geätzten Fläche relativ zu dem auf die Oberfläche des Materials aufgebrachten Muster eintritt. Dieser Vorgang wird mit Unterätzen bezeichnet.

Bei der Herstellung von Präzisionsteilen ist dieses Unterätzen besonders dann unerwünscht, wenn zwischen benachbarten Löchern nur eine dünne Trennwand stehen bleiben soll. Durch das Unterätzen können sich daher in der Tiefe der Materials Ueberlappungen benachbarter Löcher ergeben.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, unter Vermeidung des geschilderten Unterätzens ein neues Verfahriη zur Herstellung von Präzisionsteilen vorzuschlagen, mit dem

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sich wegen der erzielbaren grösseren Flankensteilheit feinere Strukturen herstellen lassen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent· nehmen.

Einzelheiten des Verfahrens werden anhand der beigefügten Zeichnungen hiernach beschrieben:

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des photoempfindlichen Materials und der ersten Maske

Fig. 2 einen Schnitt durch das Material nach dem ersten Aetzschritt

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Belichtungsanordnung mit der zweiten Maske

Fig. Ii einen Schnitt durch das Material nach dem zweiten Aetzschritt

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. Ί

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer fertiggestellten Ladeelektrode

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. ¹I

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. Ί vor der Vollendung des zweiten Aetzschrittes und

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 der Fig. 6.

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Das Verfahren wird beispielsweise im Zusammenhang mit der Herstellung einer Matrix von Ladeelcktroden für einen Tintenstrahl-Drucker beschrieben, doch kann es auch bei der Herstellung anderer Gegenstände Anwendung finden. Ferner wird bei der Beschreibung des Verfahrens auf die Verwendung von photoempfinlichem Glas Bezug genommen, das Verfahren eignet sich je- ■ doch auch für jedes andere Material, das in mehrere koexistente Phasen umgewandelt werden kann, wobei diese Phasen unterschiedliche chemische Eigenschaften Aufweisen.

Fig. 6 zeigt einen Teil einer Ladeelektroden-Matrix 10, wie sie für die Aufladung von Tintentropfen in einem Tintenstrahl-Drucker verwendet werden kann. Die Ladeelektrode weist eine Vielzahl von Oeffnungen 12 (Fig. 2, 4) auf, die sich durch die ganze Dicke der Ladelektrode erstrecken, so dass eine entsprechende Anzahl von Tinten strahlen passieren kann. Obwohl in Fig. 6 nur wenige Oeffnungen gezeigt sind, hat eine derartige Ladeelektrode zwischen 60 und 240 Oeffnungen. Die in den Zeichnungen dargestellten Oeffnungen 12 sind rechteckig, doch können andere Formen, wie elliptische oder runde, vorgesehen werden . Die inneren Oberflächen der Oeffnungen 12 sind mit leitfähigem Material 14 überzogen, so dass sich eine Vielzahl von Ladetunneln ergibt. Die den einzelnen Tunneln zugeordneten Tintenstrahlen werden durch ein DUsenegregät erzeugt und durch bekannte Mittel veranlasst, sich in einzelne Tropfen aufzulösen. Die Ladeelektrode hat einen definierten Abstand von den Düsen, derart, dass die Tintenstrahlen sich innerhalb der Tunnel 16 in etwa gleichgrosse Tropfen auflösen. Dadurch ist es möglich, den Tropfen selektiv eine elektrostatische Ladung zu erteilen und die geladenen Tropfen danach durch ein elektrostatisches Ablenkfeld in eine Auffangvorrichtung abzulenken, während die ungeladenen Tropfen in Richtung auf einen Aufzeichnungsträger weiterfliegen.

Die Herstellung von Ladeelcktroden gomäss Fig. 6 für Tintenstrahl-Drukker hat sich als schwierig erwiesen, da jede der Oeffnungen 12 die gleiche Grösse aufweisen und der gegenseitige Mittenabstand der Oeffnungen enge Toleranzen einhalten muss.

Die Verwendung von photoempfindlichem Glas für die Ladeelektroden wäre wünschbar, da Aetzverfahren für derartige Materialien gut bekannt

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sind, und da man weiss, dass photoumpfindliches Glas selektiv geätzt werden kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Neigungswinkel der Wände der Oeffnungen bei der Anwendung konventioneller Aetztechniken für photoempfindliches Glas in vielen Fällen grosser ist, als der Abstand zwischen benachbarten Ladetunneln, und aus diesem Grunde sind die konventionellen Aetzverfahren unbrauchbar.

Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt, den Neigungswinkel der durchgehenden Oeffnungen so stark zu vermindern, dass er praktisch nicht feststellbar ist, weshalb sich das Verfahren sehr gut für die Herstellung von Präzisionsteilen eignet, wie es die als Beispiel gewählten Ladeelektroden gemäss Fig. 6 sind. Das Verfahren sieht die Verwendung von photoempfindlichem Glas als Substratmaterial vor, wie es beispielsweise unter dem Handelsnahmen Foto-Ceram bekannt ist, welches von den Corning Glass Works vertrieben wird. Beim ersten Verfahrensschritt wird das photoempfindliche Glassubstrat Licht einer Wellenlänge ausgesetzt, für welche das Glas photoempfindlich ist, was zur Entwicklung von Nukleationsstellen innerhalb des Glasmaterials führt, an denen später ein Kristallwachstum auftritt. Das Substrat wird dann mit Wärme behandelt, wobei sich in den exponierten Bereichen ein kristalline Substanz bildet, die als "Foto-Opal" bekannt ist. Darauf wird das Substrat einer geeigneten Aetzlösung ausgesetzt, welches die kristallinen Foto-Opalbereiche sehr viel stärker angreift als das unbelichtete Material, welches als "Foto-Form"-Material bezeichnet wird. Wegen der unterschiedlichen Aetzgeschwindigkeiten ergibt sich im Grenzbereich zwischen dem Foto-Form-Material und dem Foto-Opal-Material ein Neigungswinkel, dessen Grosse proportional zur Tiefe derAetzung in das Foto-Opal- -Material ist. Diese Neigung ist erheblich für tiefe Löcher, wie die Oeffnungen 12 in der Ladeelektrode 10. Zur Herabsetzung der Neigung der Wände wird ein zweiter Belichtungs/Aetzzyklus durchgeführt, der nun nur eine dünne Schale von Material betrifft, die einerseits durch die zuvor geätzte Oeffnung 12 und andererseits durch das wenig vergrössert exponierte Muster der endgültigen Oeffnungsgrösse begrenzt wird. Ein zusätzlicher Vorteil des doppelten Aetzverfahrens besteht darin, dass beim zweiten Durchgang nicht nur die endgültige Grosse der Ladetunnel erreicht wird, sondern auch die Zuleitungen zur Ladeelektrode auf die vorgeschriebene Tiefe geätzt werden

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können. Das fertig geätzte Substrat wird dann wieder belichtet und einer Wärmebehandlung unterzogen, um das Glas zu dcsensibilisieren.

Die Reihenfolge der Verfahrensschritte kann in gewissen Grenzen geändert werden, ohne die Präzision des Verfahrens einzuschränken. So kann beispielsweise der zweite Belichtungsschritt vor dem ersten Aetzschritt durchgeführt werden, was in einigen Fällen bevorzugt wird, da hierdurch die Ge- , fahr verringert wird, das beim zweiten Belichtungsschritt durch Streulicht die Auflösung beeinträchtigt wird.

Das photoempfindliche Glas, welches das Substrat 20 bildet, enthält als eine seiner Komponenten ein polyvalentes Ion , welches leicht in einen höheren Zustand angeregt werden kann, und diese Anregung kann durch Licht erfolgen, welches von einer Lichtquelle auf das Glas geworfen wird. Ein anderer Bestandteil des Glases ist ein Metall- Ion welches leicht ein Elektron abgibt, wodurch das Metall- Ion reduziert wird und Nukleationsstellen bildet, an denen Kristalle zu wachsen beginnen, welche die kristalline Phase des Glases hervorrufen. Ein dritter Bestandteil des Glases dient der Verbesserung seiner Fähigkeit, die andern beiden Komponenten in Lösung zu halten, und dieser Bestandteil ist gewöhnlich Antimon.

Die einzelnen Schritte des erfindungsgemässen Verfahrens werden nun im Detail erläutert. Der erste Schritt umfasst das Exponieren des Substrats 20 durch eine Maske 24, wobei die Lichtquelle vorzugsweise kolliminiertes Licht liefert. Eine geeignete Lichtquelle ist eine Quecksilber-Xenon-Lampe, die Licht einer Wellenlänge liefert, für welche das Glas photoempfindlich ist. Die Maske 24 hat eine Vielzahl von Ceffnungen 26 deren Grosse WIxLl etwas kleiner ist, als der endgültigen Grosse der Oeffnungen 12 der Ladeelektrode entspricht.

Der nächste Verfahrensschritt ist die Wärmebehandlung des Substrats, um das Glas an den exponierten Stellen in seine kristalline Phase zu transformieren. Dabei wird das Glas auf die ihm eigene kritische Temperatur gebracht und bei dieser Temperatur so lange gehalten, bis der Kristallisationsvorgang beendet ist. Beispielsweise werden vom Hersteller des bevorzugten Foto-Ceram-Glases 592°Celsius und 30 Minuten Umwandlungszeit angegeben. Der nächste Schritt des Verfahrens umfasst das Eintauchen des Substrats

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in eine geeignete Aetzlösung, von welcher das kristalline Foto-Opal-Glas wesentlich stärker angegriffen wird, als das Foto-Form-Glas. Eine geeignete Aetzlösung ist eine 12%ge Lösung von Flusssäure in Wasser. Beim Aetzvorgang ergeben sich Untcrützungcn ALI und AWl in der umgebenden Foto- -Form Grenzschicht, wobei ALI und AWl der Tiefe der Aetzung in das Foto-Opal-Glas proportional sind.

Das Substrat 20 wird darauf durch eine Maske 28 erneut der Lichtquelle 22 exponiert, (Fig. 3). Wie bereits erwähnt kann die zweite Belichtung auch vor dem ersten Aetzschritt erfolgen. Die Maske 28 hat eine Oeffnung 30, deren Dimensionen W2xL2 den endgültigen Dimensionen des Ladetunnels entsprechen, sowie eine Oeffnung 32, die für die Zuleitung zum Ladetunnel vorgesehen ist.

Das Substrat wird dann emeut einer Wärmebehandlung unterzogen, um wie zuvor das Glas an den durch die Maske 28 belichteten Stellen zu kristallisieren.

Danach wird der letzte Aetzschritt ausgeführt, wodurch gleiche Dicken ( AL) von Material von den Wänden des Ladetunnels und dem Zuleitungspfad abgetragen werden. Die Grosse der Maske 24 kann so gewählt werden, dass der für die gewünschte Tiefe des Schlitzes 34 für die Zuleitung erforderliche Wert von ^ L erreicht wird .

Das gesamte Substrat wird danach durch die Lichtquelle 22 belichtet und einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen, so dass der Glaskörper desensibilisiert ist.

Die mittels des Doppelätzverfahrens erreichte Verminderung der Neigung ist aus den Unterätzungen in das Foto-Form-Glas durch die beiden Aetzoperationen aus den Fign. 2 und 4 zu ersehen. Daraus ergibt sich .^^^--Q—L

^LZ Δ Ll/ R

worin R für die Reduktion der Neigung steht und einen Wert von ungefähr 20 hat. Dies bedeutet, dass die sich aus einem einzigen Belichtungs/Aetr-Vorgang ergebende Unterätzung etwa 20 Mal so gross ist wie mit dem hler vorgeschlagenen Doppel-Belichtungs/Aetz verfahren.

Für neue Düsonagrogate sind Ladetunnelgrössen und Mittenabstände für Ladeelcktrodcn-Matrizon vorgesehen, bei denen zwischen den einzelnen Ladetunneln Abstände von nur 0,05. . .0,1 mm verbleiben. Durch die Seitenwand-

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neigung, die beim Aetzen mit dem bekannten Einzel-Belichtungs/Aetzverfahren auftritt, lässt sich eine derartige Packungsdichte nicht erreichen. Bei dem Einzel-Belichtungs/Aetzverfahrcn ergibt sich eine Neigung

Ll= 2R ⁼ °'033mm, wobei Tl= 1,25mm die Dicke der Ladeelektrode bedeutet und R=20 das Verhältnis der Aetzgeschwindigkeiten im belichteten und unbelichteten Glaskörper. Dabei ergibt sich,dass 0,066mm (2 ALl)Zwichenraurn infolge der Neigung verloren gehen, wodurch eine Ueberlappung benachbarter Ladetunnel auftreten kann, während sich für das Doppel-Belichtung s/Aetz verfahren &\2 = Tl2 as 0,016mm ergibt. Der Verlust durch die Wandneigung ist in diesem Fall praktisch nicht feststellbar, nämlich nur 0,032mm (2 AL2).

An dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde gezeigt, dass das Doppel-Belichtungs/Aetzverfahren der vorliegenden Erfindung geeignet ist, Prä- _% zisionsteile herzustellen, wie beispielsweise eine Ladeelektroden-Matrix _)_■

für einen Tintenstrahl-Drucker, für deren Herstellung die konventionellen Aetzverfahren wegen zu starker Unterätzung nicht in Frage kamen.

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Claims

i Λ π/; , ΐ

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PATENTANSPRÜCHE

Μ). Verfahren zum Herstellen von Präzisionsteilen durch Aetzen von photoempfindlichem Material, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Belichten des photoempfindlichen Materials durch eine erste Maske mit Licht der Wellenlänge, für welche das Material photoempfindlich ist.

b) Wärmebehandeln des Materials durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher in den belichteten Bereichen eine Umwandlung des Materials in eine kristalline Phase erfolgt.

c) Eintauchen des Materials in Aetzmittel zum Entfernen der kristallinen Phase des Materials.

d) Belichten des Materials durch eine zweite Maske mit dem Licht der genannten Wellenlänge.

e) Wärmebehandeln des Materials durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher in den durch die zweite Maske belichteten Bereichen eine Umwandlung des Materials in eine kristalline Phase erfolgt.

f) Eintauchen des Materials in ein Aetzmittel zum Entfernen der kristallinen Phase des Materials.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten des Materials mittels einer Quecksilber/Xenon-Lampe erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photoempfindliche Material ein Glas ist.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine Erhitzung des Materials auf 592° Celsius für 30 Minuten ist.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in der Reihenfolge a, b, d, c, e, f durchgeführt werden.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausführen des Schrittes a eine erste Maske (24) verwendet wird, welche Oeffnungen (12) mit Unternmss auf einem Substrat (20) definiert, und dass beim Ausführen des Schrittes d eine zweite Maske (28) verwendet wird, welche auf dem Substrat(20) die Oeffnungen (12) in ihren gewünschten Abmessungen definiert.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch

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die zweite Maske (28) zusätzlich der Pfad (34) wenigstens einer Zuleitung zu dem später aufzubringendem leitenden Belag (14) innerhalb der Oeffnungen (12) definiert wird.

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