DE2752378C2 - - Google Patents

Description

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

Das Herstellen von Bauteilen aus ätzbaren Materialien, wie photoemfindlichem Glas, ist bereits bekannt. Dabei wird 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 Ätzmittel resistent ist, oder durch Umwandlung des an sich ätzbaren Materials in eine ätzbare Phase mit abgewandelter Ätzbarkeit, und nachfolgendes Eintauchen in das Ätzmittel.

Dabei hat es sich gezeigt, daß insbesondere bei größeren zu ätzenden Schichtdicken im Material stark geneigte Flanken auftreten, so daß mit zunehmender Tiefe der Ätzung 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 Öffnungen in Präzisionsteilen ist dieses Unterätzen besoders dann unerwünscht, wenn zwischen benachbarten Öffnungen nur eine dünne Trennwand stehenbleiben soll. Durch das Unterätzen können sich daher in der Tiefe des Materials Überlappungen benachbarter Öffnungen ergeben.

Es ist durch die US Patentschrift 34 73 927 bekannt, sowohl Durchgangslöcher als auch Muster einer bestimmten Tiefe im Glas durch Ätzen zu erzeugen. Für das Vermeiden des sogenannten Unterätzens ist jedoch in der Patentschrift eine andere Verfahrensfolge angegeben.

Die US Patentschrift 35 19 522 betrifft lediglich die Herstellung von Vertiefungen, nicht jedoch von Öffnungen.

Es ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, unter Verringerung des geschilderten Unterätzens ein neues Verfahren zur Herstellung von Öffnungen in Präzisionsteilen aus photoempfindlichem Glas vorzuschlagen, mit dem sich wegen der erzielbaren größeren Flankensteilheit feinere Strukturen herstellen lassen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind dem Unteranspruch zu entnehmen.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der beigefügten Zeichnungen hiernach beschrieben:

In den Zeichnungen zeigt

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

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Glases nach dem ersten Ätzschritt;

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

Fig. 4 einen Schnitt durch das Glas nach dem zweiten Ätzschritt;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der Fig. 4;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer fertiggestellten Ladeelektrode;

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 4 vor der Fertigstellung;

Fig 8 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 4 vor der Vollendung des zweiten Ätzschrittes und

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

Das Verfahren wird beispielsweise im Zusammenhang mit der Herstellung einer Matrix von Ladeelektroden für einen Tintenstrahl-Drucker beschrieben, doch kann es auch bei der Herstellung anderer Gegenstände Anwendung finden.

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 Öffnungen 12 (Fig. 2, 4) auf, die sich durch die ganze Dicke der Ladeelektrode erstrecken, so daß eine entsprechende Anzahl von Tintenstrahlen passieren kann. Obwohl in Fig. 6 nur wenige Öffnungen gezeigt sind, hat eine derartige Ladeelektrode zwischen 60 und 240 Öffnungen. Die in den Zeichnungen dargestellten Öffnungen 12 sind rechteckig, doch können andere Formen, wie elliptische oder runde, vorgesehen werden. Die inneren Oberflächen der Öffnungen 12 sind mit leitfähigem Material 14 überzogen, so daß sich eine Vielzahl von Ladetunneln ergibt. Die den einzelnen Tunneln zugeordneten Tintenstrahlen werden durch ein Düsenaggregat 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 Ladeelektroden gemäß Fig. 6 für Tintenstrahl-Drucker hat sich als schwierig erwiesen, da jede der Öffnungen 12 die gleiche Größe aufweisen und der gegenseitige Mittenabstand der Öffnungen enge Toleranzen einhalten muß.

Die Verwendung von photoempfindlichem Glas für die Ladeelektroden ist zweckmäßig, da Ätzverfahren für derartige Materialien gut bekannt sind, und da man weiß, daß photoempfindliches Glas selektiv geätzt werden kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Neigungswinkel der Wände der Öffnungen bei der Anwendung konventioneller Ätztechniken für photoempfindliches Glas in vielen Fällen größer ist, als der Abstand zwischen benachbarten Ladetunneln, und aus diesem Grunde sind die konventionellen Ätzverfahren unbrauchbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, den Neigungswinkel der durchgehenden Öffnungen 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 verwendet photoempfindliches Glas. 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 erhitzt, wobei sich in den exponierten Bereichen eine kristalline Substanz bildet, die als "Foto-Opal" bekannt ist. Darauf wird das Substrat einer geeigneten Ätzlösung ausgesetzt, welches die kristallinen Foto-Opalbereiche sehr viel stärker angreift als das unbelichtete Material, welches als "Foto-Form"-Material bezeichnet wird. Wegen der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten ergibt sich im Grenzbereich zwischen dem Foto-Form-Material und dem Foto-Opal-Material ein Neigungswinkel, dessen Größe proportional zur Tiefe der Ätzung in das Foto-Opal- Material ist. Diese Neigung ist erheblich für tiefe Löcher, wie die Öffnungen 12 in der Ladeelektrode 10. Zur Herabsetzung der Neigung der Wände wird ein zweiter Belichtungs-/Erhitzungs-Ätzzyklus durchgeführt, der nun nur eine dünne Schale von Material betrifft, die einerseits durch die zuvor geätzte Öffnung 12 und andererseits durch das wenig vergrößert exponierte Muster der endgültigen Öffnungsgröße begrenzt wird. Ein zusätzlicher Vorteil des doppelten Ätzverfahrens besteht darin, daß beim zweiten Durchgang nicht nur die endgültige Größe der Ladetunnel erreicht wird, sondern auch die Zuleitungen für die Ladeelektrode auf die vorgeschriebene Tiefe geätzt werden.

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 anderen 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 Öffnungen 26, deren Größe W 1 × L 1 etwas kleiner ist, als der endgültigen Größe der Öffnungen 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 wird das Glas 30 Minuten lang auf einer Temperatur von 592°C gehalten.

Der nächste Schritt des Verfahrens umfaßt das Eintauchen des Substrats in eine geeignete Ätzlösung, von welcher das kristalline Foto-Opal-Glas wesentlich stärker angegriffen wird als das Foto-Form-Glas. Eine geeignete Ätzlösung ist eine 12%ige Lösung von Flußsäure in Wasser. Beim Ätzvorgang ergeben sich Unterätzungen Δ L 1 und Δ W 1 in der umgebenden Foto-Form Grenzschicht, wobei Δ L 1 und Δ W 1 der Tiefe der Ätzung in das Foto-Opal-Glas proportional sind.

Das Substrat 20 wird darauf durch eine Maske 28 erneut der Lichtquelle 22 exponiert, (Fig. 3). Die Maske 28 hat eine Öffnung 30, deren Dimensionen W 2 × L 2 den endgültigen Dimensionen des Ladetunnels entsprechen, sowie eine Öffnung 32, die der Zuleitung zum Ladetunnel entspricht.

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

Danach wird der letzte Ätzschritt ausgeführt, wodurch gleiche Dicken (Δ L) von Material von den Wänden des Ladetunnels und dem Zuleitungspfad abgetragen werden. Die Größe der Maske 28 kann so gewählt werden, daß der für die gewünschte Tiefe des Schlitzes 34 für die Zuleitung 18 erforderliche Wert von Δ L erreicht wird.

Die mittels des Doppelätzverfahrens erreichte Verminderung der Neigung ist aus den Unterätzungen in das Foto-Form-Glas durch die beiden Ätzoperationen aus den Fig. 2 und 4 zu ersehen. Daraus ergibt sich

worin R für die Reduktion des Neigungsbereiches und einen Wert von ungefähr 20 hat. Dies bedeutet, daß die sich aus einem einzigen Belichtungs-/Ätz-Vorgang ergebende Unterätzung etwa 20mal so groß ist wie mit dem hier vorgeschlagenen Doppel-Belichtungs-/Ätzverfahren.

Für neue Düsenaggregate sind Ladetunnelgrößen und Mittenabstände für Ladeelektroden-Matritzen vorgesehen, bei denen zwischen den einzelnen Ladetunneln Abstände von nur 0,05 . . . 0,1 mm verbleiben. Durch die Seitenwandneigung, die beim Ätzen mit dem bekannten Einzel-Belichtungs-/Ätzverfahren auftritt, läßt sich eine derartige Packungsdichte nicht erreichen. Bei dem Einzel-Belichtungs-/Ätzverfahren ergibt sich ein Neigungsbereich

wobei T 1 = 1,25 mm die Dicke der Ladeelektrode bedeutet und R = 20 das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten im belichteten und unbelichteten Glaskörper. Dabei ergibt sich, daß 0,066 mm (2Δ L 1) Zwischenraum infolge der Neigung verloren gehen, wodurch eine Überlappung benachbarter Ladetunnel auftreten kann, während sich für das Doppel-Belichtungs-/Ätzverfahren

ergibt. Der Verlust durch die Wandneigung ist in diesem Fall praktisch nicht mehr feststellbar, nämlich nur 0,0032 mm (2Δ L 2).

An dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde gezeigt, daß das Doppel- Belichtungs-/Ätzverfahren der vorliegenden Erfindung geeignet ist, Präzisionsteile herzustellen, wie beispielsweise eine Ladeelektroden-Matrix für einen Tintenstrahl-Drucker, für deren Herstellung die konventionellen Ätzverfahren wegen zu starker Unterätzung nicht in Frage kamen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen von Öffnungen in Präzisionsteilen durch Ätzen von photoempfindlichem Glas, bei dem in zwei Belichtungsschritten das photoempfindliche Glas durch je eine Lichtdurchtrittsöffnungen unterschiedlicher Größe aufweisende Maske mit Licht der Wellenlänge belichtet wird, für welche das Glas photoempfindlich ist und das Glas auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher in den belichteten Bereichen eine Umwandlung des Glases in eine kristalline Phase erfolgt, die durch ein Ätzmittel entfent wird, wobei die Maske für den ersten Belichtungsschritt das Muster von herzustellenden Öffnungen und die Maske für den zweiten Belichtungsschritt das Muster sowohl von wenigstens einer herzustellenden Vertiefung als auch von den herzustellenden Öffnungen aufweist, gekennzeichnet durch die Aufeinanderfolge folgender Schritte:

• a) Belichten des Glases (20) durch eine Maske (24), welche die den herzustellenden Öffnungen (12) entsprechenden Öffnungen (26) mit Untermaß enthält;
• b) Erhitzen des Glases (20) zu seiner Umwandlung in den belichteten Bereichen in eine kristalline Phase;
• c) Entfernen der kristallinen Phase des Glases (20) mittels eines Ätzmittels;
• d) Belichten des Glases (20) durch eine zweite Maske (28), die Öffnungen (30) enthält, die den herzustellenden Öffnungen (12) in ihren gewünschten Abmessungen entsprechen, und wenigstens eine weitere Öffnung (32) aufweist, die der herzustellenden, als Pfad (34) für eine elektrische Zuleitung dienenden Vertiefung entspricht;
• e) Erhitzen des Glases (20) zu seiner Umwandlung in den belichteten Bereichen in eine kristalline Phase;
• f) Entfernen der kristallinen Phase des Glases (20) mittels eines Ätzmittels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausführung der Schritte b) und e) das Glas 30 Minuten lang auf 592°C erhitzt wird.