DE2512086C3 - Verfahren zur Herstellung freitragender, dünner Metallstrukturen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung freitragender, dünner MetallstrukturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung freitragender, dünner Metallstrukturen, insbesondere
von Gittern, bei welchem auf einen Träger eine Galvanikabdeckung aufgebracht wird, die Metallstruktüren
durch galvanische Metallabscheidung aufgebaut und in einen tragenden Rahmen aufgenommen werden.
Freitragende, dünne Metallstrukturen werden als Masken in der Elektronenlithographie und der Röntgenschattenkopie
oder als Dünnschicht-Aperturblenden für Korpuskularstrahlgeräte eingesetzt. Ein weiteres
Anwendungsgebiet ist die Widerstandsmessung in Gasspürgeräten mittels hochfeiner freitragender Metallgitter.
Da die Strukturabmessungen dieser Metallstrukturen in der Regel im Mikron- und Submikronbereich
liegen, ist ihre Herstellung und Handhabung äußerst schwierig.
Insbesondere zur weiteren Miniatursierurig von integrierten Schaltkreisen mit Hilfe der elektronenoptischen
Strukturerzeugung sind metallische Transmis- *" sionsmasken mit feinsten Gittern als Träger der
Aktivstrukturen erforderlich. In unserer älteren deutschen Patentanmeldung P 24 16 186.2 wurde bereits eine
metallische Transmissionsmaske vorgeschlagen, deren netzförmige Halterungen für die abzubildenden Aktiv- 1^
Strukturen derartig fein sind, daß sie bei der elektronenoptischen Abbildung der Aktivstrukturen
vollständig unterstrahlt werden. Zur Herstellung dieser Transmissionsmaske wird auf einen Maskenträger eine
Haftschicht und eine Ankontaktierschicht aufgedampft und die Maskenstruktur galvanoplastisch aufgebaut.
Anschließend wird die fertige Transmissionsmaske durch Auflösung der Ankontaktierschicht oder durch
mechanisches Abziehen vom Maskenträger befreit Das Auflösen der Ankontaktierschicht ist jedoch ein
langwieriger Vorgang, während beim mechanischen Abziehen die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung
der Transmissionsmaske besteht. Außerdem bereitet die Handhabung derartig feiner und mechanisch
empfindlicher Maskenstrukturen erhebliche Schwierigkeiten.
Aus der DE-PS 9 37 325 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem die
Metallstrukturen in Form von Netzfolien hergestellt werden. Hierbei wird zunächst auf eine mit einer
Metallschicht bedampfte Trägerplatte eine Galvanikabdeckung aufgebracht, welche ein Negativbild des
herzustellenden Netzrasters enthält. Auf den freien Bereichen der Metallschicht wird dann durch galvanische
Metallabscheidung das Netzraster aufgebaut, worauf die gesamte aus Netzraster, Metallschicht und
Galvanikabdeckung bestehende Schicht von der Trägerplatte abgezogen wird. Nach dem Abätzen der
Metallschicht und der Entfernung der Galvanikabdekkung wird dann die fertige Netzfolie in einen Rahmen
aufgenommen. Beim mechanischen Abziehen der aus Netzraster, Metallschicht und Galvanikabdeckung bestehenden
Schicht, besteht jedoch die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung der Netzfolie. Außerdem
bereitet die Handhabung derartig feiner und mechanisch empfindlicher Metallstrukturen, insbesondere
das Einspannen in den Rahmen erhebliche Schwierigkeiten.
Ein weiteres Verfahren zur galvanoplastischen Herstellung eines Metallgitters ist aus der DE-PS
8 80 678 bekannt. Hiernach werden in eine elektrisch leitende Matrize Nuten eingebracht, welche dem
gewünschten Gittermuster entsprechen. Daraufhin werden diese Nuten mit Metall ausgefüllt, indem
ganzflächig durch galvanische Metallabscheidung eine Metallschicht aufgebracht und zwischen den Nuten
beispielsweise durch Schleifen oder Schwabbeln mechanisch wieder abgetragen wird. Zur Fertigstellung wird
dann im Randbereich des durch die ausgefüllten Nuten gebildeten Gitters ein Rahmen galvanoplastisch niedergeschlagen
und die Matrize weggeätzt. Da für die Entfernung der Metallschicht zwischen den Nuten eine
mechanische Bearbeitung erforderlich ist, ist die Präzision des herzustellenden Gitters von vorneherein
begrenzt. Außerdem werden sowohl das Gitter als auch der Rahmen in gleicher Weise durch galvanische
Metallabscheidung hergestellt, so daß keine straffe Spannung des Gitters erzielt werden kann.
Aus der DE-PS 8 49 570 ist ein Verfahren zur Herstellung feinmaschiger Netzfolien bekannt, bei
welchem zunächst auf eine mit einer Metallschicht bedampfte Glasplatte eine Abdeckung mit dem
Negativbild des herzustellenden Netzrasters aufgebracht wird und dann die Netzfclie durch Vakuumbedampfung
und galvanische Verstärkung aufgebaut wird. Anschließend wird ein Rahmen gebildet, indem die
Ränder der Folie so weit galvanisch verstärkt werdedaß sie steif und freitragend sind. Daraufhin v^ird dab
ganze Gebilde von der Glasplatte mechanisch abgezogen, die obere Aufdampfschicht abgeätzt und durch
weiteres Ätzen die Quadrate herausgelöst, während die
Stege stehenbleiben. Nach dem Ablösen der Abdeckung UFirt der für die galvanische Randverstärkung erforderlichen
Galvanikabdeckung ist dann die Netzfolie fertig. Beim mechanischen Abziehen der die Netzfolie
enthaltenden Schichtenfolge besteht jedoch die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung der Netzfolie,
während bei der Bildung eines Rahmens durch galvanische Metallabscheidung wie bereits erwähnt
wurde keine straffe Spannung der Netzfolie erzielt werden kann.
Aus der DE-AS 11 31 481 ist schließlich ein Verfahren
zur Herstellung einer Aluminiumoxid- oder Berylliumoxidfolie bekannt, welche als Fenster für den Durchtritt
von Strahlung verwendet werden kann und möglichst glatt und unverspannt auf einen festen Rahmen
aufgebracht werden soll. Hierzu wird der dem Fenster entsprechende örtlich begrenzte Teil eines Aluminiumoder
Berylliumbleches durch mechanische Bearbeitung bis auf eine dünne Schichtstärke abgetragen, wc^auf das
Blech anodisch oxidiert und das verbliebene unerwünschte Metall durch chemische Mittel entfernt wird.
Bei dem Abdünnen des Bleches durch mechanische Bearbeitung entsteht ein Rahmen, welcher die später
gebildete Oxidfolie spannungsfrei trägt
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren
zur Herstellung freitragender, dünner Metallstrukturen
anzugeben, welche maßhaltig und straff auf einen tragenden Rahmen aufgespannt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
nach dem Aufbau der Metallstrukturen der Träger durch selektives Ätzen unter Verwendung einer
Ätzabdeckung derart abgeätzt wird, daß das verbleibende mit den Metallstrukturen verbundene Trägermaterial J5
den tragenden Rahmen bildet. Die Herstellung des Rahmens und die Aufnahme der Metallstrukturen in den
Rahmen sind also äußerst wirtschaftlich in den Herstellungsprozeß der Metallstrukturen integriert. Da
die Metallstrukturen nach dem bereichsweisen Abätzen des Trägers bereits straff auf den Rahmen gespannt
sind, besteht keine Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung. Außerdem weisen die erfindungsgemäß
hergestellten Metallstrukturen eine mit den bekannten Herstellungsverfahren nicht erreichbare hohe Maßhaitigkeit
und eine besonders plane Beschaffenheit auf. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die
galvanische Metallubscheidung in der Regel bei Temperaturen, welche über der Raumtemperatur
liegen, erfolgt und sich beim anschließenden Abkühlen eine straffe Spannung der Metallstrukturen ergibt. Da
die Metallstrukturen stets mit dem äußeren Rahmenbereich des Trägers verbunden bleiben, wird diese straffe
Spannung durch keinen der an die galvanische Metallabscheidung anschließenden Verfahrensschritte
beeinträchtigt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zwei- oder mehrschichtiger Träger
mit einer dünnen, außenliegenden, metallischen Ankontaktierschicht verwendet. Durch diese Ankontaktier- bo
schicht wird auch die Verwendung elektrisch isolierender Trägerwerkstoffe, wie Glas, Keramik oder Kunststoff,
ermöglicht. Bei ungenügender Haftung der Ankontaktierschicht auf dem isolierenden Trägerwerkstoff
kann eine haftvermittelnde sogenannte Haft- f"> schicht dazwischen gelegt werden.
Vorteilhaft wird auf die Ivletallstrukturen eine Ätzschutzschicht aufgebracht und beim anschließenden
selektiven Ätzen des Trägers für das Abätzen der Ankontaktierschicht ein separates Ätzmittel verwendet.
Die Metallstrukturen kommen somit mit den Ätzmitteln für das Ätzen der übrigen Trägerschichten nicht in
Berührung, d. h. es braucht lediglich für das Ätzen der Ankontaktierschicht ein Ätzmittel gewählt werden, das
die Metallstruktur nicht angreift Wird die Ätzschutzschicht durch galvanische Abscheidung eines Metalls,
das mit dem Metall der Ankontaktierschicht übereinstimmt, aufgebracht, so kann sie, nach dem Ätzen der
übrigen Trägerschichten, in einem Arbeitsgang zusammen mit der Ankontaktierschicht abgeätzt werden.
Durch die Einbettung zwischen der Ankontaktierschicht und der Ätzschutzschicht erfahren die Metallstrukturen
einen besonders hohen Schutz gegen mechanische und chemische Einflüsse.
Vorzugsweise wird die Galvanikabdeckung im Wege eines photolithographischen Prozesses aufgebracht.
Hierbei können die bekannten Photolacke oder Photofolien verwendet werden, die sich durch ihr hohes
Auflösungsvermögen auszeichnen.
Vorteilhaft werden die Metallstrukturen nach der Fertigstellung des Rahmens getempert. Durch dieses
Tempern werden eventuell vorhandene innere Spannungen der Meallstrukturen abgebaut.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
Die F i g. 1 bis 4 zeigen Verfahrensstufen eines ersten Ausiührungsbeispiels 3ur Herstellung eines freitragenden
metallischen Gitters,
die F i g. 5 bis 9 zeigen Verfahrensstufen eines zweiten Ausführungsbeispiels zur Herstellung einer freitragenden
metallischen Transmissionsmaske für die Elektronenlithographie und die F i g. 10 zeigt die fertiggestellte
Transmissionsmaske in der Draufsicht.
Bis auf die Fig. 10 stellen sämtliche Figuren Schnittbilder dar.
Ausführungsbeispiel 1
Gemäß F i g. 1 wird auf einen metallischen Träger 1 in einer Stärke von beispielsweise 800 μπι auf einer Seite
eine Schicht 2 aus einem Photopolymermaterial ausreichender Dicke, z. B. 1 μιη aufgebracht. Anschließend
wird aus der Schicht 2 durch einen photolithographischen Prozeß eine Galvanikabdeckung 21 für den
nachfolgenden galvanischen Aufbau eines Gitters 3 hergestellt. Wegen ihrer hohen Genauigkeit wird für die
Belichtung der Schicht 2 vorzugsweise eine Chrom-Muttermaske verwendet. F i g. 2 zeigt den Träger 1 mit
der Galvanikabdeckung 21 und dem auf die freien Oberflächenteile galvanisch abgeschiedenen Gitter 3.
Die galvanische Metallabscheidung erfolgt bis maximal zur Höhe der Schicht 2. Beispielsweise kann so ein 1 μπι
hohes Gitter 3 gebildet werden. Gemäß F i g. 3 wird anschließend die Galvanikabdeckung 21 entfernt und
eine Ätzabdeckung 4 aufgebracht. Diese Ätzabdeckung 4, die beispielsweise aus einem ätzresistenten Lack
bestehen kann, bedeckt die Stirnflächen und den dem Gitter 3 gegenüberliegenden Randbereich des Trägers
1. Wie Fig.4 zeigt, wird nun de· nicht abgedeckte
Bereich des Trägers 1 abgeätzt und die Ätzabdeckung 4 entfernt. Der verbleibende Teil des Trägers 1 bildet
einen tragenden Rahmen 5, auf welchen das Gitter 3 straff aufgespannt ist.
Für das Ätzen des Trägers ί wird ein rein selektives
Ätzmittel verwendet, das nur den Träger 1, nicht aber das Gitter 3 angreift. Für den Träger 1 und das Gitter 3
müssen daher Metalle ausgewählt werden, für die ein
geeignetes selektives Ätzmittel gefunden werden kann. Derartige Metallpaarungen und Ätzmittel werden
beispielsweise bei der Herstellung gedruckter Leiterplatten nach der Subtraktivtechnik eingesetzt und
können der einschlägigen Literatur entnommen werden. So kann beispielsweise der Träger 1 aus Messing und
das Gitter 3 aus Nickel bestehen und für das selektive Ätzen des Messings ein alkalisches Ätzmittel aus
Natriumchlorit, Ammoniak und Ammoniumcarbonat gewählt werden. Chrom-Schwefelsäure eignet sich
ebenfalls als selektive Ätzmittel für das Abätzen des Messings.
Ausführungsbeispiel 2
Zur Herstellung einer metallischen Transmissionsmaske für die Elektronenlithographie wird gemäß
F i g. 5 auf eine 800 μπι dicke quadratische Glasplatte 6
mit einer Seitenlänge von etwa 90 mm eine 0,02 μιτι
dicke Haftschicht 7 aus Titan und darauf eine 0,5 μηι
dicke Ankontaktierschicht 8 aus Kupfer aufgedampft. Anschließend wird auf die Ankontaktierschicht 8 eine
etwa 1 μΐη dicke Photolackschicht 9 aufgebracht und in
Kontaktkopie durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Chrom-Muttermaske hindurch belichtet.
Wie es in Fig.6 dargestellt ist, bildet die Photolackschicht
9 nach dem Entwickeln eine Galvanikabdeckung 91, welche die der herzustellenden Maskenstruktur
entsprechenden Bereiche der Ankontaktierschicht 8 nicht bedeckt, so daß die Maskenstruktur 10 durch die
galvanische Abscheidung von Nickel bis zu einer Höhe von 1 μιτι aufgebaut werden kann. Die Nickelabscheidung
erfolgt in einem geeigneten Nickelbad, wobei die Ankontaktierschicht 8 als Kathode geschaltet ist. Nach
dem Entfernen der Galvanikabdeckung 91 werden gemäß Fig. 7 die freien Bereiche 101 der Maskenstruktur
10 durch galvanische Abscheidung von Kupfer aufgefüllt. Durch die weitere galvanische Abscheidung
von Kupfer wird dann auf der Oberfläche der Maskenstruktur 10 eine geschlossene Ätzschutzschicht
11 gebildet.
Auf das so hergestellte Sandwich wird dann gemäß Fig.8 eine Ätzabdeckung 12, beispielsweise ein
Klebeband aufgebracht, welche die Stirnseiten und die oberen und unteren Randbereiche des Sandwiches
abdeckt. Daraufhin wird der nicht abgedeckte Bereich der Glasplatte 6 abgeätzt, so daß ein tragender
Glasrahmen 61 verbleibt. Als Ätzmittel wird Flußsäure verwendet, die nach dem Abätzen des Glases auch das
Titan der Haftschicht 7 bis auf den geschützten Rahmenbereich 71 abätzt. Die zwischen der Ankontaktierschicht
8 und der Ätzschutzschicht 11 eingebettete Maskenstruktur 10 kommt mit der Flußsäure nicht in
Berührung, so daß die Gefahr eines auch nur geringfügigen Ätzangriffes nicht besteht. Nach der
Entfernung der Ätzabdeckung 12 werden gemäß F i g. 9 die Ätzschutzschicht 11 und die aufgefüllten Bereiche
101 vollständig und die Ankontaktierschicht 8 bis auf die geschützten Rahmenbereiche 81 abgeätzt. Hierbei wird
ein rein selektives Ätzmittel, beispielsweise eine ammoniakalische Natriumchlorit-Ätze verwendet, das
nur das Kupfer der Ätzschutzschicht 11 der Bereiche 101 und der Ankontaktierschicht 8, nicht aber das Nickel
der Maskenstruktur 10 angreift. Nach dem Abätzen des Kupfers verbleibt die freitragende Maskenstruktur 10,
die mit ihrem Rand über die Rahmenbereiche 81 und 71 fest mit dem Glasrahmen 61 verbunden ist. Zum Abbau
eventuell vorhandener innerer Spannungen wird die fertiggestellte Transmissionsmaske dann etwa 16 Stunden
lang bei einer Temperatur von 1000C getempert. Die aus Nickel bestehende Maskenstruktur 10 paßt sich
der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Glasrahmens 61 an, so daß sie auch nach dem Tempern straff
ίο gespannt bleibt.
Fig. 10 zeigt die in F i g. 9 dargestellte fertige Transmissionsmaske in der Draufsicht. Die Maskenstruktur
10 besteht aus einem Gitter mit Längsstegen 102 und Querstegen 103 sowie Aktivstrukturen 104 und
|5 105. Die Halterung der für Elektronenstrahlen undurchlässigen
Bereiche der Aklivslrukturen 104 und 105 erfolgt durch die hochleinen Längs- und Querstege 102
und 103, die beispielsweise Stegbreiten von 1 μιτι
aufweisen können, so daß sie von den Elektronenstrahlen vollständig unterstrahlt werden. Auf diese Weise
kann eine Vielzahl von Aktivstrukturen gehalten werden. Die in der Zeichnung gezeigte Darstellung von
lediglich zwei Aktivstrukturen wurde aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit gewählt.
Die Abbildung der Maskenstruktur 10 auf die Photolackschicht 9 der F i g. 5 kann wie vorstehend
beschrieben mit Hilfe einer Chrom-Muttermaske vorgenommen werden, die sowohl das Muster des
Gitters als auch das Muster der Aktivstrukturen enthält.
Fs Ut jedoch auch möglich, die Belichtung der
Photolackschicht 9 in zwei Stufen vorzunehmen, wobei durch eine erste Chrom-Muttermaske die Gitterstruktur
und anschließend durch eine zweite Chrom-Muttermaske die Aktivstrukturen abgebildet werden. In beiden
Fällen wird eine hervorragende Maßhaltigkeit erzielt. Bei einer Bildgröße von 50 χ 50 mm2 der Maskenstruktur
10 liegt die größte Abweichung gegenüber den verwendeten Chrom-Muttermasken stets unter einem
1 μΐη. Dies bedeutet, daß die relative Maßhaltigkeit der
Maskenstruktur 10 stets besser als 2 χ 10 5 ist.
Die vorstehend angegebenen Materialien für die freitragende Metallstruktur und den tragenden Rahmen
haben sich als vorteilhaft herausgestellt. Es ist jedoch auch eine Vielzahl anderer Materialien verwendbar,
■»5 wobei für die Auswahl lediglich die unterschiedliche
Ätzbeständigkeit und die Existenz geeigneter selektiver Ätzmittel entscheidend ist. So kann beispielsweise für
die Metallstruktur Gold und für den Träger ein Kunststoff verwendet werden, wobei zur Bildung des
Rahmens ein dem Material des Kunststoffträgers angepaßtes Ätzmittel benutzt wird. Zum Ätzen eines
glasfaserverstärkten Epoxidharzträgers kann beispielsweise eine Mischung aus Schwefelsäure und Flußsäure
verwendet werden.
Die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen angegebenen Maße sind auf die jeweiligen
Verwendungszwecke abgestimmt und stellen hinsichtlich der erreichbaren Maßhaltigkeit nicht die obere
Grenze dar. So konnten in weiteren Versuchen mit Hilfe
h" des erfindungsgemäßen Verfahrens hochfeine freitragende
Metallgitter mit Dicken von 03 μπι hergestellt
werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung freitragender dünner Metallstrukturen, insbesondere von Gittern, bei
welchem auf einen Träger eine Galvanikabdeckung aufgebracht wird, die Metallstrukturen durch galvanische
Metallabscheidung aufgebaut und in einen tragenden Rahmen aufgenommen werden, dadurch
gekennzeichnet, daß nach dem Aufbau der Metallstrukturen der Träger durch selektives Ätzen unter Verwendung einer Ätzabdekkung
derart abgeätzt wird, daß das verbleibende mit den Metallstrukturen verbundene Trägermaterial
den tragenden Rahmen bildet. '
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei- oder mehrschichtiger Träger
mit einer dünnen außenliegenden metallischen Ankontaktierschicht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Metallstruktur eine Ätzschutzschicht aufgebracht wird und daß beim anschließenden
selektiven Ätzen des Trägers für das Abätzen der Ankontaktierschicht ein separates Ätzmittel
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzschutzschicht durch galvanische
Abscheidung eines Metalls, das mit dem Metall der Ankontaktierschicht übereinstimmt, aufgebracht
wird. -10
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanikabdeckung
im Wege eines photolithographischen Prozesses aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden »">
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstrukturen nach der Fertigstellung des Rahmens
getempert werden.
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