DE69320856T2

DE69320856T2 - Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung

Info

Publication number: DE69320856T2
Application number: DE69320856T
Authority: DE
Inventors: Akito C/O Seiko Instruments Inc. Koto-Ku Tokyo Ando; Fumiharu C/O Seiko Instruments Inc Koto-Ku Tokyo Iwasaki; Toshihiko C/O Seiko Instruments Inc. Koto-Ku Tokyo Sakuhara; Masataka C/O Seiko Instruments Inc Koto-Ku Tokyo Shinogi; Masayuki C/O Seiko Instruments Inc Koto-Ku Tokyo Suda
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-22
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2013-03-23
Also published as: EP0563744B1; US5366613A; EP0563744A3; EP0563744A2; DE69320856D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung der elektrochemischen Feinbearbeitung der Oberfläche eines Materials, wie z. B. eines Metalls oder eines Halbleiters.
Elektrochemische Bearbeitungsmethoden zum Behandeln von Substratflächen und zum Erzeugen von Mustern auf diesen sind auf dem Stand der Technik wohlbekannt. Zum Beispiel offenbart US 3 035 990 ein Verfahren zum chemischen Stanzen von Aluminium durch ein Hydroxid-Ätzmittel, in dem das Aluminiumblech zuerst eloxiert und dann mit einem vorgewählten Fotolackmuster beschichtet wird. Ferner offenbart EP-A-0 154 572 ein Verfahren zum Ausbilden eines elektrischen Schaltkreises, bestehend aus der Dünnschicht eines Leiters oder Halbleiters, die auf ein isolierendes Substrat aufgebracht wird, in dem eine Schreibspitzenelektrode die Dünnschicht angreift, um durch Elektroerosion auf der Grundlage einer Mikrolichtbogenentladung in einem umgebenden Medium isolierende Spuren auszubilden.
In einem anderen auf dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird bei Durchführung der Feinbearbeitung der Oberfläche eines zu bearbeitenden Artikels im allgemeinen eine Technik verwendet, die Photolithographie genannt wird. In groben Zügen wird diese Technik in den Fig. 6A - 6 G gezeigt. Zunächst wird ein lichtempfindliches, chemikalienfestes Harz (Fotoresist) 22 auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 21 (Fig. 6B) aufgebracht, und ultraviolettes Licht wird durch eine Maske 23 (Fig. 6C und 6D) aufgestrahlt. Dann wird ein lichtempfindlich gemachter Fotoresist 24 durch Entwickeln und Spülen abgezogen, und da der Fotoresist auf dem zu bearbeitenden Artikel 21 genau in Übereinstimmung mit dem auf die Maske gezeichneten Muster verbleibt, werden die übrigen Teile freigelegt (Fig. 6E). Dann werden bei dieser Methode durch Eintauchen in eine Lösung (Ätzlösung), die in der Lage ist, den zu bearbeitenden Artikel aufzulösen, die belichteten Teile des zu bearbeitenden Artikels 21 selektiv abgearbeitet (Fig. 6F und 6 G). Ferner wird in der Praxis auch eine Technik angewandt, bei der keine Maske eingesetzt wird und ein Elektronenstrahl direkt auf einen zu bearbeitenden Artikel gerichtet wird, auf dem ein Fotoresist aufgebracht ist, um auf dem Fotoresist ein Muster zu erzeugen. Jetzt ist es auch möglich, durch Auswählen einer Ätzlösung eine Struktur mit einem großen Längenverhältnis herzustellen. Als weitere Feinbearbeitungstechnik gibt es den LIGA-Prozeß, der vor kurzem entwickelt wurde. In groben Umrissen wird diese Technik in den Fig. 7A bis 7D dargestellt. In Fig. 7A wird ein von einem Synchrotron abgestrahlter Röntgenstrahl (Synchrotronemissionslicht) benutzt, um das Musterbilden auf dem Resist 26, wie z. B. einem Acryl- oder Polymethacrylat (PMMA), das dick auf de Oberfläche eines Metallsubstrats 25 aufgebracht ist, mittels einer Maske 27 durchzuführen. In Fig. 7B wird ein belichteter Resist durch Entwickeln und Spülen, abgezogen, und die verbleibenden Teile des Resists 26 werden als Gußform benutzt. In Fig. 7C wird ein Metall 28 in die Form eingebracht, z. B. mittels Schmelzformen. In Fig. 7D wird die Form des Resist 26 abgenommen und so wird eine feine Metallstruktur 28 auf dem Metallsubstrat 25 erhalten. Das Synchrotronemissionslicht hat bestimmte Eigenschaften, z. B. ist die Strahlintensität hoch, die Linearität genau und die Streuung klein, so daß es möglich wird, auf einem dick aufgetragenen Resist ein Maskenmuster genau und tief zu sensibilisieren. Mit dieser Technik läßt sich eine dreidimensionale Form mit einem hohen Längsverhältnis erzielen.
In der herkömmlichen Photolithographie tritt jedoch ein Problem auf wenn der zu bearbeitende Artikel einen stark unebenen Teil aufweist; die Fotomaske ist nämlich ein ebenes Glassubstrat und deshalb entsteht zwischen der Fotomaske und dem zu bearbeitenden Artikel ein Zwischenraum, der eine Brechung des UV-Lichts bewirkt, so daß es schwierig wird, das Muster der Maske auf dem Fotoresist abzubilden. Ferner wird zum gleichmäßigen Aufbringen des Fotoresists auf den zu bearbeitenden Artikel die sogenannte Schleuderbeschichtungstechnik angewandt, die mit Zentrifugalkraft arbeitet, so daß hier ein weiteres Problem auftritt: Wenn es nämlich auf der Oberfläche einen Höhenunterschied gibt, wird die gleichmäßige Aufschichtung des Fotoresists schwierig. Wenn dann der Elektronenstrahl direkt auf den Resist gestrahlt wird, tritt das Problem der Fokussierung des Elektronenstrahls auf, so daß das Aufbringen des Musters auf die Oberfläche mit komplizierten Unregelmäßigkeiten schwierig wird. Ferner muß der LIGA-Prozeß ein Synchrotron benutzen, was zu dem Problem führt, daß die Kosten für dieses Gerät zu hoch werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum vorteilhaften Ausbilden eines dünnen Musters direkt auf einer unebenen Oberfläche eines zu bearbeitenden Artikels vorzusehen, um die oben beschriebenen herkömmlichen Probleme zu lösen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein elektrochemisches Feinbearbeiten gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Zum Lösen der obigen Probleme wird im Feinbearbeitungsverfahren der vorliegenden Erfindung auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels elektrochemisch ein Muster ausgebildet, das dem herkömmlichen Photoresistmuster entspricht. Erfindungsgemäß wird das erreicht durch:
Ein Verfahren, in dem entweder
(1) eine Methode angewandt wird, in der ein zu bearbeitender Artikel und eine Gegenelektrode mit einem spitzen Vorderende in eine Lösung eingebracht werden, und das spitze Vorderende der Gegenelektrode dicht an die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels gebracht wird und mit einer wiederholten Operation des elektrochemischen Oxidieren bzw. Reduzieren des zu bearbeitenden Artikels durch Bewegen der Gegenelektrode ein Muster auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels elektrochemisch ausgebildet wird; oder
(2) eine Methode angewandt wird, in der ein zu bearbeitender Artikel und eine Gegenelektrode mit einem spitzen Vorderende in eine Lösung eingebracht werden, und das spitze Vorderende der Gegenelektrode dicht an die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels gebracht wird und mit einer wiederholten Operation des elektrochemischen Ablagern einer Substanz auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels durch Bewegen der Gegenelektrode ein Muster auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels elektrochemisch ausgebildet wird; oder
(3) ein Verfahren, in dem die Oberfläche eines zu bearbeitenden Artikels vorher mit einer anderen Substanz beschichtet wird, der zu bearbeitende, beschichtete Artikel und eine Gegenelektrode mit einem spitzen Vorderende in eine Lösung eingebracht werden, und das spitze Vorderende der Gegenelektrode dicht an die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels gebracht wird und eine Operation des elektrochemischen Oxidierens bzw. Reduzierens des zu bearbeitenden Artikels unter Bewegen der Gegenelektrode wiederholt durchgeführt wird, dann ein Muster der Deckschichtsubstanz auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels ausgebildet wird unter Verwendung von entweder einer Ätzlösung, die die Deckschichtsubstanz vor der Oxidation-Reduktion nicht auflöst, aber die Deckschichtsubstanz nach der Oxidation- Reduktion auflöst, oder eine Ätzlösung, die im Gegensatz dazu die Deckschichtsubstanz vor der Oxidation-Reduktion auflöst jedoch die Deckschichtsubstanz nach der Oxidation-Reduktion nicht auflöst;
um damit auf der Substanz mit anderer Widerstandsfähigkeit gegen die Ätzlösung als der des zu bearbeitenden Artikels auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels ein Muster zu erzeugen. Danach wird die Bearbeitung auf gleiche Weise durchgeführt wie in der herkömmlichen Photolithographie unter Einsatz einer Ätzlösung, in der sich das gebildete Muster nicht auflöst, wohl aber der zu bearbeitende Artikel gelöst wird.
Ein Feinbearbeitungsgerät zum Ausführen der obigen Feinbearbeitungsmethode besteht aus einer Gegenelektrode mit einem dünnen Vorderende, einem Mechanismus zum Bewegen der Gegenelektrode zu einer gewünschten Position, und einem Mechanismus zur Ausführen der Steuerung eines elektrochemischen Elektropotentials eines zu bearbeitenden Artikels.
Ferner führt eine Gegenelektrode mit einer Vielzahl spitzer Vorderenden eine Feinbearbeitung in einer Vielzahl kleiner Bereiche auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels aus.
In der oben beschriebenen Feinbearbeitungsmethode wird in der elektrochemischen Zelle, die mit der Gegenelektrode mit einem spitzen Vorderende versehen ist, das spitze Vorderende der Gegenelektrode möglichst nahe an die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels geführt, um ein Feld der elektrochemischen Reaktion nur in der Nähe des Vorderendes der Gegenelektrode auszubilden. Und die elektrochemische Reaktion der Oxidation bzw. Reduktion auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels, die Ablagerung der Substanz aus der Lösung auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels oder die Oxidation- Reduktion der die Oberfläche des vorher zu bearbeitenden Artikels überziehende Deckschicht kann stattfinden, jedoch sind diese elktrochemischen Reaktionen beschränkt auf die Nähe des Vorderendes der Gegenelektrode. Wenn also diese Operation wiederholt wird unter Bewegen der Gegenelektrode entlang der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels, kann das Muster auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels elektrochemisch ausgebildet werden. In diesem Fall gibt es auch bei Vorkommen einer Unebenheit in der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels, wenn die Position des Vorderendes der Gegenelektrode so geführt wird, daß sie immer einen konstanten Abstand vom zu bearbeitenden Artikel einhält, keinerlei Hindernisse gegen das elektrochemische Ausbilden des Musters.
Die Fig. 1A - 1G sind illustrative Ansichten, die eine Ausführungsform des Feinbearbeitungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen;
Die Fig. 2A - 2G sind illustrative Ansichten, die eine andere Ausführungsform des Feinbearbeitungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen;
Die Fig. 3A - 3G sind illustrative Ansichten, die wieder eine andere Ausführungsform des Feinbearbeitungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 4 ist eine illustrative Ansicht eines Feinbearbeitungsgeräts, das für die vorliegende Erfindung eingesetzt wird;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel für die Struktur der Gegenelektrode zeigt, die im Feinbearbeitungsgerät der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
Die Fig. 6A - 6G sind illustrative Ansichten, die die herkömmliche Lithographietechnik zeigen; und
Die Fig. 7A - 7D sind illustrative Ansichten, die den herkömmlichen LIGA-Prozeß zeigen.
Anschließend wird das erfindungsgemäße Feinbearbeitungsverfahren anhand der Zeichnungen beschrieben.

(Beispiel 1)

Die Fig. 1A - 1G zeigen illustrativ ein Beispiel des Feinbearbeitungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1A werden ein zu bearbeitender Artikel 3, eine Bezugselektrode 4 und eine Gegenelektrode 5 in einen Behälter 2 getaucht, der mit einer Lösung 1 gefüllt ist, so daß er eine elektrochemische Zelle bildet. Ferner sind der zu bearbeitende Artikel, die Bezugselektrode und die Gegenelektrode elektrisch an einen Potentiostat 6 angeschlossen, so daß das elektrochemische, elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels gesteuert werden kann. Im vorliegenden Fall ist die Bezugselektrode eine Elektrode zum Generieren eines elektrischen Potentials, das für das Steuern des elektrischen Elektrodenpotentials in der elektrochemischen Reaktion als Norm dient, für das im allgemeinen häufig die gesättigte Kalomel-Elektrode (SCE) oder die Silber-Silberchlorid- Elektrode benutzt wird. Zusätzlich hat die Gegenelektrode eine Form mit einem spitzen Vorderende.
Zwar wurde im vorliegenden Beispiel die elektrochemische Zelle unter Verwendung einer Bezugselektrode gebildet, jedoch ist die Bezugselektrode 4 nicht immer erforderlich, und es ist auch möglich, eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden zu bauen, in der der zu bearbeitenden Artikel die eine und die Gegenelektrode die andere Elektroode sind. In diesem Fall wird eine Gleichstromquelle, deren Spannung optional gesteuert werden kann, anstatt des Potentiostaten benutzt.
In Fig. 1B wird die Elektrode 5 in einer Position eingerichtet, in der sie ganz nahe an der zu bearbeitenden Stelle des zu bearbeitenden Artikels 3 liegt, und mit Hilfe des Potentiostaten 6 wird das elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels so eingestellt, daß es in der Lage ist, den zu bearbeitenden Artikel elektrochemisch zu oxidieren bzw. zu reduzieren.
Jetzt findet in Fig. 1C die elektrochemische Reaktion auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 3 in der Nähe des Vorderendes der Gegenelektrode 5 statt und der zu bearbeitende Artikel selbst wird oxidiert bzw. reduziert, und auf diese Weise wird eine Dünnschicht 7 bestehend aus seinem oxidierten bzw. reduzierten Produkt auf der Oberfläche ausgebildet. Wenn z. B. der zu bearbeitende Artikel aus Silicium besteht, wird das elektrische Potential auf nicht unter 0,86 V gegenüber einer Standardwasserstoffelektrode eingestellt, und so ist es möglich, eine Dünnschicht aus Siliciumoxid auf der Siliciumoberfläche auszubilden.
In Fig. 1D, wenn das Vorderende der Gegenelektrode 5 langsam entlang der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 3 gemäß einer Bearbeitungsform unter Beibehaltung des genannten elektrischen Potentials bewegt wird, bildet sich die Dünnschicht 7 kontinuierlich in einem Gebiet aus, in dem die Gegenelektrode 5 bewegt wird, und se läßt sich ein Muster 8 bilden. Hier ist es erforderlich, den Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Artikel und dem Vorderende der Gegenelektrode konstant zu halten.
Als Alternative, wie in Fig. 1E gezeigt wird, ist es auch möglich, das Muster 8 auf gleiche Weise auszubilden durch Führen der Gegenelektrode 5 vom Ende des zu bearbeitenden Artikels 3 gemäß einer bestimmten Regel und Anlegen eines elektrischen Potentials während sich die Gegenelektrode zu einem Ort bewegt, um dort die Oxidation/Reduktion auszuführen.
In Fig. 1F wird dann nach Ausbilden des gewünschten Musters auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels der zu bearbeitende Artikel anschließend in eine Lösung (Ätzlösung) 9 getaucht, in der selektiv nur der zu bearbeitende Artikel, jedoch nicht das Muster gelöst wird, um selektiv nur den nicht durch das auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels betroffenen Teil, d.i. den freiliegenden Teil abzuarbeiten. Wenn z. B. auf der Siliciumoberfläche ein Muster aus Siliciumoxid ausgebildet ist, wird ein Lösungsgemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure als Ätzlösung verwendet. Diese Lösung hat die Eigenschaft, daß sie nicht das Siliciumoxid löst, wohl aber Silicium, so daß es möglich ist, selektiv den Teil zu lösen, wo das Silicium freiliegt. Vor Durchführen dieser Operation müssen daher alle nicht zu be arbeitenden Flächen des zu bearbeitenden Artikels vorher mit einer Substanz, die gegen die Ätzlösung resistent ist, abgedeckt werden.
Schließlich wird in Fig. 1 G das Muster mit einer Lösung abgezogen, die nur das elektrochemisch ausgebildete Muster löst, jedoch nicht den zu bearbeitende Artikel 3 selbst. Wenn z. B. das Muster auf der Siliciumoberfläche aus Siliciumoxid gebildet ist, wird ein Lösungsgemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid als Ätzlösung eingesetzt.

(Beispiel 2)

Die Fig. 2A - 2 G zeigen illustrativ ein anderes Beispiel einer Feinbearbeitungsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung.
Hier wird zunächst, in Fig. 2A, ein zu bearbeitender Artikel 3, eine Bezugselektrode 4 und eine Gegenelektrode 5 in einen Behälter 2 getaucht, der mit einer Lösung 1 gefüllt ist, so daß er eine elektrochemische Zelle bildet. Ferner sind der zu bearbeitende Artikel, die Bezugselektrode und die Gegenelektrode elektrisch an einen Potentiostaten 6 angeschlossen, so daß das elektrochemische, elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels gesteuert werden kann. Der zu bearbeitende Artikel muß aus einem Stoff bestehen, der selbst leitend ist, bzw. dessen Oberfläche mit einer leitenden Substanz beschichtet ist. In diesem Fall ist die Bezugselektrode eine Elektrode zum Generieren eines elektrischen Potentials, das für das Steuern des elektrischen Elektrodenpotentials in der elektrochemischen Reaktion als Norm dient, für das im allgemeinen häufig die gesättigte Kalomel-Elektrode (SCE) oder die Silber-Silberchlorid-Elektrode benutzt wird. Zusätzlich hat die Gegenelektrode eine Form mit einem spitzen Vorderende.
Zwar wurde im vorliegenden Beispiel die elektrochemische Zelle unter Verwendung einer Bezugselektrode gebildet, jedoch ist die Bezugselektrode nicht immer erforderlich und es ist auch möglich, eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden zu bauen, in der der zu bearbeitende Artikel die eine und die Gegenelektrode die andere Elektrode sind. In diesem Fall wird anstatt des Potentiostaten eine Gleichstromquelle benutzt, deren Spannung optional gesteuert werden kann.
In Fig. 2B wird das vordere Ende der Gegenelektrode 5 in einer Position eingerichtet, in der es ganz nahe an der zu bearbeitenden Stelle des zu bearbeitenden Artikels 3 liegt, und mit Hilfe des Potentiostaten 6 wird das elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels so eingestellt, daß es in der Lage ist, die Substanz aus der Lösung auf den zu bearbeitenden Artikel chemisch abzulagern.
Jetzt findet in Fig. 2C die elektrochemische Reaktion auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 3 in der Nähe des Vorderendes der Gegenelektrode 5 statt und eine Dünnschicht 10 der aufgebrachten Substanz bildet sich auf dem zu bearbeitenden Artikel aus. Wenn z. B. der zu bearbeitende Artikel aus Gold besteht, wird das elektrische Potential auf nicht über - 1,34 V gegenüber einer Standardwasserstoffelektrode in einem Lösungsgemisch aus Chromsäure und Schwefelsäure eingestellt, und so ist es möglich, eine Dünnschicht aus Chrom auf der zu bearbeitenden Oberfläche (Gold) auszubilden.
In Fig. 2D, wenn das Vorderende der Gegenelektrode 5 langsam entlang der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 3 gemäß einer Bearbeitungsform unter Beibehaltung des genannten elektrischen Potentials bewegt wird, bildet sich die Dünnschicht 10 kontinuierlich in dem Gebiet aus, in dem die Gegenelektrode 5 bewegt wird, und so läßt sich ein Muster 8 bilden. Hier ist es erforderlich, den Abstand zwischen dem zu bear beitenden Artikel und dem Vorderende der Gegenelektrode konstant zu halten.
Als Alternative, wie in Fig. 2E gezeigt wird, ist es auch möglich, das Muster 8 auf gleiche Weise auszubilden durch Führen der Gegenelektrode 5 vom Ende des zu bearbeitenden Artikels 3 gemäß einer bestimmten Regel und Anlegen eines elektrischen Potentials während sich die Gegenelektrode zu einem Ort bewegt, um dort die Oxidation/Reduktion auszuführen.
In Fig. 2F wird dann nach Ausbilden des gewünschten Musters auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels der zu bearbeitende Artikel 3 anschließend in eine Lösung (Ätzlösung) 9 getaucht, in der selektiv nur der zu bearbeitende Artikel, jedoch nicht das Muster gelöst wird, um selektiv nur den nicht durch die Musterbildung betroffenen Teil auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels, d.i. den freiliegenden Teil abzuarbeiten. Wenn z. B. auf der Goldoberfläche ein Muster aus Chrom ausgebildet ist, wird ein Lösungsgemisch aus Jod und Kaliumjodid als Ätzlösung verwendet. Diese Lösung hat die Eigenschaft, daß sie nicht das Chrom löst, wohl aber Gold, so daß es möglich ist, selektiv den Teil zu lösen, wo Gold freiliegt. Vor Durchführen dieser Operation müssen daher alle nicht zu bearbeitenden Flächen des zu bearbeitenden Artikels mit einer Substanz, die gegen die Ätzlösung resistent ist, abgedeckt werden.
Schließlich wird in Fig. 2 G das Muster mit einer Lösung abgezogen, die nur das elektrochemisch ausgebildete Muster löst, jedoch nicht den zu bearbeitende Artikel 3 selbst. Wenn z. B. das Muster auf der Goldoberfläche mit Chrom gebildet ist, wird eine alkalische Lösung aus Kaliumferricyanid als Ätzlösung eingesetzt.
Die Fig. 3A - 3I zeigen illustrativ ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsmethode.
Zunächst wird in Fig. 3A die Oberfläche eines zu bearbeitenden Artikels 3 mit einer Decksubstanz 11 beschichtet, in der der Widerstand bzw. das Fehlen des Widerstands gegen eine Ätzlösung durch eine ausgeführte elektrochemische Oxidation bzw. Reduktion verändert werden kann. Wenn z. B. der zu bearbeitende Artikel aus Gold besteht, wird Silicium als aufzubringende Deckschicht eingesetzt um die Oberfläche mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD)zu beschichten. Jetzt wird es erforderlich, die Dicke einer Deckschicht auf ein Maß einzustellen, das es zuläßt, daß die Reaktion von der Oberfläche der Deckschicht aus fortschreitet.
Dann werden in Fig. 3B der zu bearbeitender Artikel 3 mit der Deckschicht 11, eine Bezugselektrode 4 und eine Gegenelektrode 5 in einen Behälter 2 getaucht, der mit einer Lösung 1 gefüllt ist, so daß er eine elektrochemische Zelle bildet. Ferner sind der zu bearbeitende Artikel, die Bezugselektrode und die Gegenelektrode elektrisch an einen Potentiostaten 6 angeschlossen, so daß das elektrochemische, elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels gesteuert werden kann. Im vorliegenden Fall ist die Bezugselektrode eine Elektrode zum Generieren eines elektrischen Potentials, das für das Steuern des elektrischen Elektrodenpotentials in der elektrochemischen Reaktion als Norm dient, für das im allgemeinen häufig die gesättigte Kalomel-Elektrode (SCE) oder die Silber-Silberchlorid-Elektrode benutzt wird. Zusätzlich hat die Gegenelektrode eine Form mit einem spitzen Vorderende. Zwar wurde im vorliegenden Beispiel eine elektrochemische Zelle unter Verwendung einer Bezugselektrode gebildet, jedoch ist die Bezugselektrode nicht immer erforderlich und es ist auch möglich, eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden zu bauen, in der der zu bearbeitende Artikel die eine und die Gegenelektrode die andere Elektrode sind. In diesem Fall wird eine Gleichstromquelle, deren Spannung optional gesteuert werden kann, anstatt des Potentiostaten benutzt.
In Fig. 3C wird das Ende der Gegenelektrode 5 in einer Position eingerichtet, in der sie ganz nahe an dem zu bearbeitenden Artikel 3 liegt, und mit Hilfe des Potentiostaten 6 wird das elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels so eingestellt, daß es in der Lage ist, die Deckschicht auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels elektrochemisch zu oxidieren bzw. zu reduzieren.
Jetzt findet in Fig. 3D die elektrochemische Reaktion auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 3 in der Nähe des Vorderendes der Gegenelektrode 5 statt und eine Dünnschicht 12, enthaltend ein Oxidations/Reduktionsprodukt der Deckschicht, wird gebildet. Wenn die Oberfläche aus Gold z. B. mit Silicium beschichtet wird und das elektrische Potential auf nicht unter 0,86 V gegenüber einer Standardwasserstoffelektrode eingestellt wird, ist es möglich, eine Dünnschicht aus Siliciumoxid auf einem Teil der Siliciumdeckschicht auszubilden.
In Fig. 3E, wenn das Vorderende der Gegenelektrode 5 langsam entlang der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels 3 gemäß einer Bearbeitungsform unter Beibehaltung des genannten elektrischen Potentials bewegt wird, bildet sich die Dünnschicht 12 kontinuierlich in einem Bereich aus, in dem die Gegenelektrode 5 bewegt wird, und so läßt sich ein Muster bilden. Hier ist es erforderlich, den Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Artikel und dem Vorderende der Gegenelektrode konstant zu halten.
Als Alternative, wie in Fig. 3F gezeigt wird, ist es auch möglich, das Muster. 8 auf gleiche Weise auszubilden durch Führen der Gegenelektrode 5 vom Ende des zu bearbeitenden Artikels 3 gemäß einer bestimmten Regel und Anlegen eines elektrischen Potentials während sich die Gegenelektrode zu einem Ort bewegt, um dort die Oxidation/Reduktion auszuführen.
In Fig. 3 G wird dann nach Ausbilden des gewünschten Musters auf der Deckschicht der zu bearbeitende Artikel anschließend entweder in eine Lösung getaucht, in der sich das Oxidations/ Reduktions-Produkt der Deckschicht löst, jedoch die nicht Oxidations/Reduktions-behandelte Deckschichtsubstanz sich nicht löst, oder in eine Lösung, in der sich umgekehrt das Oxidations/Reduktions-Produkt der Deckschicht nicht löst, wohl aber die nicht Oxidations/Reduktions-behandelte Deckschicht löst, um ein selektives Abziehen der Deckschicht durchzuführen. Wenn z. B. die Goldoberfläche mit Silicium beschichtet ist und elektrochemisch der Musterbildung aus Siliciumoxid unterzogen wird, wird ein Lösungsgemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure als Ätzlösung 13 zum Musterbilden eingesetzt. Diese Lösung löst Silicium, jedoch nicht Siliciumoxid, so daß nur das Silicium selektiv gelöst werden kann.
Dann wird in Fig. 3H der zu bearbeitende Artikel in eine Lösung (Ätzlösung) 9 getaucht, in der selektiv nur der zu bearbeitende Artikel 3, jedoch nicht die auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels in Fig. 3 G verbleibende Deckschicht löst, um selektiv nur den Teil abzuarbeiten, wo der zu bearbeitende Artikel 3 freiliegt. Wenn z. B. die Goldoberfläche mit Silicium beschichtet ist und elektrochemisch oxidiert ist, um mit dem Siliciumoxid ein Muster auszubilden, wird ein Lösungsgemisch mit Jod und Kaliumjodid als Ätzlösung verwendet. Diese Lösung hat die Eigenschaft, das Siliciumoxid nicht zu lösen, löst aber das Gold, so daß es möglich ist, selektiv den Teil zu lösen, wo Gold freiliegt. Vor Durch führen dieser Operation müssen daher alle nicht zu bearbeitende Flächen des zu bearbeitenden Artikels vorher mit einer Substanz, die gegen die Ätzlösung resistent ist, abgedeckt werden.
Schließlich wird in Fig. 3I das Muster mit einer Lösung abgezogen, in der das auf dem zu bearbeitende Artikel verbleibende Muster in Fig. 3 G gelöst wird, jedoch nicht der zu bearbeitende Artikel 3 selbst. Wenn z. B. das Muster auf der Goldoberfläche mit Siliciumoxid gebildet ist, wird ein Lösungsgemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid als Ätzlösung eingesetzt.
Als nächstes wird das Feinbearbeitungsgerät, das für die vorliegende Erfindung benutzt wird, anhand der Zeichnung erklärt.
Fig. 4 ist eine illustrative Ansicht eines Feinbearbeitungsgeräts, der für die vorliegende Erfindung benutzt wird. Ein zu bearbeitender Artikel 3, eine Bezugselektrode 4 und eine Gegenelektrode 5 werden in eine Lösung 1 getaucht, die in einen Behälter 2 gefüllt ist, und ferner sind der zu bearbeitende Artikel, die Bezugselektrode und die Gegenelektrode elektrisch an einen Potentiostaten 6 angeschlossen. In diesem Fall ist die Bezugselektrode eine Elektrode zum Generieren eines elektrischen Potentials, das für das Steuern des elektrischen Elektrodenpotentials in der elektrochemischen Reaktion als Norm dient, für die im allgemeinen häufig die gesättigte Kalomel-Elektrode (SCE) oder die Silber-Silberchlorid-Elektrode benutzt wird. Zusätzlich hat die Gegenelektrode eine Form mit einem spitzen Vorderende. Zwar wurde im vorliegenden Beispiel eine elektrochemische Zelle unter Verwendung einer Bezugselektrode gebildet, jedoch ist die Bezugselektrode nicht immer erforderlich und es ist auch möglich, eine elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden zu bauen, in der der zu bearbeitende Artikel die eine und die Gegenelektrode die andere Elektrode sind. In diesem Fall wird eine Gleichstromquelle, deren Spannung optional gesteuert werden kann, anstatt des Potentiostaten benutzt.
Die Gegenelektrode ist mit Ausnahme der vordersten Spitze mit einem Isolator überzogen und wird von einem Bewegungsmechanismus 14 gehaltert, der dreidimensional genau zu einer wunschgemäßen Stelle auf dem zu bearbeitende Artikel geführt werden kann. In diesem Fall ist der zu bearbeitende Artikel unbeweglich und die Gegenelektrode wird vom Bewegungsmechanismus gehaltert, es ist jedoch umgekehrt auch möglich, die Gegenelektrode unbeweglich zu halten und den zu bearbeitende Artikel vom Bewegungsmechanismus führen zu lassen.
In einem anderen Beispiel wird die Gegenelektrode 15 in Fig. 5 gezeigt. Die Gegenelektrode 15 ist mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 16 versehen, die gemäß der zu bearbeitenden Form angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Bearbeitung in einer ganzen Reihe winziger Bereiche auf der Oberfläche des zu bearbeitende Artikel gleichzeitig vorgenommen werden. Die Teile der Vorsprünge 16, abgesehen von den Spitzen 16, sind mit einem Isolator 17 überzogen.
Die Gegenelektrode wird vom Bewegungsmechanismus an eine Stelle geführt, wo die Bearbeitung des zu bearbeitenden Artikels vorgenommen werden soll, dann wird weiters der Abstand zwischen dem zu bearbeitende Artikel und der Gegenelektrode hinreichend klein und konstant gehalten. Mit dem Potentiostaten wird dann das elektrische Potential des zu bearbeitenden Artikels auf ein elektrisches Potential eingestellt, bei dem die den zu bearbeitenden Artikel bedeckende Deckschicht der Oxidation-Reduktion unterworfen wird bzw. auf ein elektrisches Potential, bei dem die Substanz aus der Lösung auf den zu bearbeitende Artikel aufgeschichtet wird.
Diese elektrochemischen Reaktionen laufen isotrop ab unter dem Mittelpunkt der vorderen Spitze der Gegenelektrode, die dem zu bearbeitende Artikel am nächsten steht, wenn die Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels glatt und fehlerfrei ist. Diese elektrochemischen Reaktionen erfolgen gleichzeitig an einer Vielzahl von Stellen, wenn eine Vielzahl von Vorsprüngen eingesetzt ist; damit ist es also möglich, wenn mehrere Vorsprünge gemäß einer beabsichtigten Bearbeitungsform auf der Gegenelektrode angeordnet sind, das Bearbeiten entlang dieser Form gleichzeitig vorzunehmen. Ferner kann das kontinuierliche Ausbilden eines Musters durch langsames Bewegen der Gegenelektrode mit dem Bewegungsmechanismus unter Beibehalten des elektrischen Potentials leicht ausgebildet werden.
Wie oben erwähnt, wird es also durch Einsatz der erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsmethode möglich, mit unterschiedlichen Widerständen der Ätzlösung gegenüber dem zu bearbeitenden Artikel elektrochemisch Muster auf dem zu bearbeitenden Artikel auszubilden. Diese Musterbildung, die sich von der herkömmlichen Photolithographie unterscheidet, läßt sich ohne Schwierigkeiten ausführen durch Beibehalten des Abstands zwischen der Gegenelektrode und dem zu bearbeitende Artikel, auch wenn der Artikel eine unebene Oberfläche hat. Zusätzlich wurde es möglich, die Musterbildung leicht auszubilden ohne auf ein großes Gerät, wie z. B. ein Synchrotron, zurückgreifen zu müssen.

Claims

1. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung enthaltend die folgenden Schritte:

Zubereiten eines herzustellenden Artikels (3), der aus einem Metall oder Halbleiter besteht, in einer elektrolytischen Lösung (1), in dem der Artikel (3) aus einem Material besteht, das einen veränderbaren Ätzwiderstand gegen eine Ätzlösung hat, und in dem der Ätzwiderstand durch eine elektrochemische Reaktion verändert wird;

Einrichten einer vorderen Spitze einer Gegenelektrode (5) nahe an einer Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels;

Ausbilden eines Musters (8) mit einem anderen Ätzwiderstand gegen eine Ätzlösung, als dem des zu bearbeitenden Artikels (3) durch Bringen der vorderen Spitze der Gegenelektrode (5) in die Nähe des zu bearbeitenden Artikels (3) unter Anlegen eines elektrischen Potentials an die Gegenelektrode (5) und Wiederholen einer Operation der elektrochemischen Reaktion in einem winzigen Bereich des zu bearbeitenden Artikels (3) in der Nähe der Gegenelektrode (5), wobei der Abstand zwischen dem zu bearbeitenden Artikel 3 und der vorderen Spitze der Gegenelektrode (5) während der Operation der elektrochemischen Reaktion konstant gehalten wird; und

Ätzen des zu bearbeitenden Artikels (3) in einer Ätzlösung mit der Eigenschaft einer unterschiedlichen Ätzrate für den musterformenden Teil und einem anderen, nicht-musterformenden Teil.

2. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 1, in dem die elektrochemische Reaktion eine Oxidationsreaktion ist, um eine oxidierte Substanz des zu bearbeitenden Artikels (3) auszubilden, der zwecks Ausbildens des Musters (8) bearbeitet wird.

3. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 1, in dem die elektrochemische Reaktion eine Reduktionsreaktion ist, um eine reduzierte Substanz des zu bearbeitenden Artikels (3) auszubilden, der zwecks Ausbildens des Musters (8) bearbeitet wird.

4. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 1, in dem die elektrochemische Reaktion eine Ablagerungsreaktion ist, um eine aus der elektrolytischen Lösung auf den zu bearbeitenden Artikels (3) abgelagerte Substanz auszubilden, der zwecks Ausbildens des Musters (8) bearbeitet wird.

5. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 2 oder 3, in dem eine Oberfläche des zu bearbeitenden Artikels (3) mit einer Deckschicht überzogen wird, die einen veränderbaren Ätzwiderstand gegen eine Ätzlösung aufweist.

6. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 1, in dem die Ätzlösung die Eigenschaft hat, den musterbildenden Teil des zu bearbeitenden Artikels (3) zu lösen, sowie die Eigenschaft, einen anderen Teil als den musterbildenden Teil des zu bearbeitende Artikels (3) nicht zu Lösen.

7. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 1, in dem die Ätzlösung die Eigenschaft hat, den musterbildenden Teil des zu bearbeitenden Artikels (3) nicht zu lösen, sowie die Eigenschaft, einen anderen Teil, als den musterbildenden Teil des zu bearbeitende Artikels (3) zu lösen.

8. Ein Verfahren zur elektrochemischen Feinbearbeitung gemäß Anspruch 1, in dem die Gegenelektrode (15) eine Vielzahl von Vorsprüngen (16) aufweist, deren jeder eine vordere Spitze hat, die gemäß einer zu bearbeitenden Form angeordnet sind.