DE102005011298A1

DE102005011298A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ätzen von Substraten

Info

Publication number: DE102005011298A1
Application number: DE200510011298
Authority: DE
Inventors: Christian Schmid
Original assignee: Gebrueder Schmid GmbH and Co
Current assignee: Gebrueder Schmid GmbH and Co
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-07
Also published as: CN101163823A; CN101163823B; EP1853752A1; WO2006094657A1

Abstract

Um das Ätzen von beispielsweise Leiterbahnstrukturen auf Leiterplatten (21) mit Ätzflüssigkeit zu verbessern, kann die Ätzflüssigkeit als Sprühnebel (17) o. dgl. auf die Leiterplatte (21) aufgesprüht werden. Über eine Kontaktierung an eine entsprechende Sprühvorrichtung (13, 14) an einen Pol und der Leiterplatte (21) an den anderen Pol einer Gleichspannungsquelle (23) kann der Ätzvorgang unterstützt und insbesondere beschleunigt werden.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ätzen von Substraten mit einer Sprühvorrichtung zum Aufsprühen von Ätzflüssigkeit auf das Substrat sowie ein Verfahren hierfür.

Es ist in der Galvano- und Oberflächenverfahrenstechnik bekannt, verschiedene Ätzbäder, beispielsweise Salzsäure bzw. Schwefelsäure, Peroxyd- und eisenhaltige sowie eisenfreie als auch alkalisch chemische Ätzbäder, zu verwenden. Dabei können anorganische oder organische Additivzusätze verwendet werden um Metall- oder Halbleitersubstrate sowie Kunststoffsubstrate mit chemisch und anschließend galvanisch metallisierten Substraten wie beispielsweise Leiterplatten, die sogenanntes Basiskupfer tragen, einer Ätzstrukturierung zu unterziehen. Ein ähnliches Ätzverfahren ist beispielsweise in der DE 23 64 162 A1 offenbart.

Damit werden beispielsweise Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte freigeätzt entsprechend einem Muster, welches durch einen aufgebrachten sogenannten Photoresist erzeugt worden ist. Bekannte Ätzverfahren erzeugen eine Querschnittsstruktur der übriggelassenen Leiter, welche an der Basis signifikant breiter ist als an der Oberseite. Um nun Leiterbahnstrukturen auf Leiterplatten dichter gepackt auszubilden, werden derartige trapezartige Querschnittsprofile als negativ angesehen, da sie zuviel Platz beanspruchen. Sie sollen möglichst vermieden werden.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung sowie ein eingangs genanntes Verfahren zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere ein Ätzvorgang von Substraten bzw. Leiterbahnstrukturen odgl. auf Substraten verbessert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Die Vorrichtung und das Verfahren werden teilweise gemeinsam erläutert, wobei diese Erläuterungen sowie die entsprechenden Merkmale dennoch unabhängig für Vorrichtung und Verfahren gelten. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch die ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen Sprühstrahl und somit Sprühflüssigkeit bzw. Sprühdüse einerseits und dem Substrat andererseits eine Spannung angelegt ist. Auf diese Art und Weise kann eine Art anodische bzw. Spannungs-unterstützte Verbesserung des Ätzprozesses erreicht werden. Es hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass dadurch zum einen der Ätzvorgang schneller durchgeführt werden kann, also weniger Zeit benötigt. Des weiteren hat sich herausgestellt, dass der Querschnitt von herausgeätzten Leiterbahnstrukturen steilere Flanken aufweist bzw. der Querschnitt einer als ideal angesehenen Rechteckform angenähert ist. Dieses Anlegen der zusätzlichen Spannung stellt keinen besonders großen Aufwand für eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. bei der Durchführung des Verfahrens dar.

Das Anlegen der Spannung kann einerseits dadurch erfolgen, dass ein Pol der Spannung bzw. der entsprechenden Spannungsquelle mit einem Teil der Sprühvorrichtung verbunden ist bzw. mit dieser kontaktiert ist. Hierfür können flüssigkeitsleitende Teile wie Rohre, vorzugsweise aus Metall wie beispielsweise Titan odgl., oder Sprühdüsen selber kontaktiert werden. Vorteilhaft jedoch sind die Sprühdosen aus Kunststoff gefertigt, sodass eine Kontaktierung eher über ein Leitungsrohr erfolgen sollte, beispielweise ein Leitungsrohr, von dem die Sprühdüsen abzweigen. Ebenso können Kontaktierungen im Inneren eines solchen Leitungsrohres als Einsätze odgl angeordnet sein. Auf diese Weise wird quasi der austretende bzw. von der Sprühvorrichtung ausgebrachte Sprühnebel oder die Sprühflüssigkeit bzw. Ätzflüssigkeit mit der Spannungsquelle kontaktiert.

Die zweite Kontaktierung kann gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erfolgen, dass das Substrat direkt elektrisch kontaktiert ist, beispielsweise über daran angebrachte Kontaktklammern, Kontaktrollen odgl.. Somit kann also das Substrat direkt elektrisch leitend mit einem Pol bzw. dem positiven Pol einer Spannungsquelle oder eines entsprechenden Potentials verbunden werden.

In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann, zur Vermeidung der vorgenannten aufwendigen Kontaktierung, eine Hilfselektrode verwendet werden, welche relativ nahe an dem Substrate angeordnet ist und anstelle von dessen direkter Kontaktierung mit der Spannungsquelle verbunden ist. Eine solche Hilfselektrode stellt dadurch eine elektrische Kontaktierung an das elektrische Substrat dar, dass sie vom gleichen Sprühnebel bzw. der Sprühflüssigkeit getroffen wird, welche auch das Substrat erreicht, und sich somit eine elektrische Kontaktierung ergibt. Ebenso kann die Hilfselektrode mit einem Sammelbad für die Ätzflüssigkeit verbunden sein bzw. darin zumindest teilweise eingetaucht sein, und über von den Substraten abfließende Ätzflüssigkeit die elektrische Kontaktierung dazu herstellen.

An einem Zuleitungsrohr können vorteilhaft mehrere Sprühdüsen angeordnet sein. Es ist möglich, diese manuell oder automatisch verstellbar auszugestalten für einen möglichst optimalen oder individuell anpassbaren Auftrag von Sprühflüssigkeit bzw. Ätzflüssigkeit auf ein Substrat.

Die verwendete Spannung kann entweder potentiostatisch sein, vorteilhaft mit einer konstanten Gleichspannungsquelle. Die Höhe der Spannung kann in einem Bereich einiger V liegen, vorteilhaft 10 V bis 15 V. Besonders vorteilhafte Ergebnisse hat eine Spannung von 12 V mit einem angelegten Strom von 0,1 A erbracht.

Alternativ zu einer vorgenannten potentiostatischen Spannung kann eine gepulste Spannung verwendet werden. Die Höhe der Spannungsimpulse sollte dabei in etwas im vorgenannten Bereich liegen. Die Form der Spannungsimpulse kann im wesentlichen gleich bleiben, was den Ansteuerungsaufwand für die Spannungsquelle verringert. Unter Umständen kann es hier jedoch auch vorteilhaft vorgesehen sein, die Spannungsimpulse ebenso wie die Höhe einer angelegten Spannung im Verlauf des Ätzverfahrens zu ändern, beispielsweise um den Ätzvorgang noch gezielter und punkt- sowie zeitgenauer beeinflussen zu können für ein optimales Ätzergebnis. Insbesondere zum Ende des Ätzvorganges hin werden nämlich die vorgenannten Flanken der Leiterbahnstrukturen ausgebildet bzw. beeinflusst, sodass dieser Zeitraum besonders bedeutsam ist.

Des weiteren ist es auch möglich, den Ätzvorgang galvanostatisch zu betreiben. Damit ist es in der Regel besser möglich, den Ätzvorgang besser und feiner zu steuern bzw. zu beeinflussen. Insbesondere die Thermodynamik des Ätzprozesses kann dadurch besser beeinflust werden.

Die Anordnung der Substrate während des Sprühvorgangs bzw. Ätzvorganges kann entweder vertikal sein, insbesondere hängend. Alternativ können die Substrate horizontal gelagert sein und beispielsweise auf einer Rollenbahn odgl. transportiert werden.

Als Ätzflüssigkeit kann CuCl verwendet werden. Dieses wird mit abgeätztem Kupfer von den Substraten bzw. Leiterbahnstrukturen zu Cu₂Cl₂.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Funktionsdarstellung einer Ätzvorrichtung mit vertikal angeordnetem Substrat und
2 eine alternative Ausbildung einer Ätzvorrichtung mit horizontal angeordneten Substraten auf einer Rollenbahn über einem Ätzbadsumpf sowie einer Hilfsanode
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Ätzvorrichtung 11. Sie weist eine Sprühvorrichtung 13 auf, welche aus einem geraden Leitungsrohr 14 mit mehreren Sprühdüsen 15 besteht. Zur Versorgung der Sprühvorrichtung 13 mit Sprühflüssigkeit bzw. Ätzflüssigkeit 16, welche aus dieser als Sprühnebel 17 ausgetragen wird, ist eine Pumpe 19 vorgesehen. Diese saugt die Sprühflüssigkeit aus einer Sammelwanne 26 odgl. ab.
Vor der Sprühvorrichtung 13 und im Auftreffbereich des Sprühnebels 17 befindet sich ein Substrat 21, und zwar vertikal angeordnet. Es ist derart angeordnet, dass es im wesentlichen gleichmäßig von dem Sprühnebel 17 und somit der Ätzflüssigkeit aus den Sprühdüsen 15 getroffen wird. Dabei erfolgt der Ätzvorgang, auf den hier nicht genauer eingegangen werden muss.
Das Leitungsrohr 14 ist mit dem Minus-Pol einer Spannungsquelle 23 verbunden. Es besteht aus Metall, beispielsweise Titan, sodass es insgesamt elektrisch leitend ist und die hindurchtretende Sprühflüssigkeit bzw. Ätzflüssigkeit 16 mit dem Minus-Pol der Spannungsquelle 23 kontaktiert ist. Das Substrat 21 wiederum ist über eine schematisch dargestellte Kontaktklemme 24 mit dem Plus-Pol der Spannungsquelle 23 verbunden. Somit erfolgt also ein potential-beaufschlagtes Ätzen, wenn die mit dem Minus-Pol verbundene Sprühflüssigkeit 17 auf das Substrat 21 auftrifft. Dieser Vorgang kann auch als Sprüh-Ätzelektrolyse angesehen werden.
Die Ausbildungsmöglichkeiten für die Spannungsquelle 23 sind vorstehend bereits beschrieben worden und gelten auch für das Ausführungsbeispiel gemäß 1. Die Kontaktklemmen 24 können gleichzeitig eine Halterung für das Substrat 21 sein bzw. dieses in der vertikalen Stellung halten. Eine solche Kontaktklemme 24 kann an einer Verfahrschiene odgl. angeordnet sein, wodurch mehrere Substrate 21 nacheinander für den Sprühätzvorgang vor die fest angeordnete Sprühvorrichtung 13 gebracht werden können.
Eine alternative Ausbildung einer Ätzvorrichtung 111 ist in 2 dargestellt. Sie unterscheidet sich einerseits vor allem dadurch von der vorgenannten, dass das Substrat 121 horizontal bzw. flach liegend geätzt wird, wobei es auf einer Rollenbahn 122 transportiert wird.
Die entsprechende Sprühvorrichtung 113 verläuft ebenfalls horizontal und besteht wiederum aus einem Leitungsrohr 14 mit angesetzten Sprühdüsen 115. Das Leitungsrohr 114 ist wiederum mit dem Minus-Pol einer Spannungsquelle 123 verbunden. Die Versorgung mit Ätzflüssigkeit 116 erfolgt wiederum über eine Pumpe 119, sodass aus den Sprühdüsen 115 Sprühnebel 117 mit der Ätzflüssigkeit 116 austritt.
Des weiteren befindet sich das Substrat 121 in einer Art Sprühätzkammer mit darunter angeordneter Sammelwanne 126. In dieser Sammelwanne 126 ist eine Hilfsanode 128 angeordnet. Diese ist mit dem Plus-Pol der Spannungsquelle 23 verbunden. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, ähnlich wie in 1 eine direkte elektrische Kontaktierung an das Substrat 121 vorzunehmen. Ebenso kann eine solche Hilfselektrode 128 in 1 implementiert sein.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Ätzvorgang samt Funktion der Spannungsquelle 123 wie eingangs erläutert, also entweder potentiostatisch oder mit Spannungsimpulsen.
Neben der Verwendung für das Ätzen von Leiterbahnstrukturen auf Leiterplatten oder ähnlichen Substraten kann die Erfindung auch für sonstige Ätzvorgänge eingesetzt werden, also beispielsweise in der Leiterplattenindustrie zum Rückdünnen des Leiterplattenkupfers, ebenso in der allgemeinen Metallveredelung das Ätzen von Metallen wie beispielsweise Edelstahl oder andere Metalllegierungen.

Claims

Vorrichtung zum Ätzen von Substraten (21, 121), insbesondere von Substraten in der Leiterplattenindustrie, mit einer Sprühvorrichtung (13, 113) zum Sprühen von Ätzflüssigkeit auf das Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sprühstrahl (17, 117) bzw. Sprühdüse (15, 115) und dem Substrat (21, 121) eine Spannung angelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Anlegen der Spannung ein Teil der Sprühvorrichtung (13, 113), insbesondere ein flüssigkeitsleitendes Teil wie Rohre (14, 114) oder Sprühdüsen (15, 115), mit einem ersten Pol, insbesondere dem negativen Pol, der Spannung bzw. einer Spannungsquelle (23, 123) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Anlegen der Spannung das Substrat (21) elektrisch kontaktiert und mit einem zweiten Pol, insbesondere dem positiven Pol, der Spannung bzw. einer Spannungsquelle (23) verbunden ist, vorzugsweise mittels einer Kontaktklammer (24).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Hilfselektrode (128), die ebenso wie die Sprühvorrichtung (113) mit einem ersten Pol, insbesondere dem negativen Pol, der Spannung bzw. einer Spannungsquelle (23) verbunden ist, wobei vorzugsweise die Hilfselektrode (128) gitterförmig ist und von der aufgesprühten Ätzflüssigkeit (116) getroffen wird oder in einem Sammelbad (126) für die Ätzflüssigkeit angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (13, 113) mindestens ein Zuleitungsrohr (14, 114) zu mindestens einer Sprühdüse (15, 115) aufweist, wobei das Zuleitungsrohr mit dem ersten Pol der Spannung bzw. einer Spannungsquelle (23, 123) verbunden ist und aus Metall besteht, wobei vorzugsweise eine Sprühdüse aus Kunststoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Zuleitungsrohr (14, 114) mehrere Sprühdüsen (15, 115) angeordnet sind zum Ausbringen der Ätzflüssigkeit (16, 116), wobei sie insbesondere verstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung bzw. die Spannungsquelle (23, 123) potentiostatisch ist, insbesondere mit einer Spannung von 10 V bis 15 V, vorzugsweise 12 V.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung bzw. die Spannungsquelle (23, 123) zur Erzeugung einer gepulsten Spannung ausgebildet ist, insbesondere mit im wesentlichen gleichbleibenden Spannungspulsen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (21) im wesentlichen aufrecht bzw. vertikal verlaufend angeordnet sind für den Sprühvorgang.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (121) im wesentlichen horizontal angeordnet sind für den Sprühvorgang.
Verfahren zum Ätzen von Substraten, insbesondere von Substraten in der Leiterplattenindustrie, wobei auf die Substrate (21, 121) eine Ätzflüssigkeit (16, 116) aufgebracht bzw. aufgesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sprühstrahl (17, 117) bzw. Sprühdüse (15, 115) oder Ätzflüssigkeit und dem Substrat (21, 121) eine Spannung (23, 123) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung angelegt wird zwischen einem Teil einer Sprühvorrichtung (13, 113), insbesondere einem flüssigkeitsleitenden Teil wie einem Rohr (14, 114) oder einer Sprühdüse (15, 115), und dem Substrat (21, 121).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (21) direkt mit der Spannung bzw. einer Spannungsquelle (23) verbunden wird, vorzugsweise über eine direkte elektrische Kontaktierung in Form von Kontaktklammern (24) oder dergleichen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (121) indirekt bzw. über eine Hilfselektrode (128), die von der Ätzflüssigkeit (116) besprüht oder berührt wird nach deren Auftreffen auf das Substrat (121), mit der Spannung bzw. einer Spannungsquelle (123) kontaktiert ist, wobei insbesondere eine Hilfselektrode (128) flächig ausgedehnt oder gitterförmig ist und von der aufgesprühten Ätzflüssigkeit getroffen wird oder in ein Sammelbad (126) für die Ätzflüssigkeit reicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichspannung (23, 123) angelegt wird, insbesondere eine konstante Gleichspannung in einem Bereich zwischen 10 V und 15 V, vorzugsweise etwa 12 V.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulste Spannung (23, 123) angelegt wird, wobei vorzugsweise die Spannungspulse im wesentlichen die gleiche Höhe erreichen und/oder gleiche Form aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (21) im wesentlichen aufrecht gehalten werden während des Sprühvorgangs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (121) während des Sprühvorgangs im wesentlichen horizontal gehalten werden.