DE102009000073A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Substraten - Google Patents

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung beschrieben, mit dessen Hilfe ein Substrat elektromechanisch bearbeitet wird. Dabei wird mittels eines ebenfalls leitfähigen Werkzeugs aus der Oberfläche eines leitfähigen Substrats Material abgetragen. Die Abtragung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur, die in das Werkzeug eingearbeitet ist. Kern der Erfindung ist, dass das Substrat und das Werkzeug während des elektrochemischen Ätzvorgangs aufeinander zu bewegt werden. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass entweder das Substrat oder das Werkzeug lokal fixiert wird, während lediglich das Gegenstück bewegt wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dabei lediglich das Werkzeug auf das Substrat zu bewegt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Substraten gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Aus der DE 103 18 732 A1 ist ein elektrochemisches Verfahren zur Metallbearbeitung bekannt, bei dem ein zu bearbeitendes Werkstück in ein Elektrolyt zwischen zwei Elektroden angeordnet wird. Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt dabei durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden, so dass ein Materialabtrag an dem Werkstück bewirkt wird.
  • Auch eine großflächige Bearbeitung von Halbleiterscheiben ist durch ein elektrochemisches Verfahren möglich. So wird in der DE 102 35 020 A1 eine hierzu geeignete Vorrichtung gezeigt. Dabei ist der gesamte Ätztrog um eine Achse verschwenkbar, um Kippbewegungen durchführen zu können.
  • Aus der DE 10 2006 030 323 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung einer metallischen Substratoberfläche bekannt. Dabei wird ein festes Ionen leitendes Material aufweisendes Werkzeug in Kontakt mit der metallischen Substratoberfläche gebracht. Wird zwischen der Substratoberfläche und dem Werkzeug ein elektrisches Potential angelegt, können die Metallionen der Bereiche, in denen das Werkzeug mit der Substratoberfläche in Berührung tritt, durch das Werkzeug von der Substratoberfläche abgezogen werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung beschrieben, mit dessen Hilfe ein Substrat elektrochemisch bearbeitet wird. Dabei wird mittels eines ebenfalls leitfähigen Werkzeugs aus der Oberfläche eines leitfähigen Substrats Material abgetragen. Die Abtragung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur, die in das Werkzeug eingearbeitet ist. Kern der Erfindung ist, dass das Substrat und das Werkzeug während des elektrochemischen Ätzvorgangs aufeinander zu bewegt werden. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass entweder das Substrat oder das Werkzeug lokal fixiert wird, während lediglich das Gegenstück bewegt wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dabei lediglich das Werkzeug auf das Substrat zu bewegt.
  • Durch die Bewegung kann vorteilhafterweise der Materialabtrag in dem Substrat gezielt gesteuert werden, in dem der Abstand zwischen der Oberflächenstruktur des Werkzeugs und der durch den Abtrag im Substrat entstandenen Ausnehmung vermindert wird. Darüber hinaus ist durch die Steuerung der Bewegung auch eine mehr oder weniger scharfe (laterale) Abbildung der Oberflächenstruktur auf dem Substrat möglich, indem hierdurch die Zeit zur lokalen Abtragung gesteuert wird. So wird beispielsweise bei einer längeren Einwirkung ein größerer lateraler Bereich geätzt.
  • Durch die im Werkzeug befindliche Oberflächenstruktur kann weiterhin ein strukturierter und zielgerichteter Materialabtrag erreicht werden. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die Steuerung der Bewegung des Werkzeugs relativ zum Substrat ein weitgehend senkrecht zur Substratoberfläche ausgebildeten Materialabtrag ermöglicht.
  • Besonders vorteilhaft ist ebenfalls, dass durch das zielgerichtete Abtragen des Substratmaterials eine Vereinzelung des Substrats erfolgen kann. Durch eine geeignete Oberflächenstrukturierung des Werkzeugs kann dabei das Substrat gleichzeitig in eine Vielzahl von Teilsubstraten getrennt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Substrat komplett von der Vorderseite bis zur Rückseite durchgeätzt wird.
  • So ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auf dem Substrat zunächst eine Vielzahl von Sensorelemente erzeugt bzw. aufgebracht werden, bevor der Materialabtrag erfolgt. Dabei kann der Materialabtrag sowohl direkt auf der den Sensorelementen gegenüberliegenden Seite des Substrats erfolgen oder auch bewusst den Bereich der Sensorelemente aussparen bzw. einschließen.
  • Zur Erzeugung von geeigneten Ausnehmungen in dem Substrat ist vorgesehen, die Oberflächenstruktur des Werkzeugs mit Vorsprüngen und Vertiefungen auszustatten, wobei der Materialabtrag auf dem Substrat im Wesentlichen im Bereich der Vorsprünge erfolgt. Zur kompletten Durchätzung des Substrats ist dabei notwendig, dass die Vertiefungen wenigstens eine Tiefe aufweisen, die der Dicke des Substrats entspricht.
  • Zur Erzeugung von tiefen Ausnehmungen ist vorgesehen, dass das Werkzeug, insbesondere mit seinen Vorsprüngen, in die durch den Materialabtrag erzeugten Ausnehmungen im Substrat eingeschoben wird. Dabei können vorteilhafterweise die Ätzbedingungen am Boden der Ausnehmung beibehalten werden, um tiefe Löcher zu erzeugen.
  • Um die Ätzbedingungen zu steuern bzw. konstant zu halten, kann vorgesehen sein, den Strom und/oder die Konzentration des Elektrolyten in Abhängigkeit von der Entfernung des Werkzeugs vom Substrat zu variieren. Dabei ist insbesondere bei der Herstellung von tiefen Löchern im Substrat eine Anpassung der Ätzbedingungen vorteilhaft, um den Materialabtrag am Boden der Löcher voran zu treiben.
  • In einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, das Substrat als erste Elektrode und das Werkzeug als zweite Elektrode für den elektrochemischen Ätzvorgang zu benutzen. Dabei werden beide Teile z. B. direkt mit der elektrischen Spannungsversorgung verbunden.
  • Allgemein ist vorgesehen, dass das Substrat und das Werkzeug während des Ätzvorgangs keinen direkten Kontakt aufweisen. Würde dagegen stellenweise eine Kontakt zwischen Substrat und Werkzeug erfolgen, würde an dieser Stelle ein Stromfluss stattfinden wodurch die Elektrolyse gestoppt würde. Um jedoch eine großflächige und gleichmäßige Abtragung zu ermöglich, ist darauf zu achten, dass das Substrat und das Werkzeug keinen direkten (elektrischen) Kontakt aufweisen.
  • Insgesamt erlaubt die vorliegende Erfindung eine Verkürzung des Ätzvorgangs, da eine großflächige Bearbeitung des Substrats möglich wird. So ist beispielsweise möglich, gleichzeitig eine Vielzahl von Elementen aus dem Substrat durch eine gleichzeitige Vereinzelung zu erzeugen. Diese Vereinzelung erspart auch die bisherigen Vereinzelungsverfahren wie beispielsweise das Zersägen, bei dem Späne oder Metallspritzer entstehen, die die auf dem Substrat befindlichen Dünnschicht bzw. Sensor- oder Schaltungselemente beeinträchtigen könnten. Darüber hinaus wird durch den Ätzvorgang auch keine mechanische Spannung auf das Substrat übertragen, so dass es zu keiner Verformung der vereinzelten Bauteile durch den Vereinzelungsprozess kommt. Weiterhin wird durch den Ätzvorgang ein geringerer Wärmeeintrag in das Substrat erzeugt, so dass die auf dem Substrat befindlichen dünnen Schichten oder Sensor- bzw. Schaltungselemente weniger belastet werden. Schlussendlich ist mit dem Ätzvorgang eine höhere Oberflächengüte bei den erzeugten Ausnehmungen erzeugbar, da der Materialabtrag gegenüber einem Säge- oder Bohrprozess homogener stattfindet.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Zeichnungen
  • In der 1a und b ist beispielhaft ein Werkzeug zur Vereinzelung eines Substrats in Aufsicht und Querschnitt dargestellt. Die 2a bis f zeigen das erfindungsgemäße Verfahren zur Vereinzelung eines Substrats mittels eines elektrochemischen Ätzvorgangs. 3 stellt eine Sensorelement dar, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches in den 4a bis d beschrieben wird, erzeugt werden kann.
  • Ausführungsbeispiel
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, Dünnschichtelemente z. B. Sensoren oder Schaltungsteile, die auf einer Substratplatte im Nutzen gefertigt werden, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer hierzu geeigneten Vorrichtung zu vereinzeln. üblicherweise erfolgt diese Vereinzelung bisher durch eine Säge-, Ritz- oder auch Laserschneid-Prozess, bei dem Schnittabfälle wie Späne oder Metallspritzer die erzeugten Dünnschichtelemente beschädigen oder kontaminieren können. Zudem müssen die einzelnen Vereinzelungsstrukturen mit den erwähnten Prozessen einzeln abgefahren werden, so dass eine derartige Vereinzelung sehr zeitintesiv ist.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann ein Substrat großflächig zerteilt werden, indem ein elektrochemischer Ätzvorgang verwendet wird, der gleichzeitig alle Vereinzelungsschnitte bearbeitet. Hierzu ist notwendig, dass sowohl das Werkzeug als auch das Substrat elektrisch leitfähig ist. Beispielhaft ist in 1a die Aufsicht auf ein derartiges Werkzeug 100 dargestellt, welches eine Oberflächenstruktur 130 aufweist. In dem Querschnitt entlang AA' ist deutlich zu erkennen, dass die runden Vertiefungen durch das gesamte Werkzeug führen.
  • Selbstverständlich ist jedoch statt der runden Ausgestaltung der Vertiefungen auch eine andere Form denkbar, wie beispielsweise eine ovale oder eckige Gestaltung.
  • Darüber hinaus ist auch möglich, die Vertiefung nicht durchgehend durch das Werkzeug zu führen. So können die Vertiefungen auch auf einer Seite des Werkzeugs geschlossen sein, solange die Vertiefungen das Substrat vollkommen aufnehmen können.
  • In den 2a bis f ist schematisch ein Verfahren gezeigt, bei dem ein Substrat 120 mittels eines Werkzeugs 100 von der Rückseite 150 in einzelne Teilstücke vereinzelt wird. Dabei kann eine Strukturierung des Werkzeugs gemäß der 1a verwendet werden, um runde Elemente aus dem Substrat abzutrennen. Diese runden Elemente, die auf der Vorderseite 140 dünne Schichten, Sensorelemente oder auch Schaltungsteile aufweisen, können anschließend separat weiterverarbeitet werden.
  • Zunächst werden das Substrat 120, z. B. eine Stahlplatte und das Werkzeug 100 in ein geeignetes Elektrolyt gelegt, in dem der Ätzvorgang abläuft. Zum Start des elektrochemischen Ätzvorgangs wird eine Spannung an das Substrat und das Werkzeug angelegt, so dass das Substratmaterial lokal elektrochemisch abgetragen werden kann. Wie in 2a dargestellt, werden das Substrat und das Werkzeug anfangs in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet. Nach Anlegen der Spannung erfolgt ein Annähern der beiden Teile. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das Substrat ortsfest fixiert ist, während das Werkzeug auf das Substrat zu bewegt wird. Es ist jedoch auch möglich, nur das Substrat oder auch beide Teile zu bewegen.
  • Wie anhand der 2b bis d zu erkennen ist, wird aus dem Substrat 120 an den Stellen Material abgetragen, an dem die Oberflächenstruktur des Werkzeugs Erhebungen bzw. Vorsprünge aufweist und somit eine geringere Entfernung zum Substrat aufweist, so dass dort der Materialabtrag am größten ist. In die so im Substrat erzeugten Löcher bzw. Ausnehmungen wird im Folgenden das Werkzeug eingeführt.
  • Der Ätzvorgang und somit die Vereinzelung wird beendet, wenn das Substrat 120 vollkommen durchgeätzt worden ist, d. h. wenn die Vorsprünge des Werkzeugs 100 komplett die Dicke 160 des Substrats 120 durchgedrungen haben (siehe 2d).
  • Daraufhin wird das Werkzeug zurück in die Ausgangsposition gefahren, so dass die vereinzelten Bauteile des Substrats entnommen bzw. weiterverarbeitet werden können.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren dazu benutzt, Sensorelemente wie in 3 dargestellt zu erzeugen. Das Sensorelement weist dabei auf der Vorderseite 440 eines Substrats 300 eine Dünnschicht 320 auf, mit deren Hilfe Schaltungselemente oder piezoresisitive Widerstände realisiert werden können. Durch das Einbringen einer Kavität 360 von der Rückseite kann auf der Vorderseite des Sensorelements eine Membran 310 erzeugt werden. Wird die Membran durch eine Druckbeaufschlagung verbogen, kann über die Piezowiederstände ein Druck erfasst werden. Mit den gestrichelten Linien 350 sind die Vereinzelungsschnitte gezeigt, die notwendig sind, wenn derartige Sensorelemente im Nutzen, d. h. großflächig auf einem Substrat, z. B. einem Stahl hergestellt werden.
  • Während üblicherweise Kavitäten in Metall- oder Stahlsubstraten mittels Bohr-, Dreh- oder Fräsprozessen erzeugt werden, erfolgt die Bildung der Kavität nach der vorliegenden Methode ausschließlich über den Materialabtrag eines elektrochemischen Ätzvorgangs. Dabei wird zunächst auf die Vorderseite 440 des Substrats 420 eine geeignete Dünnschicht aufgebracht, die beispielsweise Piezowiderstände und/oder (Auswerte-)Schaltungselemente enthält. Anschließend werden von der Rückseite 450 des Substrats 420 eine Vielzahl von Kavitäten 460 in das Substrat eingeätzt, wie es die 4a bis d zeigen. Dabei werden Membranen 410 gebildet, die unterhalb der aufgebrachten Dünnschicht liegen. Es ist jedoch auch denkbar, dass zunächst die Kavitäten 460 in dem Substrat erzeugt werden und erst anschließend die Dünnschicht aufgebracht wird.
  • Wie bereits bei der Vereinzelung des ersten Ausführungsbeispiels ausgeführt wird bei der Herstellung der Kavitäten das Substrat 420 und das Werkzeug 400 zunächst in einer gewissen Entfernung in einer Elektrolytlösung angeordnet (siehe 4a). Nach dem Verbinden des Substrats und des Werkzeugs mit einer elektrischen Spannungsquelle wird der elektrochemische Ätzvorgang in Gang gesetzt. Aufgrund des dabei entstehenden elektromagnetischen Feldes erfolgt der größte Materialabtrag an den Stellen, die den geringsten Abstand zwischen Substrat und Werkzeug aufweisen. Um jedoch einen zielgerichteten Materialabtrag zu erreichen, ist es notwendig, das Werkzeug mit den Vorsprüngen 470 auf das Substrat zu zu bewegen (siehe 4b). Durch diese Bewegung wird in dem Substrat eine Ausnehmung erzeugt, die bei geeigneter Ausgestaltung der Vorsprünge 470 eine Kavität 460 ausbildet. Zur Erzeugung der Membran 410 in dem Sensorelement ist im Gegensatz zum vorherig beschriebenen Vereinzelungsverfahren nicht vorgesehen, das gesamte Substrat der Dicke nach durchzuätzen. Vielmehr wird der Ätzvorgang gezielt abgebrochen, wenn die gewünschte Membrandicke erreicht wird (siehe 4c). Nach dem Zurückfahren des Werkzeugs 400 entsteht somit ein Substrat 420, welches eine Vielzahl von gleichzeitig geätzten Kavitäten 460 aufweist. Zur Vereinzelung der einzelnen Sensorelemente kann nachfolgenden ein konventionelles Trennverfahren mittels Säge, Fräse oder Laser verwendet werden. Vorteilhafter ist jedoch, ein Vereinzelungsverfahren nach dem ersten Ausführungsbeispiel zu verwenden. Hierzu ist lediglich das Werkzeug 400 gegen ein geeignetes Werkzeug 100 auszutauschen und auf das Substrat 420 auszurichten.
  • Es sei zu erwähnen, dass bei der Erzeugung von Kavitäten gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wesentlich ist, dass die Vorsprünge 470 des Werkzeugs 400 auf die im Vorfeld erzeugten Dünnschichtbereiche auf der Vorderseite 440 des Substrats 420 ausgerichtet sind.
  • Zur Steuerung des Ätzvorgangs kann bei abnehmender Entfernung des Werkzeugs zum Substrat bzw. beim Eindringen des Vorsprungs in das Substrat eine Anpassung der Ätzbedingungen erfolgen. So ist beispielsweise denkbar, den Strom oder die Konzentration der Elektrolyt-Lösung an den Ätzfortschritt anzupassen.
  • Um eine möglichst gleichmäßige Materialabtragung über das gesamte Substrat zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Bewegung des Werkzeugs auf das Substrat zu an die Geschwindigkeit der Materialabtragung angepasst wird, so dass kein direkter Kontakt zwischen den beiden Elektroden erfolgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 10235020 A1 [0003]
    • - DE 102006030323 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Substrats, mit – einem leitfähigen Substrat (120, 420) und – einem leitfähigem Werkzeug (100, 400), wobei – das Werkzeug eine Oberflächenstruktur (130) aufweist, und – die Bearbeitung des Substrats ausgehend von dem Werkzeug mittels eines elektrochemischen Ätzvorgangs erfolgt, und – mittels des Ätzvorgangs in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur des Werkzeugs Material von der Oberfläche des Substrats abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des elektrochemischen Ätzvorgangs das Substrat und das Werkzeug aufeinander zu bewegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ätzvorgangs das Werkzeug oder das Substrat lokal fixiert bleibt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Werkzeug auf das Substrat zu bewegt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Oberflächenstruktur des Werkzeugs ein zielgerichteter Materialabtrag von dem Substrat erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Materialabtrag weitestgehend senkrecht zur Substratoberfläche erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zielgerichtete Materialabtrag eine Vereinzelung des Substrats in eine Vielzahl von Teilsubstraten führt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das Substrat der Dicke nach komplett durchgeätzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf der Vorderseite (140, 440) eine Vielzahl von in oder auf dem Substrat erzeugten Sensorelementen enthält, wobei vorgesehen ist, dass der Materialabtrag vom Substrat – um die Sensorelemente herum und/oder – im Wesentlichen auf der Rückseite (150, 450) des Substrats gegenüber den Sensorelementen erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur des Werkzeugs Vorsprünge und Vertiefungen aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Vertiefungen eine Tiefe aufweisen, die wenigstens der Dicke (160) des Substrats entsprechen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug bei fortgeschrittenem Materialabtrag wenigstens teilweise in das Substrat geschoben wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Vorsprünge in die vom Materialabtrag erzeugten Löcher im Substrat eingeschoben werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom und/oder die Konzentration der Elektrolyt-Lösung in Abhängigkeit von der Entfernung des Werkzeugs vom Substrat variiert wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Entfernung von der Vertiefung des Werkzeugs zur Substratoberfläche berücksichtigt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine erste Elektrode und das Werkzeug eine zweite Elektrode für den elektrochemischen Ätzvorgang darstellt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass während des Ätzvorgangs ein direkter Kontakt zwischen Substrat und Werkzeug vermieden wird.
  10. Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung eines Substrats nach einem der Verfahren der Ansprüche 1 bis 9, mit – einem leitfähigen Substrat (120, 420) und – einem leitfähigem Werkzeug (100, 400), wobei – das Werkzeug eine Oberflächenstruktur (130) aufweist und – die Bearbeitung des Substrats ausgehend von dem Werkzeug mittels eines elektrochemischen Ätzvorgangs erfolgt, und – mittels des Ätzvorgangs in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur des Werkzeugs Material von der Oberfläche des Substrats abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Bewegungsmittel vorgesehen sind, die während des elektrochemischen Ätzvorgangs das Substrat und das Werkzeug aufeinander zu bewegen.
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