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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrochemischen
Bearbeitung von Substraten gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Patentansprüche.
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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.
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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.
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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.
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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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.
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Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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Selbstverständlich
ist jedoch statt der runden Ausgestaltung der Vertiefungen auch
eine andere Form denkbar, wie beispielsweise eine ovale oder eckige
Gestaltung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Daraufhin
wird das Werkzeug zurück in die Ausgangsposition gefahren,
so dass die vereinzelten Bauteile des Substrats entnommen bzw. weiterverarbeitet
werden können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10318732
A1 [0002]
- - DE 10235020 A1 [0003]
- - DE 102006030323 A1 [0004]