DE102014102550A1

DE102014102550A1 - Elektroden geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen

Info

Publication number: DE102014102550A1
Application number: DE102014102550.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: WINKELMANN, CORD, DR., DE
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-08-27
Also published as: EP3110990A2; WO2015128501A2; WO2015128501A3

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektrode, geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend ein Substrat, welches wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrates aufweist, oder ein Substrat, welches eine leitfähige Substratschicht ausbildet, wobei wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der wenigstens einen ersten Leitungsschicht oder der leitfähigen Substratschicht ausgebildet ist, wobei die erste Isolierungsschicht die wenigstens eine erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist. Dabei weist das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form aufweist oder ist plastisch oder elastisch verformbar. Ein weiterer Aspekt betrifft eine mehrlagige Elektrode sowie eine Elektrode, die ein fluidischen Kanal aufweist, dessen Durchflussfläche sich in Längserstreckungsrichtung vergrößert oder verkleinert.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft Elektroden, die für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen geeignet sind.
Stand der Technik
Zur Bearbeitung und zum Strukturieren von metallischen Oberflächen auf Werkstoffen können verschiedene Verfahren herangezogen werden. Bekannte Verfahren umfassen das thermische Abtragen des Werkstoffes, wie beispielsweise in der Laserstrukturierung, mechanische Bearbeitungsprozesse wie z.B. beim Mikrofräsen, sowie lithografische Techniken mit anschließender Ätzung. Diese Verfahren bringen Nachteile mit sich und sind oft nur begrenzt anwendbar.
Thermische Abtragungsprozesse (wie beispielsweise Laserstrukturierung) haben den Nachteil, dass sie das Bauteil thermisch beeinflussen und damit nicht für gehärtete Stähle geeignet sind. Das gleiche trifft für die mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Mikrofräsen, zu. Bei der in der Mikrosystemtechnik häufig angewandten Lithografie mit anschließender Ätzung gibt es große Herausforderungen bei gekrümmten Oberflächen, insbesondere wenn mehrere Strukturen im Submikrometer-Bereich präzise zueinander ausgerichtet werden müssen.
Diese präzise Ausrichtung von Mikro-und Nanostrukturen ist besonders in der Mikro- und Nanosystemtechnik ein wichtiger Faktor.
Im Gegensatz zu den oben erwähnten Verfahren beruhen elektrochemische Verfahren, sogenannte Electrochemical Machining-Prozesse (ECM) beziehungsweise Electrochemical Micro-Machining-Prozesse (EMM), auf dem elektrochemischen Abtrag von metallischem Material der zu strukturierenden Oberfläche. Bei diesen Methoden, welche auch Elektrostrukturierungs-Verfahren genannt werden, wird der Werkstoff als Anode geschaltet und in eine Elektrolytlösung gegeben. Der erwünschte Materialabtrag wird damit erreicht, dass zwischen dem als Anode kontaktierten Werkstoff und einer separaten Kathode eine ausreichende Spannung angelegt wird, welche zu entsprechenden Stromdichten führt. Durch die Elektrolytlösung kommt es zur Bildung von Metallionen, welche über eine elektrochemische Reaktion eine Abtragung des Oberflächenmaterials am Werkstück bewirken. Das Elektrostrukturierungs-Verfahren erlaubt im Gegensatz zu den thermischen, mechanischen und lithografischen Verfahren die Bearbeitung des Werkstoffes bei Raumtemperatur, womit ein Härteverlust vermieden wird, was beispielsweise bei der Bearbeitung gehärteter Stähle auftreten kann. Eine typische Anwendung des Elektrostrukturierungs-Verfahrens von Werkstoffen im großen Maßstab ist beispielsweise die Herstellung von Turbinenschaufeln. In den letzten Jahren wurde vermehrt nach verschiedenen Ansätzen gesucht, diesen Prozess zur Herstellung von Mikrostrukturen anzupassen. In diesem Zusammenhang sind besonders die Verfahren der Elektrostrukturierung mit Maske (Through-Mask EMM) und das maskenlose Elektrostrukturieren mit strukturierender Gegenelektrode zu nennen.
Beim Elektrostrukturieren nach Maske (Through-Mask EMM) wird die Oberfläche des Werkstoffes (die Anode) über ein photo-lithographisches Verfahren beziehungsweise über ein Siebdruckverfahren mit einer Maske versehen. Der Materialabgang wird über einen Elektrolyten-Strom ermöglicht, welcher zwischen Anode und Kathode durch einen Elektrolyten fließt, und findet dabei ausschließlich nur an den Stellen statt, wo diese Maske Durchbrechungen aufweist. Im Falle einer Serienanfertigung müssen hierbei alle zu strukturierenden Oberflächen zunächst maskiert werden, was kosten- und zeitintensiv ist. Ein weiterer erheblicher Nachteil dieses Verfahrens ist die erhöhte Streuung des elektrischen Feldes auf dem Werkstück. Dies kann dazu führen, dass sich die einzelnen Strukturen gegenseitig beeinflussen und die laterale Auflösung unzureichend gering ausfällt (vergleiche beispielsweise EP 1368152 B1 ).
Eine Abwandlung des Elektrostrukturierens mit Maske stellt das maskenlose Elektrostrukturieren mit strukturierter Gegenelektrode dar. Das technische Prinzip dieses Elektrostrukturier-Verfahrens ist vergleichbar mit dem der Through-Mask EMM, jedoch befindet sich hier das Photoresist-(Fotolack-)Material und somit die elektrische Isolierung auf der Kathode. Der Abstand der Kathode zum Anoden-geschalteten Werkstück kann hier zwischen 20 μm bis 500 μm betragen und wird über eine mechanische Halterung realisiert. Auch bei diesem Verfahren kann es durch die lokale Ausprägung des elektrischen Feldes zu ungewollten Strukturtopographien kommen. Zudem sind gegebenenfalls erwünschte Variationsmöglichkeiten von Strukturen auf dem Werkstück stark eingegrenzt, da der Materialabgang nur lokal stattfindet. Verfahren zum maskenlosen Elektrostrukturieren mit strukturierter Gegenelektrode sind beispielsweise in EP 1778895 A1 , beschrieben.
Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren weisen häufig aufwändige und teure Verfahrensschritte bzw. Equipments auf. Um einen Härteverlust bei der Strukturierung zu vermeiden, werden häufig Elektrostrukturierungs-Verfahren eingesetzt. Allerdings sind diese im Stand der Technik bekannten Elektrostrukturierungs-Verfahren bei der Strukturierung gekrümmter Werkstoffe, wie beispielsweise Rohre, limitiert. Aufgrund der Krümmung ist der Abstand zwischen der Anode (zu behandelnder Werkstoff) und der entsprechenden Gegenelektrode (Kathode) unterschiedlich groß, so dass das elektrische Feld lokal ungleichmäßig verteilt ist und dies zu ungenauen und unscharfen Strukturierungen, insbesondere an den Rändern, führt. Weiterhin nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass nicht beliebig viele Strukturen gleichzeitig eingebracht und unterschiedliche Strukturen exakt zueinander ausgerichtet hergestellt werden können. Auch sind die Strukturtiefen nicht variabel einstellbar.
Die oben genannten Probleme werden durch die erfindungsgemäßen Elektroden gelöst. Die erfindungsgemäße Elektrode ermöglicht es, eine Strukturierung von gekrümmten Werkstoff-Oberflächen auf sehr einfache Art und Weise bereitzustellen. Weiterhin können verschiedene unterschiedliche Strukturen mit verbesserter Strukturauflösung und mit ggf. unterschiedlichen Strukturtiefen durch die erfindungsgemäßen Elektroden bereitgestellt werden. Zudem wird eine Optimierung der Kosten und der Prozesszeiten erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung:
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode, geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, welche ein Substrat aufweist, das wenigstens eine erste Leitungsschicht auf seiner Oberfläche aufweist, oder eine Elektrode welche ein Substrat aufweist, das eine leitfähige Substratschicht ausbildet, wobei wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der wenigstens einen ersten Leitungsschicht oder der leitfähigen Substratschicht ausgebildet ist, wobei die erste Isolierungsschicht die wenigstens eine erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausbildet.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend ein Substrat, welches mehrere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten aufweist, wobei jeweils eine Lage aus einer Leitungsschicht und einer Isolierungsschicht ausgebildet ist. Weiterhin weist das Substrat wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrats auf, und wenigstens eine erste Isolierungsschicht ist auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement in der ersten Lage ausgebildet ist. Desweiteren weist die Elektrode wenigstens eine zweite Leitungsschicht auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht auf, wobei die zweite Leitungsschicht die erste Isolierungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist, und wobei die Elektrode auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht wenigstens eine zweite Isolierungsschicht aufweist, welche die zweiten Leitungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist und wenigstens ein Strukturierungselement in der zweiten Lage ausgebildet ist.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen fluidischen Kanal zur Leitung eines Elektrolyten für eine Elektrode geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend eine Grundfläche, die eine Durchflussfläche für den Elektrolyten aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode, geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend einen fluidischen Kanal zur Leitung eines Elektrolyten und wenigstens ein Strukturierungselement, wobei der fluidische Kanal eine Grundfläche aufweist, die wenigstens das eine Strukturierungselement umfasst, und wobei der fluidische Kanal eine Durchflussfläche für den Elektrolyten aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, umfassend die Schritte

– Bereitstellen einer Elektrode nach dem ersten zweiten oder vierten Aspekt der Erfindung,
– Anpassen der Elektrode an ein zu strukturierenden Werkstoff mittels verforme,
– Durchführen eines Strukturierungsprozess.

Unter einem Werkstoff im Sinne der Erfindung wird ein End- oder Zwischenprodukt verstanden, wie beispielsweise ein Rohr, wobei der Werkstoff wenigstens abschnittsweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist. Alternativ kann der Werkstoff im Wesentlichen aus einem elektrisch Leitfähigen Material bestehen.
Unter einer Leitungsschicht wird im Sinne der Erfindung eine elektrisch leitfähige Schicht verstanden Unter einer Isolierungsschicht wird im Sinne der Erfindung eine elektrisch isolierende Schicht verstanden. Unter einem Substrat wird im Sinne der Erfindung der Träger, auf dem die weiteren Schichten aufgebracht sind, verstanden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode, welche geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen,
aufweisend ein Substrat, welches wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrats aufweist, oder ein Substrat, welches eine leitfähige Substratschicht ausbildet, wobei

– wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der wenigstens einen ersten Leitungsschicht oder der leitfähigen Substratschicht ausgebildet ist,
– wobei die erste Isolierungsschicht die wenigstens eine erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist,

– das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form aufweist oder
– plastisch verformbar ist oder
– elastisch verformbar ist.

In einigen Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung mehrerer verschiedener Strukturierungselemente innerhalb dieser Lage möglich.
Durch das abschnittsweise Abdecken der Leitungsschicht (bzw. der leitfähigen Substratschicht) mittels der Isolierungsschicht wird ein Strukturierungselement ausgebildet, welches als Grundfläche eine nicht isolierte Leitungsschicht aufweist, welche mit einer weiteren Elektrode bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung ein elektrisches Feld ausbilden kann, wobei durch die weitere Isolierung der leitfähigen Schicht dieses elektrische Feld räumlich begrenzt ist. Es ist somit möglich ein lokal begrenztes und definiertes elektrisches Feld auszubilden.
Unter einem abschnittsweisen Abdecken im Sinne der Erfindung kann ein Abdecken einer direkt unterhalb der Isolierungsschicht angeordneten Schicht, wie beispielsweise der ersten Leitungsschicht, als auch ein Abdecken weitere, darunter liegender Schichten, wie beispielsweise der leitfähigen Substratsicht, verstanden werden. Wesentlich dabei ist, dass durch das teilweise abdecken durch die Isolierungsschicht bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode ein elektrisches Feld nur zwischen der nicht abgedeckten leitfähigen Schicht (Leitungsschicht bzw. leitfähige Substratschicht) des Strukturierungselements und einer weiteren Elektrode ausgebildet werden kann.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material („leitfähiges Substrat“), insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet. Das Substrat bildet somit eine leitfähige Substratschicht aus. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der leitfähigen Substratschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und ein erstes Strukturierungselement ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen starre, gekrümmte Form aufweist. In anderen Worten, die leitfähige Substratschicht kann als eine erste Leitungsschicht angesehen werden, auf welcher eine erste Isolierungsschicht anliegt; das Anbringen einer zusätzlichen Leitungsschicht ist daher nicht notwendig.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ein leitfähiges Übergangsmetall, ein Halbmetall oder eine Metalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der 4., 6., 8., 11., 13. oder 14. Gruppe des Periodensystems der Elemente.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titan (Ti), Chrom (Cr), Wolfram (W), Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Aluminium (Al) oder Germanium (Ge) oder Legierungen davon.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium oder Kupfer oder Legierungen davon.
In einigen Ausführungen weist das Substrat eine Dicke von zwischen 0.1 und 5.0 mm, insbesondere zwischen 0.2 und 2.5 mm, bevorzugt zwischen 0.3 und 1.0 mm auf.
In manchen Ausführungen weist das leitfähige Substrat eine leitfähige Metalllegierung, insbesondere Bronze (CuSn; Kupfer-Zinn), Messing (CuZn; Kupfer-Zink), oder Eisen-Nickel (FeNi) auf.
In manchen Ausführungen ist das leitfähige Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet und auf der Oberfläche des Substrats ist zusätzlich wenigstens eine erste Leitungsschicht ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen starre, gekrümmte Form aufweist. Insbesondere ist das Material der ersten Leitungsschicht ein anderes als das der Substratschicht. Die erste Isolierungsschicht befindet sich dabei auf der Oberfläche der wenigstens ersten Leitungsschicht, wobei das Substrat derart mit der Leitungsschicht abgedeckt ist, dass das Strukturierungselement die Leitungsschicht als Grundfläche aufweist. Alternativ kann die erste Leitungsschicht abschnittsweise auf dem Substrat angeordnet sein, wobei die erste Isolierungsschicht vollständig die erste Leitungsschicht abdeckt aber nur abschnittsweise die erste Substratschicht, so dass ein Strukturierungselement ausgebildet ist, welches als Grundfläche die leitfähige Substratschicht aufweist.
In manchen Ausführungen bedeckt die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht derart abschnittweise, dass wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen bedeckt die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht derart abschnittweise, dass mehrere, insbesondere unterschiedliche, Strukturierungselemente ausgebildet sind.
Die Grundfläche des ersten Strukturierungselementes besteht somit aus der Oberfläche der ersten Leitungsschicht bzw. aus der Oberfläche des Substrates.
Durch das abschnittsweise Abdecken der Leitungsschicht oder der Substratschicht durch die Isolierungsschicht wird bewirkt, dass die Leitungsschicht oder die Substratschicht nur an definierten Stellen zur Ausbildung eine elektrischen Feldes – bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung – mit einer weiteren Elektrode fähig ist, da die von der Isolierungsschicht abgedeckten Flächen elektrisch isolierend wirken. Es verbleibt somit ein Strukturierungselement mit einer leitfähigen Grundfläche, welche zur Ausbildung eines elektrischen Feldes geeignet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass ein definiertes elektrisches Feld ausgebildet werden kann. Dabei wird die Strukturierungen über die Form der Strukturierungselemente bestimmt.
Die Leitungs- und Isolierungsschicht oder das leitfähige Substrat- und die Isolierungsschicht bilden eine Lage aus, in welcher wenigstens ein Strukturierungselement angeordnet ist. Dabei kann eine Lage mehrere, insbesondere unterschiedliche, Strukturierungselemente aufweisen, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Mit anderen Worten, die oberste Schicht einer Lage, bzw. die letzte Lage der Elektrode ist eine Isolierungsschicht.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode können die auf einer Lage befindlichen Strukturierungselemente sowohl gleiche als auch verschiedene Formen aufweisen, welche jeweils unterschiedlich mit Strom ansteuerbar sind. Die Anordnung verschiedener und einzeln ansteuerbarer Strukturierungselemente ermöglicht somit die Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder, was zu unterschiedlich starken lokalen Materialabgängen bzw. Materialanlagerungen am Werkstoff führt.
In manchen Ausführungen ist die besagte zusätzliche erste Leitungsschicht (bei der Verwendung eines leitfähigen Substrats) eine Metallisierungsbeschichtung, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Metall- oder Legierungsschicht. Sie kann beispielsweise dem Korrosionsschutz dienen.
Die Auswahl der Komponenten der ersten Leitungsschicht hängt vom Material des Werkstückes und dem Elektrolyten ab, wobei der Fachmann ohne weiteres auf Basis seines Fachwissens die entsprechenden Komponenten auswählen kann. Es wird auf die späteren Erläuterungen und Definitionen bezüglich der Leitungsschichten verwiesen.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer, ausgebildet („nicht leitfähiges Substrat“) und auf diesem Substrat ist wenigstens eine erste Leitungsschicht auf dessen Oberfläche ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen starre, gekrümmte Form aufweist.
Wie bereits erläutert ist auch die Ausbildung mehrerer Strukturierungselemente möglich. In manchen Ausführungen besteht das nicht leitfähige Substrat aus einem Polymer. In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein thermoplastisches Polymer.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein thermoplastisches Polymer (Thermoplast) ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polyactat (PLA), Polymethylmetharylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PS), Polyetheretherketon (PEEK), oder Polyvinylchlorid (PVC) oder Mischungen von Polymeren.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein Polyurethan-Polymer. Werden zwei oder mehrere Polymere gemischt, bezeichnet man dieses Material als Polyblend. Polyblends umfassen insbesondere ABS/PA, PC, Acryl/PVC („Kydex“), Acrylester-Styrol-Acrylnitril/Polyvinylchlorid (ASA/PC), Polypropylen/Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (PP/EPDM), Polycarbonat/Polybutylenterephthalat (PC/PBT), und PS/PE.
Thermoplaste sind Polymere, welche aus linearen oder verzweigten Kettenmolekülen bestehen. Sie besitzen eine geringe Festigkeit, sind elastisch und sehr verformbar, und können einen amorphen oder teilkristallinen Molekülverband ausbilden. Thermoplaste sind bei einem bestimmten Temperaturbereich plastisch verformbar, wobei sich unterhalb dieses Temperaturbereichs diese Polymere nicht weiter plastisch verformen lassen (irreversibel). Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, solange keine Überhitzung stattfindet, die zur thermischen Zersetzung des Materials führt.
Gemäß dem Fachmann bekannten Eigenschaften werden für diese Erfindung relevante Thermoplaste nach Bedarf ausgewählt.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 1 µm und 1 mm dick.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 1 µm und 0.5 mm, insbesondere zwischen 10 µm und 100 µm dick, wobei die Substratdicke größtenteils von der mechanischen Anforderung und den Materialeigenschaften des Substrates abhängt. Der Fachmann kann auf Basis seines Fachwissens ohne weiteres eine den Anforderungen angemessene Materialdicke auswählen.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 20 µm und 50 µm dick.
Zur Ausbildung der Elektrode wird auf das nicht leitfähige Substrat, wie oben erläutert, eine (erste) elektrische Leitungsschicht aufgebracht.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 1 mm.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 0.5 mm.
In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschichten eine Höhe in einem Bereich von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.2 µm und 50 µm.
In bestimmten Ausführungen ist die elektrische Leitungsschicht zwischen 0,5 µm und 1 µm dick.
Das Strukturierungselement kann durch teilweises Abdecken der besagten Leitungsschicht mit einer ersten elektrisch nicht leitfähigen Isolierungsschicht durch eine Maske oder Schablone ausgebildet werden.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer („plastisches Substrat“) ausgebildet, und auf dem Substrat ist wenigstens eine erste Leitungsschicht auf dessen Oberfläche ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen planare Form aufweist, die plastisch verformbar ist.
In manchen Ausführungen ist das plastische Substrat aus einem Polymer ausgebildet. In bestimmten Ausführungen ist das plastische Substrat ein thermoplastisches Polymer entsprechend den oben erwähnten Aspekten.
Durch die plastische Verformbarkeit des Substrates kann die Elektrode an die Form der zu behandelnden Werkstoffe bzw. Werkstücke (irreversibel) angepasst werden. Die irreversible Verformbarkeit des Substrates führt zur Ausbildung einer im Wesentlichen starren Elektrode.
In manchen Ausführungen ist das Substrat nicht leitfähig und aus einem elastischen Polymer ausgebildet („elastisches Substrat“), und auf der Oberfläche des Substrates ist wenigstens eine erste Leitungsschicht ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausgebildet wird, wobei das Substrat eine im Wesentlichen planare Form aufweist, die elastisch (reversibel) verformbar ist. Es handelt sich um eine „flexible“ Elektrode.
Durch die elastische Verformbarkeit des Substrates kann die Elektrode an die Form der zu behandelnden Werkstoffe reversibel angepasst werden.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein elastisches Polymer (Elastomer). In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein Elastomer ausgewählt aus Naturkautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk, Butadien-Kautschuk und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer (TPE) auf Olefinbasis (TPE-O), ein vernetztes thermoplastisches Elastomer auf Olefinbasis (TPE-V), ein thermoplastisches Polyesterelastomer (TPE-E), ein thermoplastisches Copolyester (TPC), Styrol-Blockcopolymere (TPE-S), ein thermoplastisches Copolyamid (TPE-A), oder eine Elastomerlegierung („Polyblend“). TPE-O und TPE-V umfassen beispielsweise PP/EPDM, TPE-E und TPC umfassen Hytrel^® und Riteflex^®, TPE-S umfassen beispielsweise Styrol-Butadien-Styrol oder Methylacrylat-Butadien-Styrol, einschließend Styrol, Styroflex^®, Septon^® und Thermolast^®, und TPE-A umfasst beispielsweise PEBAX^®, ein Polyether-Block-Amid.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis (TPE-U), umfassend Desmopan^®, Texin^® und Utechllan^® sowie eine Polyester-Urethan-Kautschuk Verbindung, umfassend Baytec^®, Cellasto^®, Vulkollan^®, Elasturan^®, Sylomer^®, Sylodyn^®, und Urepan^®.; Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt unterhalb der Einsatztemperatur ist. Die Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurück.
Thermoplastische Elastomere (auch Elastoplaste genannt) sind Polymere, die sich bei Raumtemperatur wie klassische Elastomere verhalten, jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformbar werden. Die meisten thermoplastischen Elastomere umfassen Copolymere, welche aus einer weichen Elastomer- und einer harten thermoplastischen Komponente bestehen.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein Polymer, insbesondere ein Polymethylmethacrylat, Novolak, und Polymethylglutarimid, oder ein Epoxidharz.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein auf Epoxidharz-basierendes Polymer, insbesondere SU-8. In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein Photoresist (Fotolack) („Photoresist-Substrat“) oder eine Lötstoppmaske (Lötstopplack).
In bestimmten Ausführungen ist das Photoresist-Substrat ausgewählt aus SU-8 oder der Conformask-Serie, insbesondere der Conformask 2500 oder 3300er Serie.
Fotolacke finden bei der fotolithografischen Strukturierung von Werkstoffoberflächen zur Produktion von Strukturen im Mikro- und Submikrometerbereich sowie bei der Leiterplattenherstellung Verwendung. Ausgangsstoffe sind Polymere wie Polymethylmethacrylat, Novolak, und Polymethylglutarimid, oder Epoxidharze wie beispielsweise beim Fotolack SU-8. Die Fotoschicht des Lackes kann selektiv über Belichtung durch eine Belichtungsmaske oder Fotoschablone bearbeitet werden. Eine fotochemische Reaktion führt dazu, dass die Löslichkeit des Fotolackes lokal verändert wird. Fotolacke werden in Negativlack und Positivlack eingeteilt. Belichtung des Negativlackes führt zu dessen Polymerisation, was die Löslichkeit des Lackes verringert. Bei Positivlacken wird der bereits verfestigte Lack durch Belichtung wieder löslich. Positivlacke können im Vergleich zu Negativlacken durch Lösemittel leichter wieder von der Werkstoffoberfläche abgelöst werden, was die Wiederverwendbarkeit des Werkstoffes ermöglicht. Positivlacke sind in der Regel gegen Lösemittel nicht dauerhaft beständig. Ist die Herstellung von dauerhaften Strukturen auf Werkstoffoberflächen erwünscht, wie dies beispielsweise im Mikro- und Submikrometerbereich in der Mikrosystemtechnik der Fall ist, werden bevorzugt Negativlacke wie beispielsweise SU-8 verwendet. SU-8 weist eine hohe Beständigkeit aus und kann einfach, schnell und kostengünstig verarbeitet werden. Die Auswahl des Fotolacks ist somit von der Verwendung und der Zielsetzung abhängig. Dem Fachmann sollte es ohne weiteres möglich sein auf Basis seines Fachwissens den entsprechenden Fotolack auszuwählen.
In bestimmten Ausführungen umfasst die elektrische Leitungsschicht wenigstens eine leitfähige Metallschicht oder eine Metalllegierung.
In manchen Ausführungen weist die Leitungsschicht eine Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 1000 µm.
In manchen Ausführungen weist die Leitungsschicht eine Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 100 µm, insbesondere von zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht- und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung eines Strukturierungselementes oder mehrerer, insbesondere verschiedener Strukturierungselemente möglich.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat elastisch (reversibel) verformbar. Durch die Elastizität des Substrates kann die erfindungsgemäße Elektrode an gekrümmte Werkstoffoberflächen angepasst werden. Gekrümmte Werkstoffoberflächen weisen einen Radius von zwischen 1 mm und 10 m, insbesondere 10 mm und 1 m, bevorzugt zwischen 10 mm und 0,5 m auf.
Durch das flexible (elastische) Verhalten der Elektrode kann die Elektrode, mittels geeigneter Halterung, jeweils auf das zu bearbeitende (gekrümmte) Werkstück angepasst werden. Die Halterung ist dabei so ausgebildet, dass die elektrische Kontaktierung der Elektrode und eine kontinuierliche Elektrolyten Versorgung gewährleistet werden. Die Halterung kann mittels Klemmung, Schrauben, durch Ankleben oder durch andere Befestigungsarten angebracht werden.
Die Verwendung eines elastischen Substrates eignet sich in vorteilhafter Weise zur Anbringung von Strukturen auf gekrümmten Werkstoffen, da die Elektrode besonders leicht an die Form der Werkstoffe angepasst werden kann.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm aufweist.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 1 µm bis 100 µm aufweist.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 10 µm bis 100 µm, insbesondere von 15 µm bis 80 µm, bevorzugt von 20 µm bis 50 µm aufweist.
In manchen Ausführungen umfasst das elastische Substrat ein elastisches Polymer, wobei das elastische Polymer bei Raumtemperatur (20 °C) ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von zwischen 0.3 und 5 kN/mm², insbesondere in einem Bereich von zwischen 1 und 5 kN/mm², aufweist.
In manchen Ausführungen umfasst das elastische Substrat ein elastisches Polymer, wobei das elastische Polymer bei Raumtemperatur (20 °C) ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von zwischen 1.5 und 3 kN/mm² aufweist.
Der Elastizitätsmodul (E-Modul) ist ein Materialwert aus der Werkstofftechnik, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten beschreibt. Er besitzt die Einheit einer mechanischen Spannung (kN/mm²), wobei ein Kilonewton pro Quadratmillimeter ein Gigapascal ist (1 kN/mm² = 1 GPa). Der Betrag des E-Moduls ist umso größer, je mehr Widerstand ein Material seiner elastischen Verformung entgegensetzt. Der Widerstand, den ein Material gegen elastische Verformung durch eine einwirkende Kraft oder ein Drehmoment aufweist, wird als Steifigkeit bezeichnet. Der E-Modulwert eines bestimmten Materials hängt von verschiedenen Umgebungsbedingungen ab, wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, oder der Verformungsgeschwindigkeit. Ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul, wie beispielsweise Stahl, besitzt eine höhere Steifigkeit als ein Material mit identischen geometrischen Abmessungen, das einen niedrigen Elastizitätsmodul besitzt, wie beispielsweise Gummi. Die Steifigkeit eines Materials hängt daher vom verwendeten Material und der Verarbeitung ab, aber auch von dessen Geometrie, wie etwa der Breite und der Höhe, wobei die Höhe gleichbedeutend ist mit der Dicke eines Materials.
Der E-Modul-(E)Wert eines Materials ist das Verhältnis zwischen Spannung (δ) und Dehnung (ε), wobei die Spannung das Verhältnis zwischen Kraft und Querschnittsfläche ist (siehe Formel 1) und die Dehnung das Verhältnis zwischen Längenänderung (l – l₀) und Materiallänge (l₀) (siehe Formel 2). Spannung δ = Kraft/Fläche = E·ε (Formel 1) Dehnung ε = (l – l₀) / l₀ (Formel 2)
Das Elastizitätsmodul eines bestimmten Materials kann im Biegeversuch (nach DIN EN ISO 178) und im Zugversuch (nach DIN EN ISO 527) bestimmt werden. Da die Verformbarkeit von Polymeren stark von der Beanspruchungsdauer und der Temperatur abhängen, müssen die Verformungs- und Festigkeitswerte stets in Zusammenhang mit den angegebenen Werten der Prüftemperatur und der Verformungsgeschwindigkeit angegeben werden.
Sind (bei homogenem Querschnitt) Querschnittsfläche (A) und Länge (l) des Materials bekannt, so kann über die Längenänderung (l – l₀) und die hierzu erforderliche Kraft das E-Modul berechnet werden. Ist der E-Modul eines Materials bekannt, so lässt sich die Deformation berechnen, wenn die Spannung bekannt ist. Umgekehrt kann die Spannung im Material berechnet werden, wenn die Deformation bekannt ist.
Die Dehnsteifigkeit eines Materials (D) (siehe Formel 3) besitzt die Einheit Newton (N) und ist das Produkt aus dessen Elastizitätsmodul (E) in Belastungsrichtung und dessen Querschnittsfläche (A) senkrecht zur Belastungsrichtung. Die Dehnsteifigkeit ist unabhängig von der Form des Querschnitts. Dehnsteifigkeit (D) = E·A (Formel 3)
Je größer die Dehnsteifigkeit, desto kleiner ist die in Kraftrichtung resultierende Längenveränderung des Materials (Δl) unter der auf das Material einwirkenden Zugkraft (F).
Dieses Gesetz gilt bei freier Querkontraktion des Querschnitts. Die Querkontraktion gibt die Deformation eines festen Materials bei annähernd gleichbleibenden Volumen an und beschreibt das Verhalten des festen Materials unter dem Einfluss einer Zug- bzw. einer Druckkraft. In Kraftrichtung reagiert das feste Material mit einer Längenänderung Δl, senkrecht dazu mit einer Verringerung bzw. Vergrößerung seines Durchmessers d oder seiner Dicke um Δd. Die Messung der Querkontraktionszahl kann mechanisch im Zugversuch nach DIN EN ISO 527-1 bestimmt werden.
Die Querkontraktion gilt nur für lineare elastische Deformationen (Elastizität), also wenn die elastische Verformung eines festen Materials proportional zur einwirkenden Belastung ist, was über das Hookesche Gesetz beschrieben wird. Dies ist beispielsweise der Fall bei kleinen Belastungen von Metallen sowie für harte, spröde Stoffe wie z.B. Silizium, bei denen steigende mechanische Belastungen oft zum Bruch führen. Die mechanische Belastung bei diesen Materialien bewirkt eine Abweichung der Molekül- oder der Atomanordnung, welche bis zu einer bestimmten Materialspannung reversibel ist, jedoch bei höherer Belastungswirkung die molekulare- oder atomare Anordnung zerstören. Der Zusammenhang der im festen Material erzwungenen Dehnung und der resultierenden Spannung im Material wird über das Elastizitätsgesetz beschrieben, wobei von einem homogenen festen Material ausgegangen wird.
Die Biegesteifigkeit (B) (siehe Formel 4) ist das Produkt aus dem Elastizitätsmodul eines festen Stoffes und dem Flächenträgheitsmoment (I) des Querschnitts (A), was – im Gegensatz zur Dehnsteifigkeit – wesentlich von der Form des Querschnitts abhängt. Die Biegesteifigkeit wird in Newton mal Quadratmillimeter (N·mm²) angegeben und beschreibt die Flexibilität im Sinne der Erfindung. Demnach lässt sich ein Werkstück (oder Körper) mit geringer Biegesteifigkeit leichter verbiegen als ein Bauteil mit hoher Biegesteifigkeit; es ist somit „flexibler“. Biegesteifigkeit (B) = E·I (Formel 4)
Das Flächenträgheitsmoment (I) ist eine aus dem Querschnitt (A) eines Körpers abgeleitete geometrische Größe, die zu dessen Verformungs- und Spannungs-Berechnung bei Biege- und Torsions-Beanspruchung verwendet wird.
Die Querschnittsfläche eines quadratischen Körpers ist bestimmt aus dessen Breite (b) und Höhe (h), wobei beide Größen im Falle eines Quadrates identisch sind und als Seitenlänge (a) bezeichnet werden. Im Falle eines quadratischen Körpers kann die Seitenlänge (a) auch über den Quadratdurchmesser beschrieben werden (siehe Formel 5). A_Quadrat = a² = d²/2 (Formel 5)
Bei einem rechteckigen Körper wird die Querschnittsfläche (A) beschrieben durch die Breite (b) mal der Höhe (h) des Körpers (siehe Formel 6). A_Rechteck = b·h (Formel 6)
Die Querschnitts-Abhängigkeit bei der Verbiegung eines Körpers unter Belastung wird zusammenfassend mit den axialen Flächenträgheitsmomenten (I_a) beschrieben. Dabei gilt, dass die Verbiegung und die im Querschnitt entstehenden inneren Spannungen in einem Körper umso kleiner sind, je größer das axiale Flächenträgheitsmoment (I_a) ist. Das wesentliche Maß im Querschnitt ist dabei die Ausdehnung in Richtung der angreifenden Kraft. Zum Beispiel wird ein rechteckig geformter Körper (mit einer bestimmten, sich unterscheidenden, Höhe und Breite) durch eine vertikale Last (eine Krafteinwirkung senkrecht zur seiner Fläche) weniger verbogen, wenn der Körper hochkant anstatt flach aufliegt.
Das axiale Flächenträgheitsmoment (I_a) ist die Summe der axialen Flächenträgheitsmomente 2. Grades (I_y und I_z), welche sich über Formel 7 und Formel 8 beschreiben lassen und die Einheit m⁴ besitzen. I_y = √_A(z² dA); in [m⁴] (Formel 7) I_z = √_A(y² dA); in [m⁴] (Formel 8) wobei

z: = senkrechter Abstand der y-Achse zur Funktion dA und
y: = senkrechter Abstand der z-Achse zur Funktion dA ist

Bei einem rechteckig geformten Körper sind die axialen Flächenträgheitsmomente beschrieben durch die Formeln 9 und 10. I_y = (b·h³)/12 = A·h²/12 (Formel 9) I_z = (h·b³)/12 = A·b²/12 (Formel 10)
Bei einem quadratisch geformten Körper sind die axialen Flächenträgheitsmomente I_y und I_z analog Formel 9 und Formel 10 zu berechnen, wobei in diesem Fall die Breite mit der Höhe (b = h) gleichgestellt wird.
Weitere Formeln zur Berechnung von Flächenträgheitsmomenten anderweitig geformter Körper kann der Fachmann der bekannten Literatur entnehmen.
Wie bereits diskutiert, hängt die Steifigkeit eines Materials von dessen Geometrie ab. Die Breite des nicht leitfähigen Substratmaterials ist bei der erfindungsgemäßen Elektrode von der Elektrode selbst abhängig und wird daher als variable Größe betrachtet. Die Breite des nicht leitfähigen, elastischen Substrates ist daher begrenzt von der technischen Herstellungsmöglichkeit der Elektrode und kann theoretisch wenige Millimeter bis zu mehreren Metern betragen.
In der erfindungsgemäßen Elektrode wird das Flächenträgheitsmoment (I) des rechteckig geformten, nicht leitfähigen elastischen Substratmaterials bei einer Dicke von minimal 1 µm und maximal 5 mm und einer variablen Breite gemäß Formel 11 und Formel 12 berechnet: I_min = (b·1³ µm³)/12 = 0.0833 µm³·b (Formel 11) I_max = (b·5³ mm³)/12 = 10,4166 mm³·b (Formel 12)
Daraus ergibt sich für die Biegesteifigkeit (B) des Materials mit einem minimalen Elastizitätsmodul (E-Modul; E) von 1 kN/mm² und einem maximalen E-Modul von 5 kN/mm² (siehe Formel 13 und Formel 14):
B = E·I B_min = 1 kN/mm²·0,0833 µm³·b = 8,333·10^–8 N·mm·b (Formel 13) B_max = 5 kN/mm²·10,4166 mm³·b = 52,083 N·mm·b (Formel 14)
Im Falle eines auf Epoxidharz-basierendem Polymer mit einem E-Modul von 2.5 kN/mm und einer Dicke von 50 µm wird die Biegesteifigkeit wie gemäß Formel 15 berechnet B_typExpoxid = 2.5 kN/mm²·(b·0.05³ mm³)/12 = 26,0416·10^–3 N·mm·b (Formel 15)
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat Conformask, insbesondere Conformask der 2500er oder 3300er Serie.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode zwei Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten auf. Dabei bilden die erste Leitungsschicht und die erste Isolierungsschicht eine erste Lage aus, wobei innerhalb der ersten Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist. Weiterhin sind eine zweite Leitungsschicht und eine zweite Isolierungsschicht an der Elektrode angeordnet, die eine zweite Lage ausbilden. Dabei ist die zweite Leitungsschicht auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht ausgebildet, wobei die zweite Leitungsschicht die erste Isolierungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass wenigstens ein Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist. Weiterhin weist die Elektrode auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht die zweite Isolierungsschicht auf, welche die zweite Leitungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das wenigstens eine Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist und wenigstens ein Strukturierungselement in der zweiten Lage ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode mehrere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten auf, wobei die weiteren Leitungsschichten und Isolierungsschichten derart ausgebildet sind, dass die Strukturierungselemente der darunterliegenden Lagen nicht abdeckt sind und in der jeweiligen Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Die vorhergehenden Strukturierungselemente werden somit nicht von weiteren Leitungs- und Isolierungsschicht überdeckt, so dass im Falle mehrerer Lagen, alle auf den vorhergehenden, unteren Lagen befindlichen Strukturierungselemente freibleiben.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode weisen somit die auf verschiedenen Lagen befindlichen Strukturierungselemente unterschiedliche Abstände zu dem Werkstoff auf, welches zu einer Ausbildung von verschiedenen Strukturtiefen auf dem Werkstück führt. Dabei bilden die Strukturierungselemente, welche sich auf der obersten Lage der Elektrode befinden, die tiefsten Strukturen aus, da hier das elektrische Feld verstärkt wirkt und die elektrische Feldstreuung geringer ist.
Ein größerer Effekt auf die Strukturtiefen wird über die Stromdichte, wie später erläutert, während des Prozesses und die Prozessdauer erzielt.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einer elektrisch leitfähigen Metallschicht oder einer Metalllegierungsschicht.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe von Gold, Silber, Kupfer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Zink, Aluminium oder Legierungen davon. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Gold (Au), Silber (Ag) und Platin (Pt) oder Legierungen davon.
In bestimmten Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus Gold (Au). In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschichten eine Höhe (Gesamtdicke) in einem Bereich von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf.
In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschicht(en) (jeweils) eine Gesamtdicke von zwischen 100 nm und 100 µm (0.1 µm und 100 µm), insbesondere von zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist die zweite Leitungsschicht so auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht ausgebildet, dass das Strukturierungselement der ersten Lage (bestehend aus erster Leitungsschicht und teilweise abdeckender ersten Isolierungsschicht), nicht vollständig abgedeckt ist. Weiterhin ist die zweite Isolierungsschicht abschnittsweise so auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht ausgebildet, dass wenigstens ein Strukturierungselement innerhalb der zweiten Lage (bestehend aus zweiter Leitungsschicht mit teilweiser abdeckender zweiter Isolierungsschicht) ausgebildet ist. Die Strukturierungselemente können in ihrer Struktur, ihren Breiten und Dicken unterschiedlich sein.
Unter „nicht abgedeckt“ im Sinne der Erfindung ist in allen Aspekten der Erfindung ein vollständiges freibleiben bzw. ein teilweise freibleiben der Strukturierungselemente zu verstehen, wobei ein vollständiges freibleiben bevorzugt ist.
In manchen Ausführungen weisen die Strukturierungselemente geometrisch geformte Strukturen auf, wie beispielsweise kreisförmige, elliptische, quadratische, rechteckige, und drei- bis achteckige Strukturen.
Weiterhin weist die Elektrode wenigstens eine elektrische Kontaktierungen auf. Die elektrische Kontaktierung(en) ermöglicht (ermöglichen) eine Ansteuerung der Strukturierungselemente in den jeweiligen Lagen (bestehend aus Leitungsschicht und strukturierter Isolierungsschicht) mit Strom. Dies führt zur Ausbildung eines konstanten elektrischen Feldes. Dabei kann die elektrische Kontaktierung derart ausgebildet sein, dass einzelne Strukturierungselemente innerhalb einer Lage getrennt voneinander mit Strom ansteuerbar sind, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder führt. Die Stärke des elektrischen Feldes beeinflusst, wie bereits beschrieben, den lokalen Materialabgang. Zudem erlaubt die elektrische Kontaktierung in der erfindungsgemäßen Elektrode, bei einer erfindungsgemäßen Verwendung, zu den einzelnen Strukturierungselementen während des laufenden Prozesses im Betrieb eine gezielte Stromversorgung herzustellen, wobei die einzelnen Strukturelemente mit unterschiedlichen Stromflüssen angesteuert werden können. Alle diese Ausführungen können dabei auch beliebig miteinander kombiniert werden, was die Möglichkeiten des Elektrostrukturierens eines Werkstoffes signifikant erweitert. Dabei sind die elektrischen Kontaktierungen so ausgebildet, dass Sie jeweils nur in Kontakt mit den entsprechenden Leitungsschichten stehen, was es ermöglicht unterschiedliche Stromflüsse unabhängig voneinander in den einzelnen Leitungsschichten zu erzeugen. Dies kann zudem durch geeignete Isolierungen erfolgen. Insbesondere können die Isolierungsschichten derart angebracht werden, dass Sie nicht nur die Leitungsschichten voneinander trennen, sondern auch die jeweiligen elektrischen Kontaktierungen gegenüber den anderen Leitungsschichten isolieren.
Diese Ausführung erlaubt es, die Tiefen der einzelnen Strukturierungselemente durch die gezielte und variierbare Stromversorgung zu variieren, wobei dadurch das entstehende elektrische Feld variabel eingestellt werden kann. Es bietet zudem die Möglichkeit, Strukturierungselemente innerhalb einer Lage sowohl einzeln als auch gemeinsam und in Kombinationen (einzelne Strukturierungselemente sowie alle Strukturierungselemente in einer Lage) variable anzusteuern und somit komplexe Strukturen auf Werkstoffoberflächen bereitzustellen.
Da die erfindungsgemäße Elektrode mit den Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt wird, ist die Positionierung der unterschiedlichen Lagen (Leitungs- und Isolierungsschichten) zueinander nur von der Genauigkeit der Herstellungsmethode abhängig und liegt in der Regel ein bis zwei Größenordnungen unterhalb der mit der Mikro-Elektrostrukturierung erreichbaren Auflösungen.
In manchen Ausführungen wird eine dritte Leitungsschicht auf die zweite Isolierungsschicht gelegt, so dass das zweite und das Strukturierungselement freibleiben. Weiterhin wird auf der dritten Leitungsschicht eine dritte Isolierungsschicht derart angebracht, dass das zweite und das Strukturierungselement freibleiben und wenigstens ein drittes Strukturierungselement ausgebildet ist. Diese alternierende Anordnung von Leitungs- und Isolierungsschichten (alternierende Anordnung der Lagen) kann beliebig oft wiederholt werden, so dass eine beliebige Anzahl an Strukturierungselementen möglich ist, was zu einer mehrlagigen Elektrode führt. Diese Anordnung ist sowohl für mehrlagige starre, planare Elektroden als auch mehrlagige, flexible Elektroden möglich.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode weitere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten auf, wobei die weiteren Leitungsschichten und Isolierungsschichten derart ausgebildet sind, dass die Strukturierungselemente der darunterliegenden Lagen nicht abdeckt sind und in der jeweiligen Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Dabei sind die weiteren Leitungsschichten auf den Isolierungsschichten derart abschnittsweise ausgebildet, dass die darunterliegenden Strukturierungselemente nicht abdeckt sind. Weiterhin sind die Isolierungsschichten auf den Leitungsschichten derart abschnittsweise ausgebildet, dass die darunterliegenden Strukturierungselemente nicht abdeckt sind, und wenigstens ein weiteres Strukturierungselement in der jeweiligen Lage ausgebildet ist.
Die Tiefe der Strukturierungselemente kann variabel gestaltet werden. Die Leitungsschichten können, wie beschrieben, getrennt voneinander angesteuert werden, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder, und daher zu unterschiedlich starken lokalen Materialabgängen führt. Diese „Mehrlagigkeit“ der Elektrode gestattet eine präzise Bearbeitung von Werkstoffen, wobei sich unterschiedliche Tiefen auf dem Werkstoff auf eine verbesserte und einfachere Art und Weise als bisher möglich realisieren lassen. Mehrlagige planare als auch mehrlagige flexible Elektroden ermöglichen es dem Anwender, in einer Aufspannung mehrere, unterschiedliche Strukturen exakt zueinander ausgerichtet herzustellen und im Falle der flexiblen Elektrode wird die Bearbeitung von geformten Werkstoffen, beispielsweise von zylindrisch geformten Materialien, erheblich erleichtert.
Die minimale Strukturauflösung liegt im Bereich der Schichtdicke des Photoresist Polymers. Die lateralen Strukturgrößen sind nach unten durch die Möglichkeit der Lithografie beschränkt, während nach oben keine Grenzen gesetzt sind. In der Praxis orientieren sich die Strukturgrößen an dem Auflösungsvermögen des Elektrostrukturier-Prozesses, welche wiederrum vom Abstand zwischen Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück abhängt.
In manchen Ausführungen bestehen die weiteren Leitungsschichten aus einer leitfähigen Metallschicht oder einer leitfähigen Metalllegierungsschicht. In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe von Gold, Silber, Kupfer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Zink, Aluminium oder Legierungen davon.
In bestimmten Ausführungen bestehen die weiteren Leitungsschichten aus Gold (Au). In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien.
In bestimmten Ausführungen weisen die weiteren Leitungsschichten eine Gesamtdicke zwischen 0.1 µm und 1000 µm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf.
In bestimmten Ausführungen weisen die weiteren Leitungsschichten eine Gesamtdicke von zwischen 100 nm und 100 µm (0.1 µm und 100 µm), insbesondere zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm, auf.
In bestimmten Ausführungen weisen die weiteren Leitungsschichten eine Gesamtdicke von zwischen 0.2 µm und 10 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht- und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung mehrerer verschiedener Strukturierungselementen möglich. Dabei enthält jede neue Lage weitere Strukturierungselemente ohne die darunter liegenden Strukturierungselemente der unteren Lage(n) abzudecken.
In manchen Ausführungen ist die wenigstens erste Leitungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, welches zusammen mit dem Werkstoff und der Elektrolytlösung eine galvanische Zelle ausbildet.
Eine galvanische Zelle ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie, bestehend aus einer Kombination von zwei verschiedenen Elektroden mit einem Elektrolyten, wobei die Elektroden aus zwei Metallen mit unterschiedlichem Oxidationsbestreben (Redoxpotential) aufgebaut sind. Werden die beiden Metalle in eine Elektrolytlösung gegeben, bildet sich aufgrund einer Redoxreaktion zwischen ihnen eine elektrische Spannung oder eine sogenannte Potentialdifferenz aus. Die Spannung einer galvanischen Zelle ist umso größer, je mehr sich die beiden Metalle in ihrem Oxidationsbestreben unterscheiden. Metalle mit größerem Oxidationsbestreben (unedle Metalle) geben Elektronen ab und gehen als Ionen in die Elektrolytlösung über. Sie bilden den Minuspol (Anode) der galvanischen Zelle. Metalle mit niedrigerem Oxidationsbestreben (edle Metalle) bilden den Pluspol (Kathode). An der Kathode werden Elektronen an die positiv geladenen Metall-Ionen der Elektrolytlösung abgegeben. Die Metall-Ionen werden dadurch entladen, was zum Ladungsausgleich in der Lösung führt, und die Metallatome setzen sich am Pluspol ab.
Bezüglich geeigneter Materialien für die Leitungsschicht(en) wird auf die oben erwähnten Ausführungen verwiesen. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. Leitungsschichten aus gleichen Materialen sind bevorzugt.
Die Auswahl der Leitungsschichten ist abhängig vom Material des Werkstückes und dem Elektrolyten. Ein Fachmann kann ohne weiteres auf Basis seines Fachwissens, beispielsweise unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands und der gewünschten Dicke, ein geeignetes Leitungsmaterial auswählen.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann auch zur galvanischen Strukturierung („Galvanoformung“) von Werkstoff-Materialien verwendet werden, sofern während des Prozesses die notwendigen Ionen nicht aus dem Material der Elektrode sondern aus dem Elektrolyten bezogen werden und die elektrischen Anschlüsse umgepolt werden. Dabei wird das Werkstück Kathoden-gepolt und die Elektrode als Anode geschaltet. In dieser Anordnung ist es möglich, Schichtdicken im Nanometerbereich, bis hin zu mehreren Millimetern auf der Werkstoffoberfläche herzustellen. Es wird im Wesentlichen auf die Ausführungen des Anoden-gepolten Werkstücks verwiesen, die hierbei analog anwendbar sind.
Galvanoformung ist eine Strukturierungsform aus dem ionisierten Zustand, wobei ein Metall elektrolytisch aus einem wässrigen Salzbad an dem elektrisch leitfähigen und Kathoden-gepolten Werkstück abgeschieden wird. Diese Form der Strukturierung dient hauptsächlich zur Erzeugung metallischer Beschichtungen oder zur Herstellung selbsttragender metallischer Werkstücke.
In manche Ausführungsformen weisen die Leitungsschicht(en) ein Material auf, welches bei 20°C einen spezifischen Widerstand zwischen 0,01 Ω·mm²/m und 1 Ω·mm²/m aufweist.
Der spezifische Widerstand rho (ρ) des Leiters sollte mit der Fläche der Leitungsschicht so korrelieren, dass die Leitungsschicht den Stromstärken widerstehen kann und ein konstantes Feld ausgebildet wird ohne eine Überhitzung des Leiters herbeizuführen. Der spezifische Flächenwiderstand (R_spez.) eines Leiters mit der Einheit Ohm (Ω) beschreibt den elektrischen Widerstand einer Widerstandsschicht, wenn diese parallel zur Schicht von Strom durchflossen wird. Dies passiert dann, wenn der Strom an einer schmalen
Seitenfläche ein- und an der gegenüberliegenden schmalen Seitenfläche wieder austritt. Der spezifische Flächenwiderstand (R_spez.) eines homogenen Leiters ist abhängig von der Dicke der Widerstandsschicht (d) des Leiters und dessen spezifischen Widerstand (ρ) (siehe Formel 16). R_spez. = ρ/d (Formel 16)
Der spezifische Widerstand (ρ) mit der SI-Einheit Ω·m (oder Ω mm²/m) ist eine temperaturabhängige Materialkonstante und wird vor allem zur Berechnung des elektrischen Widerstandes eines homogenen elektrischen Leiters genutzt. Der Kehrwert des spezifischen Widerstandes ist die elektrische Leitfähigkeit (elektrischer Leitwert) kappa (κ) (siehe Formel 17) und besitzt die Einheit Siemensmeter pro Quadratmillimeter (S·m/mm²). Beide Werte sind temperaturabhängige Materialkonstanten und werden meist für 20°C (293.15 Kelvin; Raumtemperatur) oder 25°C angegeben. κ = 1/ρ (Formel 17)
Der elektrische Widerstand (R_elektr.) eines Leiters ist von der Querschnittsfläche des Leiters abhängig und ist umgekehrt proportional zu dessen elektrischen Leitfähigkeit. Als Querschnitt (A) wird eine zwei-dimensionale Schicht als Schnittdarstellung eines Objektes verstanden. Der elektrische Widerstand R_elektr. wird ermittelt über den spezifischen Widerstand (ρ) (bei einer bestimmten Temperatur) des Leiters, sowie dessen Länge (l) und dessen Querschnittsfläche (A) (siehe Formel 18) und besitzt die SI-Einheit Ω. R_elektr. = ρ·(l/A) (Formel 18)
Der elektrische Widerstand eines Leiters wird somit von der Querschnittsfläche (A) eines Leiters, berechnet aus dessen Durchmesser (d), der Länge des Leiters (l), der Temperatur die im Leiter herrscht, und dem Material aus dem der Leiter besteht (spezifischer Widerstand ρ), beeinflusst.
Je dünner die Schicht (d) des Leiters, desto höher der spezifische Flächenwiderstand bei konstantem spezifischen Widerstand (ρ). Mit Hilfe des spezifischen Flächenwiderstandes einer Leitungsschicht kann somit die Größe eines resultierenden Widerstandes anhand der Geometrie der Leitungsschicht bestimmt werden.
In manchen Ausführungen weisen die Leitungsschichten der erfindungsgemäßen Elektrode eine Haftungsvermittlungsschicht an Ihrer Ober- und/oder Unterseite auf.
Die Haftvermittlungsschicht in der erfindungsgemäßen Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass sie der Haftvermittlung der einzelnen Schichten dient.
In manchen Ausführungen ist die Haftungsvermittlungschicht aus einem hydrophoben Material ausgebildet.
In manchen Ausbildungen ist die Haftvermittlungsschicht ein Metall, das unter Atmosphärensauerstoff eine geschlossene Oxidschicht auf seiner Oberfläche ausbildet, und dadurch eine Metalloxidverbindung entsteht.
In manchen Ausführungen ist die Haftungsvermittlungsschicht ein Metall, oder eine Metalllegierung, ausgewählt aus der Gruppe von Kupfer (Cu), Chrom (Cr), oder Tantal (Ta).
Die Haftvermittlungsschicht ist hilfreich, damit die neu angefügten Leitungsschichten präzise und dauerhaft auf den entsprechenden Schichten aufliegen und die einzelnen Schichten auch bei einer erfindungsgemäßen Verwendung in Ihrer Position verbleiben. Die Haftvermittlungsschicht sollte des Weiteren sowohl gegenüber der Leitungsschicht als auch der Isolationsschicht eine sehr gute Haftung aufweisen.
Die wasserabweisende Eigenschaft der Haftungsvermittlung ist hilfreich, um eine feste Haftsicherung der Isolierungsschichten zu gewährleisten.
In bestimmten Ausführungen weist die Haftvermittlungsschicht eine Höhe im Bereich von 10 nm und 20 nm, insbesondere von 15 nm auf.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet, welches elektrisch isolierend wirkt, und weist eine geringe Wasserdurchlässigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit auf.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein auf Epoxidharz-basierendes Polymer.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein elektrisch isolierendes Metalloxid, umfassend Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinkoxid (ZnO), Siliziumdioxid (SiO₂) und Berylliumoxid (BeO; „Beryllerde“) oder gemischte Metalloxide.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Metall, das mittels Oxidation beispielsweise unter Atmosphärensauerstoff oder durch eine gezielte chemische Oxidationsreaktion eine isolierende Metalloxidverbindung ausbildet.
In manchen Ausführungen umfasst die Leitungsschicht auch die Isolierungsschicht, wobei die Leitungsschicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist, und die Isolierungsschicht direkt auf der Oberfläche der Leitungsschicht oder dem leitfähigen Substrat mittels Oxidation, z.B. unter Atmosphärensauerstoff, oder durch eine gezielte chemische Oxidationsreaktion, als Metalloxidschicht abschnittsweise ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Photoresist-Polymer (Fotolack). In bestimmten Ausführungen ist die Isolierungsschicht eine Lötstoppmaske, wie beispielsweise die Conformask-Serie oder ein Photoresist, wie beispielsweise SU-8.
In bestimmten Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Polyblend.
In bestimmten Ausführungen ist die Schichtdicke der Isolierungsschicht zwischen 50 nm und 10 µm (0.05 µm und 10 µm), insbesondere zwischen 0.5 µm und 5 µm dick.
In bestimmten Ausführungen ist Isolierungsschicht aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut. Beispielsweise kann eine Isolierungsschicht einer Lage (z.B. der zweiten Lage) aus einem bestimmten Polymer (z.B. Conformask) und aus einem weiteren Polymer (z.B. SU-8) bestehen. Die Isolierungsschicht einer Lage besteht somit gewissermaßen aus zwei “Schichten“ aus Polymeren. Alternativ sind auch mehrerer Schichten denkbar oder eine Kombination aus einem isolierenden Polymer und einer isolierenden Oxidschicht. Dies gilt für alle Aspekte der Erfindung.
Des Weiteren muss die Isolierungsschicht eine chemisch hohe Beständigkeit aufweisen, um zu gewährleisten, dass sich ihre Eigenschaften in weiteren Prozessierungsschritten nicht verändert oder es gar zur Zersetzung der Schicht kommt.
Zum Herstellen der Strukturierungselemente wird bevorzugt eine dünne Schicht der Isolierungsschicht abgeschieden und strukturiert. Die Schicht sollte möglichst dünn sein, damit eine geringe Störung der Elektrolytströmung stattfindet und die Reaktionsprodukte effektiv abtransportiert werden können. SU-8 weist sich durch seine hohe Beständigkeit sowie durch seine einfache, schnelle und kostengünstige Verarbeitung aus und wird daher bevorzugt verwendet.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode einen fluidischen Kanal auf, der zur Leitung eines Elektrolyten ausgebildet ist, wobei der fluidische Kanal eine Grundfläche aufweist, die wenigstens die Strukturierungselemente der Elektrode umfasst, wobei der fluidischen Kanal eine Durchflussfläche aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
In manchen Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem chemisch und mechanisch beständigen und elektrisch nicht leitfähigen Materials.
In manchen Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem Polymer.
In bestimmten Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem Photoresist oder einer Lötstoppmaske, insbesondere aus der Conformask-Serie oder SU-8.
In manchen Ausführungen hat die Wandung des fluidischen Kanals eine Höhe von 1 µm bis 1 mm, insbesondere 20 µm.
In bestimmten Ausführungen ist die Breite des fluidischen Kanals durch die gewünschte Struktur bestimmt und mindestens genauso breit wie die zu resultierende Struktur auf der Werkstückoberfläche.
In bestimmten Ausführungen ist der fluidische Kanal auf der Elektrode integriert und somit ein fester Bestandteil deren. Er kann als letzte Schicht auf die wenigstens eine Metallisierungs- und Isolierungsschichten der Elektrode gegeben werden und soll alle vorhandenen Strukturierungselemente nicht überdecken.
Die Dicke des fluidischen Kanals hängt von dem Anforderungsprofil ab und kann vom Fachmann einfach bestimmt werden. Über die Höhe des fluidischen Kanals kann der Arbeitsabstand zwischen Elektrode und Werkstück eingestellt werden. Je höher der Kanal ist, desto größer ist der Abstand zu den Strukturierungselementen. Durch diese Anordnung wird die Streuung des elektrischen Feldes verringert und somit die laterale Strukturauflösung maßgeblich verbessert.
In einer Ausführungsform variiert die Breite des fluidischen Kanals. Der fluidische Kanal weist somit eine entlang der Fließrichtung des Elektrolyten sich variierende Durchflussfläche auf (die je nach Einstellung kleiner oder größer wird), womit die Elektrolytgeschwindigkeit beeinflusst werden kann. Durch das Verändern der Elektrolytgeschwindigkeit ist es möglich die Metallionenkonzentration zwischen Elektrode und Werkstück zu beeinflussen, was wiederum den lokalen Materialabtrag am Werkstück verändert. Das abgetragene Material wird dabei kontinuierlich durch den fluidischen Kanalstrom abtransportiert.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode, ein Substrat auf, welches mehrere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten aufweist, wobei das Substrat wenigstens eine erste Leitungsschicht auf seiner Oberfläche, und wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der ersten Leitungsschicht aufweist, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und ein erstes Strukturierungselement ausbildet.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend ein Substrat, welches mehrere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten aufweist, wobei jeweils eine Lage aus einer Leitungsschicht und einer Isolierungsschicht ausgebildet ist. Weiterhin weist das Substrat wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrats auf, und wenigstens eine erste Isolierungsschicht ist auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement in der ersten Lage ausgebildet ist. Desweiteren weist die Elektrode wenigstens eine zweite Leitungsschicht auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht auf, wobei die zweite Leitungsschicht die erste Isolierungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist, und wobei die Elektrode auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht wenigstens eine zweite Isolierungsschicht aufweist, welche die zweiten Leitungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist und wenigstens ein Strukturierungselement in der zweiten Lage ausgebildet ist.
Die vorhergehenden Strukturierungselemente werden somit nicht von weiteren Leitungs- und Isolierungsschicht überdeckt, so dass im Falle mehrerer Lagen, alle auf den vorhergehenden, unteren Lagen befindlichen Strukturierungselemente freibleiben.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode weisen somit die auf verschiedenen Lagen befindlichen Strukturierungselemente unterschiedliche Abstände zu dem Werkstoff auf, welches zu einer Ausbildung von verschiedenen Strukturtiefen auf dem Werkstück führt. Dabei bilden die Strukturierungselemente, welche sich auf der obersten Lage der Elektrode befinden, die tiefsten Strukturen aus, da hier das elektrische Feld verstärkt wirkt und die elektrische Feldstreuung geringer ist.
Ein größerer Effekt auf die Strukturtiefen wird über die Stromdichte, wie bereits erläutert, während des Prozesses und die Prozessdauer erzielt.
In einigen Ausführungen weist das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form auf.
In einigen Ausführungen ist das Substrat plastisch verformbar
In einigen Ausführungen ist das Substrat elastisch verformbar.
Durch das abschnittsweise Abdecken der Leitungsschicht (bzw. der leitfähigen Substratschicht) mittels der Isolierungsschicht wird ein Strukturierungselement ausgebildet, welches als Grundfläche eine nicht isolierte Leitungsschicht aufweist, welche mit einer weiteren Elektrode bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung ein elektrisches Feld ausbilden kann, wobei durch die weitere Isolierung der leitfähigen Schicht dieses elektrische Feld räumlich begrenzt ist. Es ist somit möglich ein lokal begrenztes und definiertes elektrisches Feld auszubilden.
Unter einem abschnittsweisen Abdecken im Sinne der Erfindung kann ein Abdecken einer direkt unterhalb der Isolierungsschicht angeordneten Schicht, wie beispielsweise der ersten Leitungsschicht, als auch ein Abdecken weitere, darunter liegender Schichten, wie beispielsweise der leitfähigen Substratsicht, verstanden werden. Wesentlich dabei ist, dass durch das teilweise abdecken durch die Isolierungsschicht bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode ein elektrisches Feld nur zwischen der nicht abgedeckten leitfähigen Schicht (Leitungsschicht) des Strukturierungselements und einer weiteren Elektrode ausgebildet werden kann.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material („leitfähiges Substrat“), insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet. Das Substrat bildet somit eine leitfähige Substratschicht aus. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der leitfähigen Substratschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und ein erstes Strukturierungselement in der ersten Lage ausbildet. In anderen Worten, die leitfähige Substratschicht kann als eine erste Leitungsschicht angesehen werden, auf welcher eine erste Isolierungsschicht anliegt; das Anbringen einer zusätzlichen Leitungsschicht ist daher nicht notwendig.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ein leitfähiges Übergangsmetall, ein Halbmetall oder eine Metalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der 4., 6., 8., 11., 13. oder 14. Gruppe des Periodensystems der Elemente.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titan (Ti), Chrom (Cr), Wolfram (W), Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Aluminium (Al) oder Germanium (Ge) oder Legierungen davon.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium oder Kupfer oder Legierungen davon.
In einigen Ausführungen weist das Substrat eine Dicke von zwischen 0.1 und 5.0 mm, insbesondere zwischen 0.2 und 2.5 mm, bevorzugt zwischen 0.3 und 1.0 mm auf.
In manchen Ausführungen weist das leitfähige Substrat eine leitfähige Metalllegierung, insbesondere Bronze (CuSn; Kupfer-Zinn), Messing (CuZn; Kupfer-Zink), oder Eisen-Nickel (FeNi) auf.
In manchen Ausführungen ist das leitfähige Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet und auf dem Substrat ist zusätzlich wenigstens eine erste Leitungsschicht ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement in der ersten Lage ausbildet. Insbesondere ist das Material der ersten Leitungsschicht ein anderes als das der Substratschicht. Die erste Isolierungsschicht befindet sich dabei auf der Oberfläche der wenigstens ersten Leitungsschicht, wobei das Substrat derart mit der Leitungsschicht bedeckt ist, dass das Strukturierungselement die Leitungsschicht als Grundfläche aufweist. Alternativ kann die erste Leitungsschicht abschnittsweise auf dem Substrat angeordnet sein, wobei die erste Isolierungsschicht vollständig die erste Leitungsschicht abdeckt aber nur abschnittsweise die Substratschicht, so dass ein Strukturierungselement ausgebildet ist, welches als Grundfläche die leitfähige Substratschicht aufweist.
In manchen Ausführungen bedeckt eine Isolierungsschicht eine Leitungsschicht derart abschnittweise, dass wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist. Alternativ bedeckt die Isolierungsschicht eine Leitungsschicht derart abschnittweise, dass mehrere, insbesondere unterschiedliche, Strukturierungselemente ausgebildet sind.
Die Grundfläche der Strukturierungselemente besteht somit aus der Oberfläche der Leitungsschicht.
Durch das abschnittsweise Bedecken der Leitungsschicht oder der Substratschicht durch die Isolierungsschicht wird bewirkt, dass die Leitungsschicht oder die Substratschicht nur an definierten Stellen elektrisch leitfähig ist, während die von der Isolierungsschicht abgedeckten Flächen elektrisch isoliert wirken. Es verbleibt somit ein Strukturierungselement mit einer leitfähigen Grundfläche, welche zur Ausbildung eines elektrischen Feldes geeignet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass ein definiertes elektrisches Feld ausgebildet werden kann. Dabei wird die Strukturierungen über die Form der Strukturierungselemente bestimmt.
Die Leitungs- und Isolierungsschicht oder das leitfähige Substrat- und die Isolierungsschicht bilden Lagen aus, in welchen wenigstens ein Strukturierungselement angeordnet ist. Dabei kann eine Lage mehrere, insbesondere unterschiedliche, Strukturierungselemente aufweisen, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Mit anderen Worten, die oberste Schicht einer Lage, bzw. die letzte Lage der Elektrode ist eine Isolierungsschicht.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode können die auf einer Lage befindlichen Strukturierungselemente sowohl gleiche als auch verschiedene Formen aufweisen, welche jeweils unterschiedlich mit Strom ansteuerbar sind. Die Anordnung verschiedener und einzeln ansteuerbarer Strukturierungselemente ermöglicht somit die Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder, was zu unterschiedlich starken lokalen Materialabgängen bzw. Materialanlagerungen am Werkstoff führt.
In manchen Ausführungen ist die besagte zusätzliche erste Leitungsschicht eine Metallisierungsbeschichtung, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Metall- oder Legierungsschicht.
Die Auswahl der Komponenten der Leitungsschicht hängt vom Material des Werkstückes und dem Elektrolyten ab, wobei der Fachmann ohne weiteres auf Basis seines Fachwissens die entsprechenden Komponenten auswählen kann. Es wird auf die späteren Erläuterungen und Definitionen bezüglich der Leitungsschichten verwiesen.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer, ausgebildet („nicht leitfähiges Substrat“).
In manchen Ausführungen besteht das nicht leitfähige Substrat aus einem Polymer.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein thermoplastisches Polymer.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein thermoplastisches Polymer (Thermoplast) ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polyactat (PLA), Polymethylmetharylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PS), Polyetheretherketon (PEEK), oder Polyvinylchlorid (PVC) oder Mischungen von Polymeren.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein Polyurethan-Polymer.
Werden zwei oder mehrere Polymere gemischt, bezeichnet man dieses Material als Polyblend. Polyblends umfassen insbesondere ABS/PA, PC, Acryl/PVC („Kydex“), Acrylester-Styrol-Acrylnitril/Polyvinylchlorid (ASA/PC), Polypropylen/Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (PP/EPDM), Polycarbonat/Polybutylenterephthalat (PC/PBT), und PS/PE.
Thermoplaste sind Polymere, welche aus linearen oder verzweigten Kettenmolekülen bestehen. Sie besitzen eine geringe Festigkeit, sind elastisch und sehr verformbar, und können einen amorphen oder teilkristallinen Molekülverband ausbilden. Thermoplaste sind bei einem bestimmten Temperaturbereich plastisch verformbar, wobei sich unterhalb dieses Temperaturbereichs diese Polymere nicht weiter plastisch verformen lassen (irreversibel). Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, solange keine Überhitzung stattfindet, die zur thermischen Zersetzung des Materials führt.
Gemäß dem Fachmann bekannten Eigenschaften werden für diese Erfindung relevante Thermoplaste nach Bedarf ausgewählt.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 1 µm und 0.5 mm, insbesondere zwischen 10 µm und 100 µm dick, wobei die Substratdicke größtenteils von der mechanischen Anforderung und den Materialeigenschaften des Substrates abhängt. Der Fachmann kann auf Basis seines Fachwissens ohne weiteres eine den Anforderungen angemessene Materialdicke auswählen.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 20 µm und 50 µm dick.
Zur Ausbildung der Elektrode wird auf das nicht leitfähige Substrat des Weiteren eine elektrische Leitungsschicht aufgebracht.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 0.5 mm.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.2 µm und 50 µm.
In bestimmten Ausführungen ist die elektrische Leitungsschicht zwischen 0,5 µm und 1 µm dick.
Das Strukturierungselement kann durch teilweises Abdecken der besagten Leitungsschicht mit einer elektrisch nicht leitfähigen Isolierungsschicht durch eine Maske oder Schablone ausgebildet werden.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer („plastisches Substrat“) ausgebildet.
In manchen Ausführungen ist das plastische Substrat aus einem Polymer ausgebildet. In bestimmten Ausführungen ist das plastische Substrat ein thermoplastisches Polymer entsprechend den oben erwähnten Aspekten.
Durch die plastische Verformbarkeit des Substrates kann die Elektrode an die Form der zu behandelnden Werkstoffe bzw. Werkstücke (irreversibel) angepasst werden. Die irreversible Verformbarkeit des Substrates führt zur Ausbildung einer im Wesentlichen starren Elektrode.
In manchen Ausführungen ist das Substrat nicht leitfähig und aus einem elastischen Polymer ausgebildet („elastisches Substrat“), wobei das Substrat eine im Wesentlichen planare Form aufweist, die elastisch (reversibel) verformbar ist. Es handelt sich um eine „flexible“ Elektrode. Durch die elastische Verformbarkeit des Substrates kann die Elektrode an die Form der zu behandelnden Werkstoffe reversibel angepasst werden.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein elastisches Polymer (Elastomer). In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein Elastomer ausgewählt aus Naturkautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk, Butadien-Kautschuk und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer (TPE) auf Olefinbasis (TPE-O), ein vernetztes thermoplastisches Elastomer auf Olefinbasis (TPE-V), ein thermoplastisches Polyesterelastomer (TPE-E), ein thermoplastisches Copolyester (TPC), Styrol-Blockcopolymere (TPE-S), ein thermoplastisches Copolyamid (TPE-A), oder eine Elastomerlegierung („Polyblend“). TPE-O und TPE-V umfassen beispielsweise PP/EPDM, TPE-E und TPC umfassen Hytrel^® und Riteflex^®, TPE-S umfassen beispielsweise Styrol-Butadien-Styrol oder Methylacrylat-Butadien-Styrol, einschließend Styrol, Styroflex^®, Septon^® und Thermolast^®, und TPE-A umfasst beispielsweise PEBAX^®, ein Polyether-Block-Amid.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis (TPE-U), umfassend Desmopan^®, Texin^® und Utechllan^® sowie eine Polyester-Urethan-Kautschuk Verbindung, umfassend Baytec^®, Cellasto^®, Vulkollan^®, Elasturan^®, Sylomer^®, Sylodyn^®, und Urepan^®. Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt unterhalb der Einsatztemperatur ist. Die Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurück.
Thermoplastische Elastomere (auch Elastoplaste genannt) sind Polymere, die sich bei Raumtemperatur wie klassische Elastomere verhalten, jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformbar werden. Die meisten thermoplastischen Elastomere umfassen Copolymere, welche aus einer weichen Elastomer- und einer harten thermoplastischen Komponente bestehen.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein Polymer, insbesondere ein Polymethylmethacrylat, Novolak, und Polymethylglutarimid, oder ein Epoxidharz.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein auf Epoxidharz-basierendes Polymer, insbesondere SU-8. In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein Photoresist (Fotolack) („Photoresist-Substrat“) oder eine Lötstoppmaske (Lötstopplack).
In bestimmten Ausführungen ist das Photoresist-Substrat ausgewählt aus SU-8 oder der Conformask-Serie, insbesondere der Conformask 2500 oder 3300er Serie.
Fotolacke finden bei der fotolithografischen Strukturierung von Werkstoffoberflächen zur Produktion von Strukturen im Mikro- und Submikrometerbereich sowie bei der Leiterplattenherstellung Verwendung. Ausgangsstoffe sind Polymere wie Polymethylmethacrylat, Novolak, und Polymethylglutarimid, oder Epoxidharze wie beispielsweise beim Fotolack SU-8. Die Fotoschicht des Lackes kann selektiv über Belichtung durch eine Belichtungsmaske oder Fotoschablone bearbeitet werden. Eine fotochemische Reaktion führt dazu, dass die Löslichkeit des Fotolackes lokal verändert wird. Fotolacke werden in Negativlack und Positivlack eingeteilt. Belichtung des Negativlackes führt zu dessen Polymerisation, was die Löslichkeit des Lackes verringert. Bei Positivlacken wird der bereits verfestigte Lack durch Belichtung wieder löslich. Positivlacke können im Vergleich zu Negativlacken durch Lösemittel leichter wieder von der Werkstoffoberfläche abgelöst werden, was die Wiederverwendbarkeit des Werkstoffes ermöglicht. Positivlacke sind in der Regel gegen Lösemittel nicht dauerhaft beständig. Ist die Herstellung von dauerhaften Strukturen auf Werkstoffoberflächen erwünscht, wie dies beispielsweise im Mikro- und Submikrometerbereich in der Mikrosystemtechnik der Fall ist, werden bevorzugt Negativlacke wie beispielsweise SU-8 verwendet. SU-8 weist eine hohe Beständigkeit aus und kann einfach, schnell und kostengünstig verarbeitet werden. Die Auswahl des Fotolacks ist somit von der Verwendung und der Zielsetzung abhängig. Dem Fachmann sollte es ohne weiteres möglich sein auf Basis seines Fachwissens den entsprechenden Fotolack auszuwählen.
In bestimmten Ausführungen umfasst die elektrische Leitungsschicht wenigstens eine leitfähige Metallschicht oder eine Metalllegierung.
In manchen Ausführungen weist die Leitungsschicht eine Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 1000 µm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf.
In manchen Ausführungen weist die Leitungsschicht eine Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 100 µm, insbesondere von zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht- und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung eines Strukturierungselementes oder mehrerer, insbesondere verschiedener, Strukturierungselemente möglich.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat elastisch (reversibel) verformbar. Durch die Elastizität des Substrates kann die erfindungsgemäße Elektrode an gekrümmte Werkstoffoberflächen angepasst werden. Gekrümmte Werkstoffoberflächen weisen einen Radius von zwischen 1 mm und 10 m, insbesondere 10 mm und 1 m, bevorzugt zwischen 10 mm und 0,5 m auf.
Durch das flexible (elastische) Verhalten der Elektrode kann die Elektrode, mittels geeigneter Halterung, jeweils auf das zu bearbeitende (gekrümmte) Werkstück angepasst werden. Die Halterung ist dabei so ausgebildet, dass die elektrische Kontaktierung der Elektrode und eine kontinuierliche Elektrolyten Versorgung gewährleistet werden. Die Halterung kann mittels Klemmung, Schrauben, durch Ankleben oder durch andere Befestigungsarten angebracht werden.
Die Verwendung eines elastischen Substrates eignet sich in vorteilhafter Weise zur Anbringung von Strukturen auf gekrümmten Werkstoffen, da die Elektrode besonders leicht an die Form der Werkstoffe angepasst werden kann.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm aufweist.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 1 µm bis 100 µm aufweist.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 10 µm bis 100 µm, insbesondere von 15 µm bis 80 µm, bevorzugt von 20 µm bis 50 µm aufweist.
In manchen Ausführungen umfasst das elastische Substrat ein elastisches Polymer, wobei das elastische Polymer bei Raumtemperatur (20 °C) ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von zwischen 0.3 und 5 kN/mm², insbesondere in einem Bereich von zwischen 1 und 5 kN/mm², aufweist.
Bezüglich der Erläuterungen hinsichtlich des Elastizitätsmoduls wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat Conformask, insbesondere Conformask der 2500er oder 3300er Serie.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einer elektrisch leitfähigen Metallschicht oder einer Metalllegierungsschicht.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe von Gold, Silber, Kupfer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Zink, Aluminium oder Legierungen davon. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Gold (Au), Silber (Ag) und Platin (Pt) oder Legierungen davon.
In bestimmten Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus Gold (Au). In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschichten eine Gesamtdicke zwischen 0.1 µm und 1000 µm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf.
In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschicht(en) (jeweils) eine Gesamtdicke von zwischen 100 nm und 100 µm (0.1 µm und 100 µm), insbesondere von zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm auf.
Bezüglich geeigneter Materialien für die Leitungsschicht(en) wird auf die oben erwähnten Ausführungen verwiesen. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. Leitungsschichten aus gleichen Materialen sind bevorzugt.
Die Auswahl der Leitungsschichten ist abhängig vom Material des Werkstückes und dem Elektrolyten. Ein Fachmann kann ohne weiteres auf Basis seines Fachwissens, beispielsweise unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands und der gewünschten Dicke, ein geeignetes Leitungsmaterial auswählen.
In manche Ausführungsformen weisen die Leitungsschicht(en) ein Material auf, welches bei 20°C einen spezifischen Widerstand zwischen 0,01 Ω·mm²/m und 1 Ω·mm²/m aufweist. Bezüglich weiterer Erläuterungen hinsichtlich des spezifischen Widerstands wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Im Allgemeinen ist eine weitere Leitungsschichte so auf der Oberfläche der darunterliegenden Isolierungsschicht ausgebildet, dass das Strukturierungselement der unteren Lage (bestehend aus Leitungsschicht und teilweise abdeckender Isolierungsschicht), nicht vollständig abgedeckt ist. Weiterhin ist weitere Isolierungsschicht abschnittsweise so auf der Oberfläche der weiteren Leitungsschicht ausgebildet, dass wenigstens ein Strukturierungselement innerhalb der weiteren Lage (bestehend aus der weiteren Leitungsschicht mit teilweiser abdeckender weiterer Isolierungsschicht) ausgebildet ist. Die Strukturierungselemente können in ihrer Struktur, ihren Breiten und Dicken unterschiedlich sein.
Diese alternierende Anordnung von Leitungs- und Isolierungsschichten (alternierende Anordnung der Lagen) kann beliebig oft wiederholt werden, so dass eine beliebige Anzahl an Strukturierungselementen möglich ist, was zu einer mehrlagigen Elektrode führt. Diese Anordnung ist sowohl für mehrlagige starre, planare Elektroden als auch mehrlagige, flexible Elektroden möglich.
In manchen Ausführungen weisen die Strukturierungselemente geometrisch geformte Strukturen auf, wie beispielsweise kreisförmige, elliptische, quadratische, rechteckige, und drei- bis achteckige Strukturen.
Weiterhin weist die Elektrode wenigstens eine elektrische Kontaktierungen auf. Die elektrische Kontaktierung(en) ermöglicht (ermöglichen) eine Ansteuerung der Strukturierungselemente in den jeweiligen Lagen (bestehend aus Leitungsschicht und strukturierter Isolierungsschicht) mit Strom. Dies führt zur Ausbildung eines konstanten elektrischen Feldes. Dabei kann die elektrische Kontaktierung derart ausgebildet sein, dass einzelne Strukturierungselemente innerhalb einer Lage getrennt voneinander mit Strom ansteuerbar sind, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder führt. Die Stärke des elektrischen Feldes beeinflusst, wie bereits beschrieben, den lokalen Materialabgang. Zudem erlaubt die elektrische Kontaktierung in der erfindungsgemäßen Elektrode, bei einer erfindungsgemäßen Verwendung, zu den einzelnen Strukturierungselementen während des laufenden Prozesses im Betrieb eine gezielte Stromversorgung herzustellen, wobei die einzelnen Strukturelemente mit unterschiedlichen Stromsflüssen angesteuert werden können. Alle diese Ausführungen können dabei auch beliebig miteinander kombiniert werden, was die Möglichkeiten des Elektrostrukturierens eines Werkstoffes signifikant erweitert. Dabei sind die elektrischen Kontaktierungen so ausgebildet, dass Sie jeweils nur in Kontakt mit den entsprechenden Leitungsschichten stehen, was es ermöglicht unterschiedliche Stromflüsse unabhängig voneinander in den einzelnen Leitungsschichten zu erzeugen. Dies kann zudem durch geeignete Isolierungen erfolgen. Insbesondere können die Isolierungsschichten derart angebracht werden, dass Sie nicht nur die Leitungsschichten voneinander trennen, sondern auch die jeweiligen elektrischen Kontaktierungen gegenüber den anderen Leitungsschichten isolieren.
Diese Ausführung erlaubt es, die Tiefen der einzelnen Strukturierungselemente durch die gezielte und variierbare Stromversorgung zu variieren, wobei dadurch das entstehende elektrische Feld variabel eingestellt werden kann. Es bietet zudem die Möglichkeit, Strukturierungselemente innerhalb einer Lage sowohl einzeln als auch gemeinsam und in Kombinationen (einzelne Strukturierungselemente sowie alle Strukturierungselemente in einer Lage) variable anzusteuern und somit komplexe Strukturen auf Werkstoffoberflächen bereitzustellen.
Die Tiefe der Strukturierungselemente kann variabel gestaltet werden. Die Leitungsschichten können, wie beschrieben, getrennt voneinander angesteuert werden, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder, und daher zu unterschiedlich starken lokalen Materialabgängen führt. Diese „Mehrlagigkeit“ der Elektrode gestattet eine präzise Bearbeitung von Werkstoffen, wobei sich unterschiedliche Tiefen auf dem Werkstoff auf eine verbesserte und einfachere Art und Weise als bisher möglich realisieren lassen. Mehrlagige planare als auch mehrlagige flexible Elektroden ermöglichen es dem Anwender, in einer Aufspannung mehrere, unterschiedliche Strukturen exakt zueinander ausgerichtet herzustellen und im Falle der flexiblen Elektrode wird die Bearbeitung von geformten Werkstoffen, beispielsweise von zylindrisch geformten Materialien, erheblich erleichtert.
Da die erfindungsgemäße Elektrode mit den Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt wird, ist die Positionierung der unterschiedlichen Lagen (Leitungs- und Isolierungsschichten) zueinander nur von der Genauigkeit der Herstellungsmethode abhängig und liegt in der Regel ein bis zwei Größenordnungen unterhalb der mit der Mikro-Elektrostrukturierung erreichbaren Auflösungen.
Die minimale Strukturauflösung liegt im Bereich der Schichtdicke des Photoresist Polymers. Die lateralen Strukturgrößen sind nach unten durch die Möglichkeit der Lithografie beschränkt, während nach oben keine Grenzen gesetzt sind. In der Praxis orientieren sich die Strukturgrößen an dem Auflösungsvermögen des Elektrostrukturier-Prozesses, welche wiederrum vom Abstand zwischen Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück abhängt.
In bestimmten Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht- und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung mehrerer verschiedener Strukturierungselementen möglich. Dabei enthält jede neue Lage weitere Strukturierungselemente ohne die darunter liegenden Strukturierungselemente der unteren Lage(n) abzudecken.
In manchen Ausführungen ist die Leitungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, welches zusammen mit dem Werkstoff und der Elektrolytlösung eine galvanische Zelle ausbildet. Bezüglich weiterer Erläuterungen hinsichtlich einer galvanischen Zelle wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann auch zur galvanischen Strukturierung („Galvanoformung“) von Werkstoff-Materialien verwendet werden, sofern während des Prozesses die notwendigen Ionen nicht aus dem Material der Elektrode sondern aus dem Elektrolyten bezogen werden und die elektrischen Anschlüsse umgepolt werden. Dabei wird das Werkstück Kathoden-gepolt und die Elektrode als Anode geschaltet. In dieser Anordnung ist es möglich, Schichtdicken im Nanometerbereich, bis hin zu mehreren Millimetern auf der Werkstoffoberfläche herzustellen. Es wird im Wesentlichen auf die Ausführungen des Anoden-gepolten Werkstücks verwiesen, die hierbei analog anwendbar sind.
Galvanoformung ist eine Strukturierungsform aus dem ionisierten Zustand, wobei ein Metall elektrolytisch aus einem wässrigen Salzbad an dem elektrisch leitfähigen und Kathoden-gepolten Werkstück abgeschieden wird. Diese Form der Strukturierung dient hauptsächlich zur Erzeugung metallischer Beschichtungen oder zur Herstellung selbsttragender metallischer Werkstücke.
In manchen Ausführungen weisen die Leitungsschichten der erfindungsgemäßen Elektrode eine Haftungsvermittlungsschicht an Ihrer Ober- und/oder Unterseite auf.
Die Haftvermittlungsschicht in der erfindungsgemäßen Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass sie der Haftvermittlung der einzelnen Schichten dient.
In manchen Ausführungen ist die Haftungsvermittlungschicht aus einem hydrophoben Material ausgebildet.
In manchen Ausbildungen ist die Haftvermittlungsschicht ein Metall, das unter Atmosphärensauerstoff eine geschlossene Oxidschicht auf seiner Oberfläche ausbildet, und dadurch eine Metalloxidverbindung entsteht.
In manchen Ausführungen ist die Haftungsvermittlungsschicht ein Metall, oder eine Metalllegierung, ausgewählt aus der Gruppe von Kupfer (Cu), Chrom (Cr), oder Tantal (Ta).
Die Haftvermittlungsschicht ist hilfreich, damit die neu angefügten Leitungsschichten präzise und dauerhaft auf den entsprechenden Schichten aufliegen und die einzelnen Schichten auch bei einer erfindungsgemäßen Verwendung in Ihrer Position verbleiben. Die Haftvermittlungsschicht sollte des Weiteren sowohl gegenüber der Leitungsschicht als auch der Isolationsschicht eine sehr gute Haftung aufweisen.
Die wasserabweisende Eigenschaft der Haftungsvermittlung ist hilfreich, um eine feste Haftsicherung der Isolierungsschichten zu gewährleisten.
In bestimmten Ausführungen weist die Haftvermittlungsschicht eine Höhe im Bereich von 10 nm und 20 nm, insbesondere von 15 nm auf.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet, welches elektrisch isolierend wirkt, und weist eine geringe Wasserdurchlässigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit auf.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein auf Epoxidharz-basierendes Polymer.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein elektrisch isolierendes Metalloxid, umfassend Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinkoxid (ZnO), Siliziumdioxid (SiO₂) und Berylliumoxid (BeO; „Beryllerde“) oder gemischte Metalloxide.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Metall, das mittels Oxidation beispielsweise unter Atmosphärensauerstoff oder durch eine gezielte chemische Oxidationsreaktion eine isolierende Metalloxidverbindung ausbildet.
In manchen Ausführungen umfasst die Leitungsschicht auch die Isolierungsschicht, wobei die Leitungsschicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist, und die Isolierungsschicht direkt auf der Oberfläche der Leitungsschicht oder dem leitfähigen Substrat mittels Oxidation, z.B. unter Atmosphärensauerstoff, oder durch eine gezielte chemische Oxidationsreaktion, als Metalloxidschicht abschnittsweise ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Photoresist-Polymer (Fotolack).
In bestimmten Ausführungen ist die Isolierungsschicht eine Lötstoppmaske, wie beispielsweise die Conformask-Serie oder ein Photoresist, wie beispielsweise SU-8.
In bestimmten Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Polyblend.
In bestimmten Ausführungen ist die Schichtdicke der Isolierungsschicht zwischen 50 nm und 10 µm (0.05 µm und 10 µm), insbesondere zwischen 0.5 µm und 5 µm dick.
Des Weiteren muss die Isolierungsschicht eine chemisch hohe Beständigkeit aufweisen, um zu gewährleisten, dass sich ihre Eigenschaften in weiteren Prozessierungsschritten nicht verändert oder es gar zur Zersetzung der Schicht kommt.
Zum Herstellen der Strukturierungselemente wird bevorzugt eine dünne Schicht der Isolierungsschicht abgeschieden und strukturiert. Die Schicht sollte möglichst dünn sein, damit eine geringe Störung der Elektrolytströmung stattfindet und die Reaktionsprodukte effektiv abtransportiert werden können. SU-8 weist sich durch seine hohe Beständigkeit sowie durch seine einfache, schnelle und kostengünstige Verarbeitung aus und wird daher bevorzugt verwendet.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode einen fluidischen Kanal auf, der zur Leitung eines Elektrolyten ausgebildet ist, wobei der fluidische Kanal eine Grundfläche aufweist, die wenigstens die Strukturierungselemente der Elektrode umfasst, wobei der fluidischen Kanal eine Durchflussfläche aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
In manchen Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem chemisch und mechanisch beständigen und elektrisch nicht leitfähigen Materials.
In manchen Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem Polymer.
In bestimmten Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem Photoresist oder einer Lötstoppmaske, insbesondere aus der Conformask-Serie oder SU-8.
In manchen Ausführungen hat die Wandung des fluidischen Kanals eine Höhe von 1 µm bis 1 mm, insbesondere 20 µm.
In bestimmten Ausführungen ist die Breite des fluidischen Kanals durch die gewünschte Struktur bestimmt und mindestens genauso breit wie die zu resultierende Struktur auf der Werkstückoberfläche.
In bestimmten Ausführungen ist der fluidische Kanal auf der Elektrode integriert und somit ein fester Bestandteil deren. Er kann als letzte Schicht auf die wenigstens eine Metallisierungs- und Isolierungsschichten der Elektrode gegeben werden und soll alle vorhandenen Strukturierungselemente nicht überdecken.
Die Dicke des fluidischen Kanals hängt von dem Anforderungsprofil ab und kann vom Fachmann einfach bestimmt werden. Über die Höhe des fluidischen Kanals kann der Arbeitsabstand zwischen Elektrode und Werkstück eingestellt werden. Je höher der Kanal ist, desto größer ist der Abstand zu den Strukturierungselementen. Durch diese Anordnung wird die Streuung des elektrischen Feldes verringert und somit die laterale Strukturauflösung maßgeblich verbessert.
In einer Ausführungsform variiert die Breite des fluidischen Kanals. Der fluidische Kanal weist somit eine entlang der Fließrichtung des Elektrolyten sich variierende Durchflussfläche auf (die je nach Einstellung kleiner oder größer wird), womit die Elektrolytgeschwindigkeit beeinflusst werden kann. Durch das Verändern der Elektrolytgeschwindigkeit ist es möglich die Metallionenkonzentration zwischen Elektrode und Werkstück zu beeinflussen, was wiederum den lokalen Materialabtrag am Werkstück verändert. Das abgetragene Material wird dabei kontinuierlich durch den fluidischen Kanalstrom abtransportiert.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen fluidischen Kanal zur Leitung eines Elektrolyten für eine Elektrode geeignet für Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend eine Grundfläche, die eine Durchflussfläche für den Elektrolyten aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
Es wird auf die Ausführungen des vierten Aspekts der Erfindung bezüglich der Ausgestaltungen und der Vorteile des fluidischen Kanals verwiesen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode, geeignet für Mikro- oder Nanostrukturierungen von Werkstoffen, aufweisend einen fluidischen Kanal zur Leitung eines Elektrolyten und wenigstens ein Strukturierungselement, wobei der fluidische Kanal eine Grundfläche aufweist, die wenigstens das eine Strukturierungselement umfasst, und wobei der fluidische Kanal eine Durchflussfläche für den Elektrolyten aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert
In manchen Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem chemisch und mechanisch beständigen und elektrisch nicht leitfähigen Materials.
In manchen Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem Polymer.
In bestimmten Ausführungen besteht die Wandung des fluidischen Kanals aus einem Photoresist oder einer Lötstoppmaske, insbesondere aus der Conformask-Serie oder SU-8.
In manchen Ausführungen hat die Wandung des fluidischen Kanals eine Höhe von 1 µm bis 1 mm, insbesondere 20 µm.
In bestimmten Ausführungen ist die Breite des fluidischen Kanals durch die gewünschte Struktur bestimmt und mindestens genauso breit wie die zu resultierende Struktur auf der Werkstückoberfläche.
In bestimmten Ausführungen ist der fluidische Kanal auf der Elektrode integriert und somit ein fester Bestandteil deren. Er kann als letzte Schicht auf die wenigstens eine Metallisierungs- und Isolierungsschichten der Elektrode gegeben werden und soll alle vorhandenen Strukturierungselemente nicht überdecken.
Die Dicke des fluidischen Kanals hängt von dem Anforderungsprofil ab und kann vom Fachmann einfach bestimmt werden. Über die Höhe des fluidischen Kanals kann der Arbeitsabstand zwischen Elektrode und Werkstück eingestellt werden. Je höher der Kanal ist, desto größer ist der Abstand zu den Strukturierungselementen. Durch diese Anordnung wird die Streuung des elektrischen Feldes verringert und somit die laterale Strukturauflösung maßgeblich verbessert.
In einer Ausführungsform variiert die Breite des fluidischen Kanals. Der fluidische Kanal weist somit eine entlang der Fließrichtung des Elektrolyten sich variierende Durchflussfläche auf (die je nach Einstellung kleiner oder größer wird), womit die Elektrolytgeschwindigkeit beeinflusst werden kann. Durch das Verändern der Elektrolytgeschwindigkeit ist es möglich die Metallionenkonzentration zwischen Elektrode und Werkstück zu beeinflussen, was wiederum den lokalen Materialabtrag am Werkstück verändert. Das abgetragene Material wird dabei kontinuierlich durch den fluidischen Kanalstrom abtransportiert.
In manchen Ausführungsformen weist die Elektrode ein Substrat auf, welches wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrats aufweist, oder ein Substrat, welches eine leitfähige Substratschicht ausbildet, wobei

– wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der wenigstens einen ersten Leitungsschicht oder der leitfähigen Substratschicht ausgebildet ist,
– wobei die erste Isolierungsschicht die wenigstens eine erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist.

In manchen Ausführungsformen weist das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form auf.
In manchen Ausführungsformen ist das Substrat plastisch verformbar. In manchen Ausführungsformen ist das Substrat elastisch verformbar. In einigen Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung mehrerer verschiedener Strukturierungselemente innerhalb dieser Lage möglich.
Durch das abschnittsweise Abdecken der Leitungsschicht (bzw. der leitfähigen Substratschicht) mittels der Isolierungsschicht wird ein Strukturierungselement ausgebildet, welches als Grundfläche eine nicht isolierte Leitungsschicht aufweist, welche mit einer weiteren Elektrode bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung ein elektrisches Feld ausbilden kann, wobei durch die weitere Isolierung der leitfähigen Schicht dieses elektrische Feld räumlich begrenzt ist. Es ist somit möglich ein lokal begrenztes und definiertes elektrisches Feld auszubilden.
Unter einem abschnittsweisen Abdecken im Sinne der Erfindung kann ein Abdecken einer direkt unterhalb der Isolierungsschicht angeordneten Schicht, wie beispielsweise der ersten Leitungsschicht, als auch ein Abdecken weitere, darunter liegender Schichten, wie beispielsweise der leitfähigen Substratsicht, verstanden werden. Wesentlich dabei ist, dass durch das teilweise abdecken durch die Isolierungsschicht bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode ein elektrisches Feld nur zwischen der nicht abgedeckten leitfähigen Schicht (Leitungsschicht) des Strukturierungselements und einer weiteren Elektrode ausgebildet werden kann.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material („leitfähiges Substrat“), insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet. Das Substrat bildet somit eine leitfähige Substratschicht aus. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der leitfähigen Substratschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und ein erstes Strukturierungselement ausbildet. In anderen Worten, die leitfähige Substratschicht kann als eine erste Leitungsschicht angesehen werden, auf welcher eine erste Isolierungsschicht anliegt; das Anbringen einer zusätzlichen Leitungsschicht ist daher nicht notwendig.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ein leitfähiges Übergangsmetall, ein Halbmetall oder eine Metalllegierung, insbesondere ausgewählt aus der 4., 6., 8., 11., 13. oder 14. Gruppe des Periodensystems der Elemente.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titan (Ti), Chrom (Cr), Wolfram (W), Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Aluminium (Al) oder Germanium (Ge) oder Legierungen davon.
In einigen Ausführungen ist das leitfähige Substrat ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium oder Kupfer oder Legierungen davon.
In einigen Ausführungen weist das Substrat eine Dicke von zwischen 0.1 und 5.0 mm, insbesondere zwischen 0.2 und 2.5 mm, bevorzugt zwischen 0.3 und 1.0 mm auf.
In manchen Ausführungen weist das leitfähige Substrat eine leitfähige Metalllegierung, insbesondere Bronze (CuSn; Kupfer-Zinn), Messing (CuZn; Kupfer-Zink), oder Eisen-Nickel (FeNi) auf.
In manchen Ausführungen ist das leitfähige Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet und auf dem Substrat ist zusätzlich wenigstens eine erste Leitungsschicht ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet. Insbesondere ist das Material der ersten Leitungsschicht ein anderes als das der Substratschicht. Die erste Isolierungsschicht befindet sich dabei auf der Oberfläche der wenigstens ersten Leitungsschicht, wobei das Substrat derart mit der Leitungsschicht bedeckt ist, dass das Strukturierungselement die Leitungsschicht als Grundfläche aufweist. Alternativ kann die erste Leitungsschicht abschnittsweise auf dem Substrat angeordnet sein, wobei die erste Isolierungsschicht vollständig die erste Leitungsschicht abdeckt aber nur abschnittsweise die erste Substratschicht, so dass ein Strukturierungselement ausgebildet ist, welches als Grundfläche die leitfähige Substratschicht aufweist.
In manchen Ausführungen bedeckt die Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht derart abschnittweise, dass wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen bedeckt die Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht derart abschnittweise, dass mehrere, insbesondere unterschiedliche, Strukturierungselemente ausgebildet sind.
Die Grundfläche des ersten Strukturierungselementes besteht somit aus der Oberfläche der ersten Leitungsschicht bzw. aus der Oberfläche des Substrates.
Durch das abschnittsweise Bedecken der Leitungsschicht oder der Substratschicht durch die Isolierungsschicht wird bewirkt, dass die Leitungsschicht oder die Substratschicht nur an definierten Stellen elektrisch leitfähig ist, während die von der Isolierungsschicht abgedeckten Flächen elektrisch isoliert wirken. Es verbleibt somit ein Strukturierungselement mit einer leitfähigen Grundfläche, welche zur Ausbildung eines elektrischen Feldes geeignet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass ein definiertes elektrisches Feld ausgebildet werden kann. Dabei wird die Strukturierungen über die Form der Strukturierungselemente bestimmt.
Die Leitungs- und Isolierungsschicht oder das leitfähige Substrat- und die Isolierungsschicht bilden eine Lage aus, in welcher wenigstens ein Strukturierungselement angeordnet ist. Dabei kann eine Lage mehrere, insbesondere unterschiedliche, Strukturierungselemente aufweisen, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Mit anderen Worten, die oberste Schicht einer Lage, bzw. die letzte Lage der Elektrode ist eine Isolierungsschicht.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode können die auf einer Lage befindlichen Strukturierungselemente sowohl gleiche als auch verschiedene Formen aufweisen, welche jeweils unterschiedlich mit Strom ansteuerbar sind. Die Anordnung verschiedener und einzeln ansteuerbarer Strukturierungselemente ermöglicht somit die Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder, was zu unterschiedlich starken lokalen Materialabgängen bzw. Materialanlagerungen am Werkstoff führt.
In manchen Ausführungen ist die besagte zusätzliche erste Leitungsschicht eine Metallisierungsbeschichtung, bestehend aus einer elektrisch leitfähigen Metall- oder Legierungsschicht.
Die Auswahl der Komponenten der ersten Leitungsschicht hängt vom Material des Werkstückes und dem Elektrolyten ab, wobei der Fachmann ohne weiteres auf Basis seines Fachwissens die entsprechenden Komponenten auswählen kann. Es wird auf die späteren Erläuterungen und Definitionen bezüglich der Leitungsschichten verwiesen.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer, ausgebildet („nicht leitfähiges Substrat“) und auf diesem Substrat ist wenigstens eine erste Leitungsschicht auf dessen Oberfläche ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet.
Wie bereits erläutert ist auch die Ausbildung mehrerer Strukturierungselemente möglich. In manchen Ausführungen besteht das nicht leitfähige Substrat aus einem Polymer. In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein thermoplastisches Polymer.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein thermoplastisches Polymer (Thermoplast) ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polyactat (PLA), Polymethylmetharylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PS), Polyetheretherketon (PEEK), oder Polyvinylchlorid (PVC) oder Mischungen von Polymeren.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein Polyurethan-Polymer. Werden zwei oder mehrere Polymere gemischt, bezeichnet man dieses Material als Polyblend. Polyblends umfassen insbesondere ABS/PA, PC, Acryl/PVC („Kydex“), Acrylester-Styrol-Acrylnitril/Polyvinylchlorid (ASA/PC), Polypropylen/Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (PP/EPDM), Polycarbonat/Polybutylenterephthalat (PC/PBT), und PS/PE.
Thermoplaste sind Polymere, welche aus linearen oder verzweigten Kettenmolekülen bestehen. Sie besitzen eine geringe Festigkeit, sind elastisch und sehr verformbar, und können einen amorphen oder teilkristallinen Molekülverband ausbilden. Thermoplaste sind bei einem bestimmten Temperaturbereich plastisch verformbar, wobei sich unterhalb dieses Temperaturbereichs diese Polymere nicht weiter plastisch verformen lassen (irreversibel). Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, solange keine Überhitzung stattfindet, die zur thermischen Zersetzung des Materials führt.
Gemäß dem Fachmann bekannten Eigenschaften werden für diese Erfindung relevante Thermoplaste nach Bedarf ausgewählt.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 1 µm und 1 mm dick.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 1 µm und 0.5 mm, insbesondere zwischen 10 µm und 100 µm dick, wobei die Substratdicke größtenteils von der mechanischen Anforderung und den Materialeigenschaften des Substrates abhängt. Der Fachmann kann auf Basis seines Fachwissens ohne weiteres eine den Anforderungen angemessene Materialdicke auswählen.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 20 µm und 50 µm dick.
Zur Ausbildung der Elektrode wird auf das nicht leitfähige Substrat des Weiteren eine elektrische Leitungsschicht aufgebracht.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 1 mm, In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat zwischen 1 µm und 0.5 mm.
In bestimmten Ausführungen besteht diese Leitungsschicht aus wenigstens einer leitfähigen Metallschicht (oder einer leitfähigen Metalllegierung) mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt mit einer Gesamtdicke von zwischen 0.2 µm und 50 µm.
In bestimmten Ausführungen ist die elektrische Leitungsschicht zwischen 0,5 µm und 1 µm dick.
Das Strukturierungselement kann durch teilweises Abdecken der besagten Leitungsschicht mit einer ersten elektrisch nicht leitfähigen Isolierungsschicht durch eine Maske oder Schablone ausgebildet werden.
In manchen Ausführungen ist das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer („plastisches Substrat“) ausgebildet, und auf dem Substrat ist wenigstens eine erste Leitungsschicht auf dessen Oberfläche ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet.
In manchen Ausführungen ist das plastische Substrat aus einem Polymer ausgebildet. In bestimmten Ausführungen ist das plastische Substrat ein thermoplastisches Polymer entsprechend den oben erwähnten Aspekten.
Durch die plastische Verformbarkeit des Substrates kann die Elektrode an die Form der zu behandelnden Werkstoffe bzw. Werkstücke (irreversibel) angepasst werden. Die irreversible Verformbarkeit des Substrates führt zur Ausbildung einer im Wesentlichen starren Elektrode.
In manchen Ausführungen ist das Substrat nicht leitfähig und aus einem elastischen Polymer ausgebildet („elastisches Substrat“), und auf der Oberfläche des Substrates ist wenigstens eine erste Leitungsschicht ausgebildet. Weiterhin ist wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausgebildet wird. Es handelt sich um eine „flexible“ Elektrode.
Durch die elastische Verformbarkeit des Substrates kann die Elektrode an die Form der zu behandelnden Werkstoffe reversibel angepasst werden.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein elastisches Polymer (Elastomer). In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein Elastomer ausgewählt aus Naturkautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk, Butadien-Kautschuk und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer (TPE) auf Olefinbasis (TPE-O), ein vernetztes thermoplastisches Elastomer auf Olefinbasis (TPE-V), ein thermoplastisches Polyesterelastomer (TPE-E), ein thermoplastisches Copolyester (TPC), Styrol-Blockcopolymere (TPE-S), ein thermoplastisches Copolyamid (TPE-A), oder eine Elastomerlegierung („Polyblend“). TPE-O und TPE-V umfassen beispielsweise PP/EPDM, TPE-E und TPC umfassen Hytrel^® und Riteflex^®, TPE-S umfassen beispielsweise Styrol-Butadien-Styrol oder Methylacrylat-Butadien-Styrol, einschließend Styrol, Styroflex^®, Septon^® und Thermolast^®, und TPE-A umfasst beispielsweise PEBAX^®, ein Polyether-Block-Amid.
In bestimmten Ausführungen ist das elastische Substrat ein thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis (TPE-U), umfassend Desmopan^®, Texin^® und Utechllan^® sowie eine Polyester-Urethan-Kautschuk Verbindung, umfassend Baytec^®, Cellasto^®, Vulkollan^®, Elasturan^®, Sylomer^®, Sylodyn^®, und Urepan^®.; Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt unterhalb der Einsatztemperatur ist. Die Kunststoffe können sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurück.
Thermoplastische Elastomere (auch Elastoplaste genannt) sind Polymere, die sich bei Raumtemperatur wie klassische Elastomere verhalten, jedoch unter Wärmezufuhr plastisch verformbar werden. Die meisten thermoplastischen Elastomere umfassen Copolymere, welche aus einer weichen Elastomer- und einer harten thermoplastischen Komponente bestehen.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat ein Polymer, insbesondere ein Polymethylmethacrylat, Novolak, und Polymethylglutarimid, oder ein Epoxidharz.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein auf Epoxidharz-basierendes Polymer, insbesondere SU-8. In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat ein Photoresist (Fotolack) („Photoresist-Substrat“) oder eine Lötstoppmaske (Lötstopplack).
In bestimmten Ausführungen ist das Photoresist-Substrat ausgewählt aus SU-8 oder der Conformask-Serie, insbesondere der Conformask 2500 oder 3300er Serie.
Bezüglich der Erläuterungen hinsichtlich des Fotolackes wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In bestimmten Ausführungen umfasst die elektrische Leitungsschicht wenigstens eine leitfähige Metallschicht oder eine Metalllegierung.
In manchen Ausführungen weist die Leitungsschicht eine Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 1000 µm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf.
In manchen Ausführungen weist die Leitungsschicht eine Gesamtdicke von zwischen 0.1 µm und 100 µm, insbesondere von zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht- und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung eines Strukturierungselementes oder mehrerer, insbesondere verschiedener, Strukturierungselemente möglich.
In bestimmten Ausführungen ist das nicht leitfähige Substrat elastisch (reversibel) verformbar. Durch die Elastizität des Substrates kann die erfindungsgemäße Elektrode an gekrümmte Werkstoffoberflächen angepasst werden. Gekrümmte Werkstoffoberflächen weisen einen Radius von zwischen 1 mm und 10 m, insbesondere 10 mm und 1 m, bevorzugt zwischen 10 mm und 0,5 m auf.
Durch das flexible (elastische) Verhalten der Elektrode kann die Elektrode, mittels geeigneter Halterung, jeweils auf das zu bearbeitende (gekrümmte) Werkstück angepasst werden. Die Halterung ist dabei so ausgebildet, dass die elektrische Kontaktierung der Elektrode und eine kontinuierliche Elektrolyten Versorgung gewährleistet werden. Die Halterung kann mittels Klemmung, Schrauben, durch Ankleben oder durch andere Befestigungsarten angebracht werden.
Die Verwendung eines elastischen Substrates eignet sich in vorteilhafter Weise zur Anbringung von Strukturen auf gekrümmten Werkstoffen, da die Elektrode besonders leicht an die Form der Werkstoffe angepasst werden kann.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm aufweist
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 1 µm bis 100 µm aufweist.
In manchen Ausführungen ist das nicht leitfähige, elastische Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet, wobei das elastische Polymer eine Höhe in einem Bereich von 10 µm bis 100 µm, insbesondere von 15 µm bis 80 µm, bevorzugt von 20 µm bis 50 µm aufweist.
In manchen Ausführungen umfasst das elastische Substrat ein elastisches Polymer, wobei das elastische Polymer bei Raumtemperatur (20 °C) ein Elastizitätsmodul in einem Bereich von zwischen 0.3 und 5 kN/mm², insbesondere in einem Bereich von zwischen 1 und 5 kN/mm², aufweist.
Bezüglich der Erläuterungen hinsichtlich des Elastizitätsmoduls wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
In manchen Ausführungen ist das elastische Substrat Conformask, insbesondere Conformask der 2500er oder 3300er Serie.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode zwei Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten auf. Dabei bilden die erste Leitungsschicht und die erste Isolierungsschicht eine erste Lage aus, wobei innerhalb der ersten Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist. Weiterhin sind eine zweite Leitungsschicht und eine zweite Isolierungsschicht an der Elektrode angeordnet, die eine zweite Lage ausbilden. Dabei ist die zweite Leitungsschicht auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht ausgebildet, wobei die zweite Leitungsschicht die erste Isolierungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass wenigstens ein Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist. Weiterhin weist die Elektrode auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht die zweite Isolierungsschicht auf, welche die zweite Leitungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das wenigstens eine Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist und wenigstens ein Strukturierungselement in der zweiten Lage ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode mehrere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten auf, wobei die weiteren Leitungsschichten und Isolierungsschichten derart ausgebildet sind, dass die Strukturierungselemente der darunterliegenden Lagen nicht abdeckt sind und in der jeweiligen Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Die vorhergehenden Strukturierungselemente werden somit nicht von weiteren Leitungs- und Isolierungsschicht überdeckt, so dass im Falle mehrerer Lagen, alle auf den vorhergehenden, unteren Lagen befindlichen Strukturierungselemente freibleiben.
Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Elektrode weisen somit die auf verschiedenen Lagen befindlichen Strukturierungselemente unterschiedliche Abstände zu dem Werkstoff auf, welches zu einer Ausbildung von verschiedenen Strukturtiefen auf dem Werkstück führt. Dabei bilden die Strukturierungselemente, welche sich auf der obersten Lage der Elektrode befinden, die tiefsten Strukturen aus, da hier das elektrische Feld verstärkt wirkt und die elektrische Feldstreuung geringer ist.
Ein größerer Effekt auf die Strukturtiefen wird über die Stromdichte, wie später erläutert, während des Prozesses und die Prozessdauer erzielt.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einer elektrisch leitfähigen Metallschicht oder einer Metalllegierungsschicht.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe von Gold, Silber, Kupfer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Zink, Aluminium oder Legierungen davon. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien.
In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Gold (Au), Silber (Ag) und Platin (Pt) oder Legierungen davon.
In bestimmten Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus Gold (Au). In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschicht(en) (jeweils) eine Gesamtdicke von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm aufweist.
In bestimmten Ausführungen weisen die Leitungsschicht(en) (jeweils) eine Gesamtdicke von zwischen 100 nm und 100 µm (0.1 µm und 100 µm), insbesondere von zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist die zweite Leitungsschicht so auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht ausgebildet, dass das Strukturierungselement der ersten Lage (bestehend aus erster Leitungsschicht und teilweise abdeckender ersten Isolierungsschicht), nicht vollständig abgedeckt ist. Weiterhin ist die zweite Isolierungsschicht abschnittsweise so auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht ausgebildet, dass wenigstens ein Strukturierungselement innerhalb der zweiten Lage (bestehend aus zweiter Leitungsschicht mit teilweiser abdeckender zweiter Isolierungsschicht) ausgebildet ist. Die Strukturierungselemente können in ihrer Struktur, ihren Breiten und Dicken unterschiedlich sein.
In manchen Ausführungen weisen die Strukturierungselemente geometrisch geformte Strukturen auf, wie beispielsweise kreisförmige, elliptische, quadratische, rechteckige, und drei- bis achteckige Strukturen.
Weiterhin weist die Elektrode wenigstens eine elektrische Kontaktierungen auf. Die elektrische Kontaktierung(en) ermöglicht (ermöglichen) eine Ansteuerung der Strukturierungselemente in den jeweiligen Lagen (bestehend aus Leitungsschicht und strukturierter Isolierungsschicht) mit Strom. Dies führt zur Ausbildung eines konstanten elektrischen Feldes. Dabei kann die elektrische Kontaktierung derart ausgebildet sein, dass einzelne Strukturierungselemente innerhalb einer Lage getrennt voneinander mit Strom ansteuerbar sind, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder führt. Die Stärke des elektrischen Feldes beeinflusst, wie bereits beschrieben, den lokalen Materialabgang. Zudem erlaubt die elektrische Kontaktierung in der erfindungsgemäßen Elektrode, bei einer erfindungsgemäßen Verwendung, zu den einzelnen Strukturierungselementen während des laufenden Prozesses im Betrieb eine gezielte Stromversorgung herzustellen, wobei die einzelnen Strukturelemente mit unterschiedlichen Stromsflüssen angesteuert werden können. Alle diese Ausführungen können dabei auch beliebig miteinander kombiniert werden, was die Möglichkeiten des Elektrostrukturierens eines Werkstoffes signifikant erweitert. Dabei sind die elektrischen Kontaktierungen so ausgebildet, dass Sie jeweils nur in Kontakt mit den entsprechenden Leitungsschichten stehen, was es ermöglicht unterschiedliche Stromflüsse unabhängig voneinander in den einzelnen Leitungsschichten zu erzeugen. Dies kann zudem durch geeignete Isolierungen erfolgen. Insbesondere können die Isolierungsschichten derart angebracht werden, dass Sie nicht nur die Leitungsschichten voneinander trennen, sondern auch die jeweiligen elektrischen Kontaktierungen gegenüber den anderen Leitungsschichten isolieren.
Diese Ausführung erlaubt es, die Tiefen der einzelnen Strukturierungselemente durch die gezielte und variierbare Stromversorgung zu variieren, wobei dadurch das entstehende elektrische Feld variabel eingestellt werden kann. Es bietet zudem die Möglichkeit, Strukturierungselemente innerhalb einer Lage sowohl einzeln als auch gemeinsam und in Kombinationen (einzelne Strukturierungselemente sowie alle Strukturierungselemente in einer Lage) variable anzusteuern und somit komplexe Strukturen auf Werkstoffoberflächen bereitzustellen.
Da die erfindungsgemäße Elektrode mit den Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt wird, ist die Positionierung der unterschiedlichen Lagen (Leitungs- und Isolierungsschichten) zueinander nur von der Genauigkeit der Herstellungsmethode abhängig und liegt in der Regel ein bis zwei Größenordnungen unterhalb der mit der Mikro-Elektrostrukturierung erreichbaren Auflösungen.
In manchen Ausführungen wird eine dritte Leitungsschicht auf die zweite Isolierungsschicht gelegt, so dass das zweite und das Strukturierungselement freibleiben. Weiterhin wird auf der dritten Leitungsschicht eine dritte Isolierungsschicht derart angebracht, dass das zweite und das Strukturierungselement freibleiben und wenigstens ein drittes Strukturierungselement ausgebildet ist. Diese alternierende Anordnung von Leitungs- und Isolierungsschichten (alternierende Anordnung der Lagen) kann beliebig oft wiederholt werden, so dass eine beliebige Anzahl an Strukturierungselementen möglich ist, was zu einer mehrlagigen Elektrode führt. Diese Anordnung ist sowohl für mehrlagige starre, planare Elektroden als auch mehrlagige, flexible Elektroden möglich.
In manchen Ausführungen weist die erfindungsgemäße Elektrode weitere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten auf, wobei die weiteren Leitungsschichten und Isolierungsschichten derart ausgebildet sind, dass die Strukturierungselemente der darunterliegenden Lagen nicht abdeckt sind und in der jeweiligen Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist. Dabei sind die weiteren Leitungsschichten auf den Isolierungsschichten derart abschnittsweise ausgebildet, dass die darunterliegenden Strukturierungselemente nicht abdeckt sind. Weiterhin sind die Isolierungsschichten auf den Leitungsschichten derart abschnittsweise ausgebildet, dass die darunterliegenden Strukturierungselemente nicht abdeckt sind, und wenigstens ein weiteres Strukturierungselement in der jeweiligen Lage ausgebildet ist.
Die Tiefe der Strukturierungselemente kann variabel gestaltet werden. Die Leitungsschichten können, wie beschrieben, getrennt voneinander angesteuert werden, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder, und daher zu unterschiedlich starken lokalen Materialabgängen führt. Diese „Mehrlagigkeit“ der Elektrode gestattet eine präzise Bearbeitung von Werkstoffen, wobei sich unterschiedliche Tiefen auf dem Werkstoff auf eine verbesserte und einfachere Art und Weise als bisher möglich realisieren lassen. Mehrlagige planare als auch mehrlagige flexible Elektroden ermöglichen es dem Anwender, in einer Aufspannung mehrere, unterschiedliche Strukturen exakt zueinander ausgerichtet herzustellen und im Falle der flexiblen Elektrode wird die Bearbeitung von geformten Werkstoffen, beispielsweise von zylindrisch geformten Materialien, erheblich erleichtert.
Die minimale Strukturauflösung liegt im Bereich der Schichtdicke des Photoresist Polymers. Die lateralen Strukturgrößen sind nach unten durch die Möglichkeit der Lithografie beschränkt, während nach oben keine Grenzen gesetzt sind. In der Praxis orientieren sich die Strukturgrößen an dem Auflösungsvermögen des Elektrostrukturier-Prozesses, welche wiederrum vom Abstand zwischen Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück abhängt.
In manchen Ausführungen bestehen die weiteren Leitungsschichten aus einer leitfähigen Metallschicht oder einer leitfähigen Metalllegierungsschicht. In manchen Ausführungen bestehen die Leitungsschicht(en) aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe von Gold, Silber, Kupfer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Zink, Aluminium oder Legierungen davon.
In bestimmten Ausführungen bestehen die weiteren Leitungsschichten aus Gold (Au). In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien.
In bestimmten Ausführungen weisen die weiteren Leitungsschichten eine Gesamtdicke zwischen 0.1 µm und 1000 µm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm auf.
In bestimmten Ausführungen weisen die weiteren Leitungsschichten eine Gesamtdicke von zwischen 100 nm und 100 µm (0.1 µm und 100 µm), insbesondere zwischen 0.4 µm und 80 µm, bevorzugt zwischen 0.2 µm und 50 µm, auf.
In bestimmten Ausführungen weisen die weiteren Leitungsschichten eine Gesamtdicke von zwischen 0.2 µm und 10 µm auf.
In bestimmten Ausführungen ist innerhalb einer aus Leitungsschicht- und Isolierungsschicht bestehenden Lage die Ausbildung mehrerer verschiedener Strukturierungselementen möglich. Dabei enthält jede neue Lage weitere Strukturierungselemente ohne die darunter liegenden Strukturierungselemente der unteren Lage(n) abzudecken.
In manchen Ausführungen ist die wenigstens erste Leitungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, welches zusammen mit dem Werkstoff und der Elektrolytlösung eine galvanische Zelle ausbildet. Es wird bezüglich der galvanischen Zelle auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Bezüglich geeigneter Materialien für die Leitungsschicht(en) wird auf die oben erwähnten Ausführungen verwiesen. In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils unterschiedlichen Materialien. In manchen Ausführungsformen bestehen einzelne Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien In manchen Ausführungsformen bestehen die Leitungsschichten aus jeweils gleichen Materialien. Leitungsschichten aus gleichen Materialen sind bevorzugt.
Die Auswahl der Leitungsschichten ist abhängig vom Material des Werkstückes und dem Elektrolyten. Ein Fachmann kann ohne weiteres auf Basis seines Fachwissens, beispielsweise unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands und der gewünschten Dicke, ein geeignetes Leitungsmaterial auswählen.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann auch zur galvanischen Strukturierung („Galvanoformung“) von Werkstoff-Materialien verwendet werden, sofern während des Prozesses die notwendigen Ionen nicht aus dem Material der Elektrode sondern aus dem Elektrolyten bezogen werden und die elektrischen Anschlüsse umgepolt werden. Dabei wird das Werkstück Kathoden-gepolt und die Elektrode als Anode geschaltet. In dieser Anordnung ist es möglich, Schichtdicken im Nanometerbereich, bis hin zu mehreren Millimetern auf der Werkstoffoberfläche herzustellen. Es wird im Wesentlichen auf die Ausführungen des Anoden-gepolten Werkstücks verwiesen, die hierbei analog anwendbar sind.
Galvanoformung ist eine Strukturierungsform aus dem ionisierten Zustand, wobei ein Metall elektrolytisch aus einem wässrigen Salzbad an dem elektrisch leitfähigen und Kathoden-gepolten Werkstück abgeschieden wird. Diese Form der Strukturierung dient hauptsächlich zur Erzeugung metallischer Beschichtungen oder zur Herstellung selbsttragender metallischer Werkstücke.
In manche Ausführungsformen weisen die Leitungsschicht(en) ein Material auf, welches bei 20°C einen spezifischen Widerstand zwischen 0,01 Ω·mm²/m und 1 Ω·mm²/m aufweist. Es wird bezüglich des spezifischen Widerstands auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
In manchen Ausführungen weisen die Leitungsschichten der erfindungsgemäßen Elektrode eine Haftungsvermittlungsschicht an Ihrer Ober- und/oder Unterseite auf.
Die Haftvermittlungsschicht in der erfindungsgemäßen Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass sie der Haftvermittlung der einzelnen Schichten dient.
In manchen Ausführungen ist die Haftungsvermittlungschicht aus einem hydrophoben Material ausgebildet.
In manchen Ausbildungen ist die Haftvermittlungsschicht ein Metall, das unter Atmosphärensauerstoff eine geschlossene Oxidschicht auf seiner Oberfläche ausbildet, und dadurch eine Metalloxidverbindung entsteht.
In manchen Ausführungen ist die Haftungsvermittlungsschicht ein Metall, oder eine Metalllegierung, ausgewählt aus der Gruppe von Kupfer (Cu), Chrom (Cr), oder Tantal (Ta).
Die Haftvermittlungsschicht ist hilfreich, damit die neu angefügten Leitungsschichten präzise und dauerhaft auf den entsprechenden Schichten aufliegen und die einzelnen Schichten auch bei einer erfindungsgemäßen Verwendung in Ihrer Position verbleiben. Die Haftvermittlungsschicht sollte des Weiteren sowohl gegenüber der Leitungsschicht als auch der Isolationsschicht eine sehr gute Haftung aufweisen.
Die wasserabweisende Eigenschaft der Haftungsvermittlung ist hilfreich, um eine feste Haftsicherung der Isolierungsschichten zu gewährleisten.
In bestimmten Ausführungen weist die Haftvermittlungsschicht eine Höhe im Bereich von 10 nm und 20 nm, insbesondere von 15 nm auf.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet, welches elektrisch isolierend wirkt, und weist eine geringe Wasserdurchlässigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit auf.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein auf Epoxidharz-basierendes Polymer.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein elektrisch isolierendes Metalloxid, umfassend Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zinkoxid (ZnO), Siliziumdioxid (SiO₂) und Berylliumoxid (BeO; „Beryllerde“) oder gemischte Metalloxide.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Metall, das mittels Oxidation beispielsweise unter Atmosphärensauerstoff oder durch eine gezielte chemische Oxidationsreaktion eine isolierende Metalloxidverbindung ausbildet.
In manchen Ausführungen umfasst die Leitungsschicht auch die Isolierungsschicht, wobei die Leitungsschicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist, und die Isolierungsschicht direkt auf der Oberfläche der Leitungsschicht oder dem leitfähigen Substrat mittels Oxidation, z.B. unter Atmosphärensauerstoff, oder durch eine gezielte chemische Oxidationsreaktion, als Metalloxidschicht abschnittsweise ausgebildet ist.
In manchen Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Photoresist-Polymer (Fotolack). In bestimmten Ausführungen ist die Isolierungsschicht eine Lötstoppmaske, wie beispielsweise die Conformask-Serie oder ein Photoresist, wie beispielsweise SU-8.
In bestimmten Ausführungen ist die Isolierungsschicht ein Polyblend.
In bestimmten Ausführungen ist die Schichtdicke der Isolierungsschicht zwischen 50 nm und 10 µm (0.05 µm und 10 µm), insbesondere zwischen 0.5 µm und 5 µm dick.
Des Weiteren muss die Isolierungsschicht eine chemisch hohe Beständigkeit aufweisen, um zu gewährleisten, dass sich ihre Eigenschaften in weiteren Prozessierungsschritten nicht verändert oder es gar zur Zersetzung der Schicht kommt.
Zum Herstellen der Strukturierungselemente wird bevorzugt eine dünne Schicht der Isolierungsschicht abgeschieden und strukturiert. Die Schicht sollte möglichst dünn sein, damit eine geringe Störung der Elektrolytströmung stattfindet und die Reaktionsprodukte effektiv abtransportiert werden können. SU-8 weist sich durch seine hohe Beständigkeit sowie durch seine einfache, schnelle und kostengünstige Verarbeitung aus und wird daher bevorzugt verwendet.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, umfassend die Schritte

In manchen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Strukturierungsprozess um einen (P)ECM-((pulsed) Electrochemical Machining) Prozess, dessen Verfahrensschritte dem Fachmann bekannt sind.
Hinsichtlich des Anpassens der Elektrode wird auf die vorherigen Erläuterungen und auf die Erläuterungen im Kapitel Strukturierungsverfahren verwiesen. Hinsichtlich der Verfahrensschritte und Ausführungsformen des Strukturierungsprozess wird auf die Erläuterungen im Kapitel Strukturierungsverfahren verwiesen.
Herstellungsverfahren:
Im Folgenden werden die einzelnen Herstellungsschritte der erfindungsgemäßen Elektroden beschrieben. Bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung entspricht die erfindungsgemäße Elektrode einer Gegenelektrode und wird im Folgenden auch so bezeichnet.
Derartige Herstellungsschritte sind im Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig. Bezüglich einer detaillierten Beschreibung wird auf die Veröffentlichung der Doktorarbeit von Winkelmann, Mikro-Elektrostrukturieren planarer und zylindrischer Oberflächen mittels strukturierter, flexibler und mehrlagiger Gegenelektroden mit integriertem fluidischen Kanal, Universität Bremen 2014, insbesondere den experimentellen Teil von Seite 61 bis 96 verwiesen.
Unter (a) gekennzeichnete Schritte beziehen sich auf die Herstellung flexibler Gegenelektroden, während unter (b) gekennzeichnete Schritte die Herstellung mehrlagiger Gegenelektrodenbeschreiben. Analoge Schritte sind für thermoplastische Substrate oder leitfähige Substrate anwendbar. Allerdings wird hierbei im Schritt 1 direkt das Substrat der Elektrode bereitgestellt und die Schritte 2a bis 4a entfallen, wobei im Falle eines leitfähigen Substrats auch Schritt 5 entfallen kann.
Die Schritte 2 bis 6 können bei der Herstellung elektrisch leitfähiger Substrate entfallen. Es ist jedoch vorteilhaft, das Substrat mit einer Schicht aus einem Edelmetall vor Korrosion zu schützen.
1. Bereitstellen einer Grundstruktur.
Dazu eignen sich sowohl Siliziumscheiben (z.B. Siliziumwafer) als auch Metallscheiben.
2. (a) Aufbringen eines Trockenfilmresists (beispielsweise Laminar E8015 Trockenresist).
Der Trockenfilmresist wird entsprechend der Herstellerangaben aufgebracht, wobei die obere Schutzfolie entgegen der Herstellervorgaben nicht entfernt wird.
3. (a) Aufbringen einer beispielsweise 5 µm dicken Fotolack-(bzw Photoresist-)Schicht, insbesondere SU-8 2005.
Das Anbringen des Fotolackes erfolgt über den Prozess des Spin-Coatings gemäß den Herstellerangaben. Der Fotolack dient dazu, die Schutzfolie des Laminar E8015 vor Chemikalien und Lösemitteln während des weiteren Prozessierens zu schützen. Der Fotolack legt sich beim Spin-Coating um die Kante des Substrates und versiegelt dieses.
4. (a) Aufbringen eines elektrisch nicht leitfähigen Photoresist-Materials als Substrat der Elektrode (beispielsweise Conformask 2515).
Die Verarbeitung des Substrats erfolgt gemäß den Herstellerangaben. Das Substrat wird auf die Schichten bestehend aus Grundstruktur, Trockenfilmresist, und der Schutzfolie laminiert und kann gegebenenfalls strukturiert werden.
5. Abscheiden und Strukturieren der ersten Leitungsschicht.
Die Leitungsschicht in der erfindungsgemäßen Elektrode besteht aus einem elektrisch leitfähigen Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise Gold, und wird mit einer Höhe von zwischen 100 nm und 1000 nm, insbesondere mit einer Höhe von 500 nm gesputtert. Zur besseren Haftung der Goldschicht und der folgenden Schichten wird zuvor bzw. anschließend sowohl auf der Ober- als auch Unterseite der Leitungsschicht beispielsweise eine Chromschicht mit einer Höhe von zwischen 10 nm und 20 nm, insbesondere von 15 nm gesputtert. Bei diesem Schritt wäre es auch möglich, die aus Metall bestehende Leitungsschicht zur Strukturausbildung aufzudampfen. Im Falle elektrisch leitfähiger Substrate können die Strukturierungselemente auch über einen Galvanisierungsprozess abgeschieden werden.
6. Strukturierung der ersten Leitungsschicht.
Dieser Schritt ist optional. Auf diese Weise können in einer Lage elektrisch voneinander getrennte Strukturen, die getrennt voneinander mittels Kontaktierungen ansteuerbar sind, hergestellt werden (siehe 1, Strukturen 6, 6‘; 2, Strukturen 60, 60‘, 60‘‘ und Kontaktierungen 8, 80). Die Strukturierung erfolgt durch Lithographie und anschließender Ätzung des Chrom-Gold-Chrom-Schichtpakets. Beide Herstellungsschritte sind im Stand der Technik bekannt (siehe beispielsweise http://www.microchemicals.com/de/downloads/anwendungshinweise.html).
7. Abscheiden und Strukturieren der ersten Isolierungsschicht.
In diesem Schritt wird eine 1 µm dicke Schicht an Photoresist Material, insbesondere SU-8 2, entsprechend der Herstellerangaben per Spin-Coating aufgetragen und beispielsweise mittels Belichtung und entwickelt strukturiert. Es wird wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet (in 6 und 7 mit einem Kreuz dargestellt). Alternativ können in diesem Schritt auch andere elektrisch nicht leitfähige Materialien, wie beispielsweise Keramiken, abgeschieden oder darunter liegende Leitungsschicht-bildende Metalle oxidiert werden. Das Abscheiden und Strukturieren der ersten Isolierungsschicht des Schritt 7 ermöglicht die Bereitstellung von Kontaktierung(en) (siehe 1, Kontaktierung 8) die ein Ansteuern der Strukturierungselemente innerhalb einer Lage ermöglichen. Bezüglich eines getrennten ansteuern innerhalb einer Lage wird auf den Schritt 6 verwiesen.
8. Ätzen der oberen Chromschicht.
Damit wird die Leitungsschicht (Goldschicht) freigelegt, welche den Kontakt zum Elektrolyten herstellt. Alterative kann der Schritt 8 auch lediglich einmalig vor Schritt 10 erfolgen. Dann werden die weiteren Lagen durch ein Wiederholen der Schritte 5 bis 7 bereitgestellt.
9. (b) Wiederholung der Schritte 5 bis 8 für jede zusätzliche Lage.
Die zusätzlichen Leitungsschichten werden auf die darunter liegenden Schichten gelegt um eine mehrlagige Elektrode herzustellen. Der Überschuss an Leitungsschicht-Material muss anschließend im Bereich der Strukturierungselemente (siehe 1, Strukturen 6, 6‘; 2, Strukturen 60, 60‘, 60‘‘) und ggf. an der Außenseite entfernt werden, um Kurzschlüsse zwischen den Lagen zu vermeiden. Dabei dient die Chromschicht nicht nur als haftvermittelnde Schicht, sondern auch als Ätzstoppschicht während der Goldätzung. Somit wird gewährleistet, dass die tiefer liegenden Leitungsschichten während der Strukturierung der darüber liegenden Leitungsschichten nicht abgetragen werden.
10. Abscheiden und Strukturieren des fluidischen Kanals.
Hier wird ein Photoresist-Polymer, insbesondere SU-8 oder ein Conformask-Photoresist, verwendet. Je nach gewünschter Kanalhöhe besteht der fluidische Kanal aus einer oder mehreren Schichten dieses Photoresist-Materials, wodurch der Arbeitsabstand eingestellt werden kann
11. (b) Ablösen des Systems.
Die fertige Elektrode kann nun von der Grundstruktur gelöst werden. Dazu wird die SU-8-Schicht aus Schritt 3 am Rand eingeritzt und die Schutzfolie des Trockenfilmresistes aus Schritt 2 wird heruntergelöst. Diese Folie kann entweder an der Gegenelektrode verbleiben oder ebenfalls abgelöst werden.
Als Alternative zu der Trockenresist-Ablösemethode ist es auch möglich, eine Opferschicht unterhalb der Grundstruktur anzubringen, welche für das Ablösen der Elektrode unterätzt wird. Zudem könnte auch die komplette Grundstrukturweggeätzt werden. Der Vorteil der Trockenresist-Ablösemethode liegt darin, dass dieses Verfahren im Vergleich zur Abscheidung einer Opferschicht viel schneller ist. Das Ablösen des Trockenfilmresistes am Ende des Herstellungsverfahrens der Elektrode ist innerhalb weniger Sekunden erledigt, während eine Unterätzung oder die Ätzung einer kompletten Substratschicht einige Stunden in Anspruch nimmt. Des Weiteren können mit diesem Verfahren Materialkosten von beispielsweise Ätzlösungen eingespart werden.
In den 6 und 7 werden die Herstellungsverfahren für flexible Gegenelektroden (6), sowie für mehrlagige Gegenelektroden (7) dargestellt. Der optionale Schritt 6 ist dabei nicht aufgeführt.
Zusammenfassend bietet die erfindungsgemäße Elektrode beim Mikro-Elektrostrukturier-Verfahren gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren folgende Vorteile:
Das Mikro-Elektrostrukturier-Verfahren, das durch die erfindungsgemäße Elektrode ermöglicht wird, bietet im Vergleich zum üblichen Lithographie-Verfahren mit anschließender Ätzung eine Vielzahl von Vorteilen. Durch die Elektrode werden die Prozesszeiten um das 200-fache verkürzt; der Prozess ist typischerweise in 10 bis 20 Sekunden abgeschlossen. Das Lithographie-Verfahren für gekrümmte Oberflächen anzuwenden ist relativ aufwändig und benötigt teures Equipment. Zudem ist die Ausrichtung mehrerer Strukturen im Submikrometerbereich zueinander auf gekrümmten Oberflächen sehr schwierig und wirtschaftlich meist nicht sinnvoll.
Im Vergleich zur Lasertechnik ist der Prozess durch die erfindungsgemäße Elektrode bei Raumtemperatur durchführbar. Es findet somit keine thermische Beeinflussung des Materials statt (wie dies beispielsweise beim Bearbeiten von gehärteten Stählen der Fall ist). Des Weiteren sind die Prozessgeschwindigkeiten unabhängig von der zu strukturierenden Oberfläche.
Gegenüber der Mikrozerspanung werden hier keine mechanischen Spannungen in Folge des Abtrags-Prozesses eingebracht; vielmehr werden die vorhandenen mechanischen Spannungen entfernt. Auch die bei der Mikrozerspanung übliche thermische Materialbeeinflussung fällt weg.
Die Vorteile der hier ermöglichten Verfahren durch die erfindungsgemäße Elektrode gegenüber anderer Mikro-Strukturier-Verfahren beinhalten des Weiteren die Möglichkeit zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen auf planaren als auch geformten (z.B. zylindrisch geformten) Oberflächen, das erleichterte Positionieren und Ausrichten mehrerer Strukturen zueinander, was ganz besonders bei der Bearbeitung von geformten Oberflächen ins Gewicht fällt, sowie die Möglichkeit die Strukturtiefe über die Konzentrationsverteilung der gelösten Metallionen in der Elektrolytlösung zu beeinflussen.
Strukturierungsverfahren
Zur Strukturierung eines Werkstückes wird die Elektrode mit Hilfe einer entsprechenden Werkzeugaufnahme auf das Werkstück gelegt und beispielsweise anhand von Anschlägen positioniert. Die Werkzeugaufnahme sorgt dafür, dass die Elektrode mit einer hinreichend großen Kraft gegen das Werkstück gepresst wird, um den Gegendruck durch den Elektrolyten zu kompensieren und die Abdichtung zwischen Werkstück und Elektrode zu gewährleisten. Anschließend wird die Elektrolytzufuhr eingeschaltet, welche den Elektrolyten durch den fluidischen Kanal pumpt. Die Elektrolyten werden entsprechend dem Material des zu strukturierenden Werkstückes ausgewählt. Im Bereich des Mikrostrukturierens haben sich NaCl und NaNO₃-Lösungen durchgesetzt, es sind aber auch andere Elektrolyte, wie sie beispielsweise beim Elektropolieren verwendet werden, möglich. Es ist darauf zu achten, dass sich im fluidischen System keine Luftblasen sammeln können, weil diese den Stromfluss zwischen Werkstück und Elektrode unterbrechen können.
Anschließend wird der elektrische Strom eingeschaltet. Es kann sowohl mit Gleichspannung als auch mit gepulstem Strom gearbeitet werden. Die Nutzung von Strompulsen ist vorteilhaft, weil dadurch

1. Die effektive Stromdichte in den Leitungsschichten der Elektrode sinkt und damit die thermische Belastung niedriger ausfällt.
2. Es je nach Stromdichte und Material – Elektrolytkombination zu Elektrolyse kommt und die sich dabei bildenden Gasblasen den Prozess behindern – bei geschickter Wahl des Pulsweitenverhältnisses und der Frequenz lassen sich diese Effekte wirkungsvoll minimieren.
3. Das elektrische Feld durch die Strompulsung fokussiert werden kann und dadurch kleinere Strukturen hergestellt werden können.
4. Die effektive Konzentration gelöster Metallionen im fluidischen Kanal sinkt und damit die Erhöhung der Leitfähigkeit des Elektrolyten durch die zusätzlichen Metallionen geringer ausfällt.
5. Der Prozess so gesteuert werden kann, dass sich im Verlauf des Kanals keine gelösten Metallionen an der Elektrode ablagern, da sie vorher das Kanalende erreichen und mit dem Elektrolyten fortgespült werden. Eine regelmäßige Reinigung der Elektrode entfällt dadurch.

Die verwendeten Stromdichten sind von dem zu strukturierenden Material, der Strukturtiefe und den Anforderungen an die Rauigkeit der Struktur abhängig. Sie liegen typischerweise zwischen 1 A/cm² und 100 A/cm². Die Menge des abgetragenen Materials ist bei sehr hohen Stromdichten proportional zur geflossenen Ladungsmenge (Faraday’sches Gesetz). Bei niedrigeren Stromdichten spielen Doppelschichten an den jeweiligen Elektroden eine nicht zu vernachlässigende Rolle, so dass in diesen Bereichen keine direkte Proportionalität besteht.
Nachdem der elektrische Strom abgeschaltet wurde, wird auch der Elektrolytfluss ausgeschaltet. Das Bauteil wird anschließend gespült. Dies kann entweder in einer separaten Anlage erfolgen oder aber die Spülflüssigkeit kann ebenfalls durch den fluidischen Kanal der Gegenelektrode gepumpt werden, solange sich das Werkstück noch in der Aufspannung befindet. Die Elektrode kann, sofern der Prozess die notwendigen Ionen aus dem Elektrolyten und nicht von dem Material der Elektrode bezieht, auch zur galvanischen, strukturierten Abscheidung von Materialien verwendet werden. Der Prozessablauf gleicht den vorher beschriebenen Schritten, es wird nur die Polung der elektrischen Anschlüsse vertauscht.
Figurenbeschreibung:
Es zeigen:
1: einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode;
2: eine schematische Darstellung einer gekrümmten erfindungsgemäßen Elektrode;
3: die gekrümmte Elektrode aus 1 in einer Draufsicht;
4: beschreibt eine mehrlagige erfindungsgemäße Elektrode in einer planaren Form;
5: die mehrlagige Elektrode aus 4 in einer Draufsicht;
6: das Herstellungsverfahren für flexible Gegenelektroden;
7: das Herstellungsverfahren für mehrlagige Gegenelektroden.
1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode mit einer erste Leitungsschicht und einer ersten Isolierungsschicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist eine Krümmung nicht dargestellt. Eine schematische Darstellung einer gekrümmten Elektrode kann aus 2 entnommen werden.
Die erfindungsgemäße Elektrode weist ein Substrat 3 als Grundkörper auf. Als Substrat 3 kann eine dünne Schicht Metall, eine Metalllegierung, ein thermoplastisches Polymer oder ein elastisches Polymer verwendet werden. Insbesondere ist das Substrat flexibel ausgebildet, so dass es mit geeigneten Halterungen 4 um ein zu behandelndes Werkstück 5 angeordnet werden kann. Das Werkstück 5 wird dabei als Anode (Pluspol) geschaltet, während die Elektrode als Kathode (Minuspol) fungiert. Die Halterung 4 befindet sich auf der Unterseite des Substrates 3 und wird an das Werkstück und an die Elektrode nach Bedarf angepasst. Zudem ist die Halterung 4 so ausgebildet, dass die elektrische Kontaktierung der Elektrode und eine kontinuierliche Elektrolyten Versorgung gewährleistet sind. Die Elektrode kann an der Halterung 4 mittels Klemmung, Schrauben, durch Ankleben oder durch andere Befestigungsarten angebracht werden. Auf dem Substrat 3 befindet sich eine Leitungsschicht (eine Metallisierungsschicht) 1. Aus Gründen der Übersicht ist die eine Haftvermittlung auf der Ober- und Unterseite der Metallisierungsschicht in dieser Abbildung nicht dargestellt.
Auf der ersten Leitungsschicht 1 befindet sich die Isolierungsschicht 2. Die Leitungsschicht 1 und die Isolierungsschicht 2 bilden eine erste Lage A aus. Geeignete Materialien zur Ausbildung der Isolierungsschicht 2 können der Beschreibung dieser Erfindung entnommen werden. Die Isolierungsschicht 2 ist so ausgebildet, dass Strukturierungselemente 6, 6‘ entstehen. Dabei ist zu beachten, dass innerhalb einer Leitungsschicht- und Isolierungsebene (erste Lage A) verschiedene Strukturierungselemente ausgebildet werden können (vorliegende sind zwei Strukturierungselemente 6, 6‘) dargestellt.
Die Elektrolytversorgung 7 kann beispielsweise in Form eines Kanals ausgebildet sein und leitet eine Elektrolytlösung in den fluidischen Kanal 9. Alternativ kann die Elektrolytversorgung auch seitlich (durch die Wandung des Kanals) in den Kanal geleitet werden oder der Kanal ist länger als das Werkstück, so dass der Elektrolyt von einer Seite des Werkstücks auf die andere Seite durch den Kanal geleitet wird. Die erste elektrische Kontaktierung 8 steuert die erste Leitungsschicht elektrisch an. Der fluidische Kanal 9 ist direkt auf der obersten Lage der Elektrode (hier die Isolierungsschicht 2) angebracht, so dass die Elektrode im Prinzip „wie ein Stempel“ auf das Werkstück gedrückt werden kann. Die Begrenzung 90 des fluidischen Kanals 9 sind so ausgebildet, dass die Kanalbreite (und somit die Durchflussfläche) in Strömungsrichtung des Elektrolyten variiert. Dies führt zu unterschiedlichen Elektrolytgeschwindigkeiten und über die unterschiedliche Verteilung der im Kanal gelösten Metallionen zu unterschiedlichen Stromdichten und ermöglicht unterschiedliche Materialabtragungstiefen. Zudem werden über den fluidischen Kanal 9 die abgetragenen Materialien kontinuierlich abtransportiert.
Die dargestellte Elektrode ist durch ihre gekrümmte Form besonders gut zum Strukturieren von geformten Oberflächen geeignet, wie beispielsweise zylindrisch geformten Werkstücken. Des Weiteren kann die Breite des fluidischen Kanals 9 variiert werden, wodurch indirekt verschiedene Stromdichten erzeugt werden können. Durch die Änderung der Durchflussfläche im fluidischen Kanal ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten und somit die Metallionenverteilung im Kanal. Dies führt lokal zu einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand des Elektrolyten und zu unterschiedlichen Stromdichten bei konstanter elektrischer Spannung. Dies ermöglicht die präzise Herausarbeitung von unterschiedlichen Strukturtiefen. Die erfindungsgemäße Elektrode ermöglicht weiterhin die Bereitstellung eines sehr geringen Abstands zu dem Werkstück. Dies hat eine erheblich geringere Streuung des elektrischen Feldes zur Folge, was die laterale Auflösung der einzelnen Strukturen deutlich verbessert. Dies trägt ganz besonders in Kombination mit der gekrümmten Form zu einer erheblichen Verbesserung der Strukturierungsmöglichkeiten von geformten Werkstoffoberflächen bei.
Eine gekrümmte Elektrode ist in 2 dargestellt. 3 zeigt die gekrümmte Elektrode aus 1 in einer Draufsicht. Bezüglich der Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen wird auf die Erläuterung der 1 verwiesen. Zur besseren Übersicht ist das Werkstück in 3 nicht dargestellt.
4 beschreibt eine mehrlagige Elektrode in einer planaren Form. Alternativ kann die mehrlagige Elektrode auch gekrümmt, plastisch verformbar oder elastisch verformbar (flexibel) ausgebildet sein. Der Grundaufbau entspricht dem Aufbau der 1. Es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Auf der ersten Leitungsschicht 1 befindet sich die erste Isolierungsschicht 2, wobei beide eine erste Lage A ausbilden. Materialien, welche zur Ausbildung der Isolierungsschicht verwendet werden können, wurden in der Erfindungsbeschreibung näher erläutert. Die erste Isolierungsschicht 2 wird teilweise derart strukturiert, dass auch hier eine erste Struktur mit den zwei Strukturierungselementen 6, 6‘ ausgebildet wird. Auf die erste Isolierungsschicht 2 ist eine zweite Leitungsschicht 10 und eine zweite Isolierungsschicht 20 ausgebildet. Dabei ist die zweite Leitungsschicht 10 derart angebracht, dass die ersten Strukturierungselement 6, 6‘ nicht abdeckt werden. Auf der zweiten Leitungsschicht 10 ist abschnittsweise eine zweite Isolierungsschicht 20 derart angebracht, dass eine zweite Struktur, bestehend aus drei Strukturierungselementen 60, 60‘, 60‘‘ ausgebildet wird. Die zweite Leistungsschicht 10 und die zweite Isolierungsschicht 20 bilden dabei eine zweite Lage B aus. Die beiden zweiten Strukturierungselemente 60, 60‘ sind dabei durch die zweite Isolierungsschicht 20 und die ersten Strukturierungselemente 6, 6‘ begrenzt. Die zweite Isolierungsschicht 20 ist derart ausgebildet, dass die ersten Strukturierungselemente 6, 6‘ und die Strukturierungselemente 60, 60‘ nicht überdeckt werden. Alternativ sind auch weitere Lagen aus Leitungs- und Isolierungsschichten möglich. Im Falle von zwei und mehr Leitungs- und Isolierungsebenen spricht man von einer mehrlagigen Elektrode.
Die erfindungsgemäße Elektrode weist eine erste elektrische Kontaktierung 8, die ausgebildet ist um die erste Leitungsschicht 1 gezielt elektrisch anzusteuern, und eine die zweite elektrische Kontaktierung 80, die ausgebildet ist um die zweite Leitungsschicht gezielt elektrisch anzusteuern.
Dabei sind die elektrischen Kontaktierungen 8, 80 so ausgebildet, dass sie jeweils nur in Kontakt mit der entsprechenden Leitungsschichten stehen, um unterschiedliche Stromflüsse unabhängig voneinander in den einzelnen Leitungsschichten 1, 10 zu erzeugen. Dies kann durch geeignete Isolierungsschichten erfolgen. Insbesondere können die Isolierungsschichten 2, 20 derart angebracht werden, dass Sie nicht nur die Leitungsschichten 1, 10 voneinander trennen, sondern auch die jeweiligen elektrischen Kontaktierungen 8, 80 gegenüber den anderen Leitungsschichten isolieren.
Durch diesen mehrlagigen Aufbau der Elektrode ist es möglich, verschiedene Schichten einzeln und gezielt elektrisch anzusteuern, was sowohl eine simultane als auch zeitlich getrennte Ausbildung verschiedener Strukturen ermöglicht. Die Elektrolytversorgung 7 findet, wie bereits beschrieben, über entsprechende Kanäle statt. Durch Anlegen einer Spannung kommt es zur gezielten Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder in den einzelnen Strukturierungselementen, was zur lokalen elektrochemischen Abtragung des Werkstoffmaterials führt. Der fluidische Kanal 9 ermöglicht den sofortigen Abtransport des abgetragenen Materials. Des Weiteren kann die Breite des fluidischen Kanals über die Begrenzungsvorrichtung 90, wie beschrieben, variiert werden.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann in ihren Ausführungen alle Strukturierungselemente in einer Lage (beispielsweise Lage A) gleichzeitig mit Strom ansteuern, was zur Ausbildung eines konstanten elektrischen Feldes führt und zum simultanen Materialabtrag in einer Lage. Der mehrlagige Aufbau der Elektrode ermöglicht es zusätzlich, das Bearbeiten einzelner Strukturierungselemente innerhalb verschiedener Lagen (beispielsweise Lage A und Lage B) getrennt voneinander mit Strom anzusteuern, was zur Ausbildung unterschiedlicher elektrischer Felder führt und damit einen gezielten variablen Materialabtrag verschiedener Strukturierungselemente in verschiedenen Lagen zur Folge hat. Des Weiteren erlaubt es die elektrische Kontaktierung in der erfindungsgemäßen Elektrode zu den einzelnen Strukturierungselementen während des laufenden Prozesses eine Stromversorgung herzustellen. Alle diese Ausführungen können dabei auch beliebig miteinander kombiniert werden, was die Möglichkeiten des Elektrostrukturierens eines Werkstoffes signifikant erweitert.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Elektrode auch zur galvanischen Strukturierung („Galvanoformung“) von Material verwendet werden, sofern während des Prozesses die notwendigen Ionen nicht aus dem Material der Elektrode sondern aus dem Elektrolyten bezogen werden und die elektrischen Anschlüsse umgepolt werden. Dabei wäre das Werkstück Kathoden-gepolt und die Elektrode als Anode geschaltet. In dieser Anordnung ist es möglich, Schichtdicken im Nanometerbereich bis hin zu mehreren Millimetern auf der Werkstoffoberfläche herzustellen.
Die mehrlagige Elektrodenanordnung ermöglicht somit das präzise und simultane Strukturieren mehrerer Stellen auf einer Werkstoffoberfläche. Durch den minimalen Arbeitsabstand zwischen Werkstück und Elektrode wird die Streuung des elektrischen Feldes erheblich minimiert und die Strukturauflösung im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren ist hier deutlich verbessert. Durch die Flexibilität der Elektrode wird zudem eine vereinfachte und genaue Bearbeitung geformter Werkstoffoberflächen erzielt.
In 5 ist die mehrlagige Elektrode aus 4 in einer Draufsicht dargestellt. Bezüglich der Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen wird auf die Erläuterungen der 4 verwiesen. Zur besseren Übersicht ist das Werkstück in 5 nicht dargestellt.
6 zeigt schematisch das Herstellungsverfahren für flexible Gegenelektroden:
1) Bereitstellen einer Grundstruktur; 2) Aufbringen eines Trockenfilmresistes; 3) Aufbringen einer Fotolack-Schicht; 4) Aufbringen der Isolierungsschicht, 5) Aufbringen einer Leitungsschicht; 7) Aufbringen und strukturieren der ersten Isolierungsschicht; 9) Ätzen der Leitungsschicht-Oberfläche; 10) Aufbringen und strukturieren des fluidischen Kanals; 11) Ablösen der Schutzfolie des Trockenfilmresists.
7 zeigt schematisch das Herstellungsverfahren für mehrlagige Gegenelektroden:
Grundsätzlich können die Schritte 5–8 analog zu 6 mehrmals wiederholt, um mehrere Lagen herzustellen. Vorliegend sind die Schritte zur Anbringung einer zweiten Lage dargestellt. 10) Aufbringen der zweiten Leitungsschicht; 11) Aufbringen und strukturieren einer Photolackschicht; 12) Ätzen des zweiten Leitungsschichtpaketes und Entfernung der Photolackschicht; 13) Aufbringen der zweiten Isolierungsschicht; dabei bleiben das erste Strukturierungselement und die zweite Lage frei; 14) Ätzen der Leitungsschicht-Oberfläche; 15) Aufbringen und strukturieren des fluidischen Kanals; 16) Ablösen der Schutzfolie des Trockenfilmresists.
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

EP 1368152 B1 [0006]
EP 1778895 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 178 [0081]
DIN EN ISO 527 [0081]
DIN EN ISO 527-1 [0085]
Doktorarbeit von Winkelmann, Mikro-Elektrostrukturieren planarer und zylindrischer Oberflächen mittels strukturierter, flexibler und mehrlagiger Gegenelektroden mit integriertem fluidischen Kanal, Universität Bremen 2014, insbesondere den experimentellen Teil von Seite 61 bis 96 [0405]
http://www.microchemicals.com/de/downloads/anwendungshinweise.html [0413]

Claims

Eine Elektrode, geeignet für die Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, aufweisend ein Substrat, welches wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrates aufweist, oder ein Substrat, welches eine leitfähige Substratschicht ausbildet, wobei – wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der wenigstens einen ersten Leitungsschicht oder der leitfähigen Substratschicht ausgebildet ist, – wobei die erste Isolierungsschicht die wenigstens eine erste Leitungsschicht oder die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form aufweist oder – plastisch verformbar ist oder – elastisch verformbar ist.
Die Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem leitfähigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgebildet ist und somit eine leitfähige Substratschicht ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form aufweist, und wobei – wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der leitfähigen Substratschicht ausgebildet ist, wobei die erste Isolierungsschicht die leitfähige Substratschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausbildet, oder – wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche der leitfähige Substratschicht ausgebildet ist, und wobei wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet ist, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, oder dass das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer, ausgebildet ist, wobei das Substrat eine im Wesentlichen gekrümmte Form aufweist, und auf der Oberfläche des Substrats wenigstens eine erste Leitungsschicht und wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet ist, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet.
Die Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem nicht leitfähigen Material, insbesondere einem Polymer, vor allem einem thermoplastischen Polymer, ausgebildet ist und auf der Oberfläche des Substrats wenigstens eine erste Leitungsschicht und wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet sind, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen planare Form aufweist, die plastisch verformbar ist, oder dass das Substrat aus einem elastischen Polymer ausgebildet ist und auf der Oberfläche des Substrats wenigstens eine erste Leitungsschicht und wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet sind, wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein erstes Strukturierungselement ausbildet, wobei das Substrat eine im Wesentlichen planare Form aufweist, die elastisch verformbar ist.
Die Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitungsschicht und die erste Isolierungsschicht eine erste Lage ausbilden, wobei innerhalb der ersten Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, und wobei eine zweite Leitungsschicht und eine zweite Isolierungsschicht an der Elektrode angeordnet sind, die eine zweite Lage ausbilden, wobei die zweite Leitungsschicht auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht ausgebildet ist, wobei die zweite Leitungsschicht die erste Isolierungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das wenigstens eine Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist, und wobei auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht die zweite Isolierungsschicht ausgebildet ist, welche die zweite Leitungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das wenigstens eine Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist, und wenigstens ein Strukturierungselement in der zweiten Lage ausgebildet ist.
Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode weitere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten aufweist, wobei die weiteren Leitungsschichten und Isolierungsschichten derart ausgebildet sind, dass die Strukturierungselemente der darunterliegenden Lagen nicht abdeckt sind und in der jeweiligen Lage wenigstens ein Strukturierungselement ausgebildet ist, wobei die Anordnung der Lagen mit einer Isolierungsschicht abgeschlossen ist.
Die Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsschichten eine Höhe in einem Bereich von 100 nm bis 1 mm, insbesondere 100 nm bis 500 µm, bevorzugt von 100 nm bis 100 µm aufweist.
Die Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode einen fluidischen Kanal aufweist, der zur Leitung eines Elektrolyten ausgebildet ist, wobei der fluidische Kanal eine Grundfläche aufweist, die wenigstens die Strukturierungselemente der Elektrode umfasst, wobei der fluidische Kanal eine Durchflussfläche aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
Eine Elektrode, geeignet für Mikro- oder Nanostrukturierungen von Werkstoffen, aufweisend ein Substrat, welches mehrere Lagen an Leitungsschichten und Isolierungsschichten aufweist, wobei jeweils eine Lage aus einer Leitungsschicht und einer Isolierungsschicht ausgebildet ist, wobei das Substrat – wenigstens eine erste Leitungsschicht auf der Oberfläche des Substrats aufweist, und – wenigstens eine erste Isolierungsschicht auf der Oberfläche der ersten Leitungsschicht ausgebildet ist, – wobei die erste Isolierungsschicht die erste Leitungsschicht nur abschnittsweise abdeckt und wenigstens ein Strukturierungselement in der ersten Lage ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode wenigstens eine zweite Leitungsschicht auf der Oberfläche der ersten Isolierungsschicht aufweist, wobei die zweite Leitungsschicht die erste Isolierungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist, und wobei die Elektrode auf der Oberfläche der zweiten Leitungsschicht wenigstens eine zweite Isolierungsschicht aufweist, welche die zweiten Leitungsschicht derart abschnittsweise abdeckt, dass das Strukturierungselement der ersten Lage nicht abgedeckt ist und wenigstens ein Strukturierungselement in der zweiten Lage ausgebildet ist.
Eine Elektrode, geeignet für Mikro- oder Nanostrukturierungen von Werkstoffen, aufweisend einen fluidischen Kanal zur Leitung eines Elektrolyten und wenigstens ein Strukturierungselement, wobei der fluidische Kanal eine Grundfläche aufweist, die wenigstens das eine Strukturierungselement umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Kanal eine Durchflussfläche für den Elektrolyten aufweist, die sich entlang der Längserstreckungsrichtung des fluidischen Kanals vergrößert oder verkleinert.
Ein Verfahren zur Herstellung von Mikro- und/oder Nanostrukturen auf Werkstoffen, umfassend die Schritte – Bereitstellen einer Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dem Anspruch 8 oder dem Anspruch 9, – Anpassen der Elektrode an ein zu strukturierenden Werkstoff mittels verformen, – Durchführen eines Strukturierungsprozesses.