DE102020122903A1

DE102020122903A1 - Verfahren zur Strukturierung von Metallschichten durch elektrochemisches Abtragen

Info

Publication number: DE102020122903A1
Application number: DE102020122903.8A
Authority: DE
Inventors: Jonas Bartsch; Mathias Kamp; Sven Kluska; Jonas Eckert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung einer Metallschicht eines Bauelements durch elektrochemisches Abtragen, wobei- ein Werkstück und ein als Kathode fungierendes Werkzeug mit einem flüssigen Elektrolyten in Kontakt gebracht werden,das Werkstück umfassend- ein Substrat mit einer Substratoberfläche,- eine auf der Substratoberfläche vorliegende zu strukturierende Metallschicht,- eine auf der zu strukturierenden Metallschicht vorliegende Maske,- einen elektrischen Kontakt, der die zu strukturierende Metallschicht mit einer Spannungsquelle verbindet,- zwischen dem Werkstück und(i) einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, und/oder(ii) der Kathode, und/oder(iii) einem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist,eine Relativbewegung parallel zur Substratoberfläche erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung strukturierter Metallschichten (z.B. in Form von Leiterbahnen) durch ein elektrochemisches Abtragen.
Elektronische Bauelemente wie z.B. Sensoren, Solarzellen, Leiterplatten oder Leistungsbauelemente benötigen Leiterbahnen für den Stromtransport. Die Leiterbahnen als metallische Struktur auf einem elektrisch halb- oder nichtleitenden Substrat werden durch verschiedene Verfahren erzeugt, beispielsweise durch Drucken leitfähiger Pasten, galvanische Metallabscheidung oder selektives Ätzen einer Metallschicht. Die galvanische Metallabscheidung und das Ätzen erfolgen unter Verwendung einer Lackmaske.
Der Abtrag des Metalls durch Ätzen erfolgt in der Regel chemisch durch eine aggressive Ätzlösung, die das offen liegende Metall angreift und auflöst.
Alternativ zum chemischen Ätzen ist auch ein elektrochemisches Abtragen bekannt. Das elektrochemische Abtragen unterscheidet sich von dem chemischen Ätzprozess dadurch, dass die Oxidation (also Auflösung) der metallischen Schicht durch das Anlegen eines positiven Potenzials an der zu entfernenden Metallschicht (Anode) gegenüber einer im gleichen Elektrolyten befindlichen Gegenelektrode (Kathode) induziert wird. Somit stellt das Werkstück die Anode dar, während das Werkzeug als Kathode fungiert. Die prinzipielle Arbeitsweise eines elektrochemischen Abtragsverfahrens wird beispielsweise in dem Lehrbuch „Fundamentals of Modern Manufacturing“, 5. Auflage, 2013, Verlag Wiley, Autor: M.P. Groover, in Kapitel 25.2 („Electrochemical Machining Processes“) auf S. 683-686 beschrieben.
Das elektrochemische Abtragen weist im Vergleich zum chemischen Ätzen einige Vorteile auf. Es können weniger aggressive Medien (z.B. Elektrolyte wie NaNO₃- und NaCl-Lösungen) eingesetzt werden, was hinsichtlich der Anforderungen an die Anlagentechnik und der Prozesssicherheit vorteilhaft ist. Die Abtragsrate ist zudem für elektrochemische Abtragsprozesse potenziell höher. Es werden Abträge von bis zu mehreren hundert Mikrometer pro Sekunde erreicht, während beim chemischen Ätzen die Abtragsraten nur bei etwa 1 Mikrometer pro Sekunde liegen. Die Prozesschemikalien sind zudem billiger und können leicht regeneriert werden. Das gelöste Metall kann je nach Prozessführung ebenfalls leichter zurück gewonnen werden. Es können durch elektrochemisches Abtragen mit gleichen oder ähnlichen Prozesslösungen verschiedene Metalle entfernt werden. Zudem sind je nach Metall schärfere Ätzkanten und höhere Atzfaktoren erreichbar als im chemischen Ätzprozess, was sich vorteilhaft auf die Funktion der Bauteile auswirken kann. Die Abtragsrate lässt sich über den angelegten Strom präzise beeinflussen.
Es ist bekannt, dass das elektrochemische Abtragen maskenfrei oder alternativ unter Verwendung einer Maske (engl.: „Through-Mask Electrochemical Machining“), die auf der zu strukturierenden Metalloberfläche aufgebracht ist, durchgeführt werden kann.
Beim elektrochemischen Abtragen unter Verwendung einer Maske spielt die Verteilung des Prozessstroms eine wichtige Rolle hinsichtlich des Prozessergebnisses. Auf typischen Leiterbahndesigns kommen sowohl schmale als auch weite Strukturen vor. Die Metallschicht wird an den Rändern, also unmittelbar neben der Lackmaske, schneller abgetragen. Es kommt zu einer Bildung von metallischen „Inseln“, die von der Stromzufuhr abgeschnitten und daher nicht mehr weiter elektrochemisch abgetragen werden können. Diese verbleibenden Bereiche der Metallschicht müssen anschließend durch eine andere Methode, beispielsweise durch chemisches Ätzen („Nachätzen“) entfernt werden. Die Problematik der Bildung von isolierten (d.h. von der Stromzufuhr abgeschnittenen) metallischen Inseln stellt sich insbesondere bei breiteren Öffnungen der Maske, besteht aber auch bei schmalen Maskenöffnungen.
Die Problematik der Inselbildung wird in 1 veranschaulicht. 1 zeigt ein behandeltes Werkstück (elektrisch nicht leitendes oder halbleitendes Substrat 1; als Anode geschaltete Metallschicht 2; Maske 3; elektrischer Kontakt 4), bei dem nach dem elektrochemischen Abtragen metallische Inseln 5 zurückgeblieben sind. Während des elektrochemischen Abtragens sind die Metallschicht 2 und die gegenüberliegende Kathode (nicht gezeigt in 1) in Kontakt mit einem flüssigen Elektrolyten (nicht gezeigt in 1) und über den elektrischen Kontakt 4 wird die Metallschicht 2 während des elektrochemischen Abtragens gegenüber der Kathode auf ein anodisches Potential gesetzt. Durch unterschiedliche elektrochemische Abtragsgeschwindigkeiten am Rand und in der Mitte der maskenfreien Bereiche verbleiben metallische Inseln auf der Substratoberfläche. Die Inseln 5 sind von dem elektrischen Kontakt 4 isoliert und können daher nicht mehr elektrochemisch abgetragen werden. Ein chemisches Nachätzen ist erforderlich, um die Inseln 5 zu entfernen.
Es sind unterschiedliche Ansätze bekannt, mit denen die Bildung isolierter metallischer Bereiche („Inseln“) während des elektrochemischen Abtragens verhindert werden sollen. In dem in US 5,567,304 beschriebenen elektrochemischen Abtragsverfahren erfolgt zunächst eine rechnerische Bestimmung geeigneter Werte für die Dicke der Maske und die Breite der Öffnungen in der Maske, mit denen eine Inselbildung während des elektrochemischen Abtragens möglichst gering gehalten werden soll, und anschließend wird eine Maske, die diesen rechnerisch ermittelten Vorgaben entspricht, auf die zu strukturierende Metallschicht aufgebracht. N. Qu et al., Precision Engineering, 39, 2015, S. 204-2011, beschreiben ein elektrochemisches Abtragsverfahren, bei dem die Bildung isolierter metallischer Inseln durch Verwendung relativ dicker Masken verhindert werden soll. C. Winkelmann et al., International Journal of Machine Tools & Manufacture, 72, 2013, S. 25-31, beschreiben ein elektrochemisches Abtragsverfahren, bei dem die Maske nicht auf dem Werkstück (d.h. der zu strukturierenden Metallschicht), sondern auf der Kathode (d.h. dem Werkzeug) aufgebracht ist.
US 3,933,615 A beschreibt ein Verfahren, das sowohl das lokale elektrochemische Abtragen von Lot sowie das lokale Abscheiden von Gold auf einer Leiterplatte ermöglicht. Hier ist allerdings nicht die Entfernung der vollständigen Schicht das Ziel. Es kann daher nicht zum elektrischen Abtrennen von Metallbereichen kommen.
WO 03/041462 A2 beschreibt einen Prozess zum elektrochemischen Abtragen von Metall, erwähnt aber auch, dass ein chemisches Nachätzen erforderlich ist. Der Prozess ist nicht geeignet, die Schichten vollständig zu entfernen.
DE 10 2004 005 300 A1 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Metallabtragung. Für die vollständige Entfernung des Metalls ist ein Nachätzschritt erforderlich.
US Patent 4,036,705 beschreibt einen Prozess zur lokalen Benetzung eines Bauteils, beispielsweise über eine Schwammrolle, zur Lotentfernung und Goldabscheidung auf Endkontakten von Leiterplatten.
US 5,543,032 beschreibt ein Verfahren, bei dem der Abtrag durch einen Flüssigkeitsstrahl lokal begrenzt wird. Die Probe bleibt statisch und der Strahl fährt über das Bauteil. Nachteilig ist, dass Bereiche elektrisch abgeschnitten und dann nicht mehr bearbeitet werden können. Zudem ist das Verfahren relativ langsam.
Die technische Entwicklung im Bereich der Leiterplatten und der elektronischen Leistungsbauelemente führt dazu, dass zunehmend dickere Metallschichten bearbeitet und strukturiert werden müssen, um den steigenden Anforderungen der immer höheren Ströme gerecht zu werden. Dadurch kommen die relativ langsamen Ätzverfahren an ihre Grenzen und müssen zum Beispiel durch mechanische Abtragsverfahren wie Fräsen ergänzt werden, was andere Nachteile mit sich bringt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer strukturierten Metallschicht (z.B. in Form von Leiterbahnen) über ein möglichst effizientes elektrochemisches Abtragen. Vorteilhafterweise sollte sich durch das elektrochemische Abtragen das Metall in den für die Ausbildung der Leiterbahnen erforderlichen Bereichen möglichst vollständig entfernen lassen, so dass ein chemisches Nachätzen nicht erforderlich ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Strukturierung einer Metallschicht eines Bauelements durch elektrochemisches Abtragen, wobei

- ein Werkstück und ein als Kathode fungierendes Werkzeug mit einem flüssigen Elektrolyten in Kontakt gebracht werden, das Werkstück umfassend
- - ein Substrat mit einer Substratoberfläche,
- - eine auf der Substratoberfläche vorliegende zu strukturierende Metallschicht,
- - eine auf der zu strukturierenden Metallschicht vorliegende Maske, so dass die zu strukturierende Metallschicht eine maskierte Fläche und eine freiliegende Fläche aufweist,
- - einen elektrischen Kontakt, der die zu strukturierende Metallschicht mit einer Spannungsquelle verbindet, so dass die zu strukturierende Metallschicht als Anode fungiert,
- - zwischen dem Werkstück und
  - (i) einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, und/oder
  - (ii) der Kathode, und/oder
  - (iii) einem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen dem Werkstück und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist,
  eine Relativbewegung parallel zur Substratoberfläche stattfindet.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück einerseits und (i) einer Flüssigkeitsfront des Elektrolyten, (ii) der Kathode und/oder (iii) einem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen dem Werkstück und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist, bevorzugt eine parallel zur Substratoberfläche wandernde elektrochemische Abtragsfront erzeugt. Die Abtragsfront ist ein Bereich, der zwischen einem Bereich, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde, und einem Bereich, in dem die Metallschicht noch nicht oder zu einem früheren Zeitpunkt nur teilweise elektrochemisch abgetragen wurde, liegt. Die wandernde Abtragsfront grenzt also in ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich, in dem die Metallschicht noch nicht oder zu einem früheren Zeitpunkt nur teilweise elektrochemisch abgetragen wurde, während sie entgegengesetzt zu ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich grenzt, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde.
Eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Elektrolytflüssigkeitsfront, der Kathode oder dem mit mindestens einer Öffnung versehenen elektrisch nicht leitenden Flächenelement bedeutet, dass die Relativbewegung zumindest parallel zur Substratoberfläche eine Bewegungskomponente aufweist. Dies schließt nicht aus, dass die Relativbewegung zusätzlich auch noch eine Bewegungskomponente senkrecht zur Substratoberfläche aufweist. Beispielsweise schließt eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung nicht aus, dass der Abstand zwischen dem Werkstück und der Kathode oder zwischen dem Werkstück und dem elektrisch nicht leitenden Flächenelement variiert und somit auch eine gewisse Relativbewegung senkrecht zur Substratoberfläche generiert wird. Wie nachfolgend noch eingehender erläutert, umfasst eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung beispielsweise nicht nur ein senkrechtes Eintauchen, sondern auch ein schräges Eintauchen des Werkstücks in ein Bad des flüssigen Elektrolyten.
In 2 wird das Werkstück veranschaulicht. Auf einem elektrisch nicht leitenden oder elektrisch halbleitenden Substrat 1 ist die zu strukturierende Metallschicht 2 aufgebracht. Auf der Metallschicht 2 ist eine Maske 3 (z.B. eine Lackmaske) aufgebracht, so dass die zu strukturierende Metallschicht eine maskierte Fläche und eine freiliegende Fläche aufweist. Über einen elektrischen Kontakt 4 (z.B. eine Klemme oder ein Schleifkontakt) kann die zu strukturierende Metallschicht 2 mit einer Spannungsquelle verbunden und gegenüber dem als Kathode geschalteten Werkzeug (nicht gezeigt in 2) auf ein anodisches Potential gesetzt werden.
In den 3a und 3b wird die parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront 6 veranschaulicht. Zu einem relativ frühen Zeitpunkt des elektrochemischen Abtragsverfahrens befindet sich die Abtragsfront 6 beispielsweise in der in 3a gezeigten Position. Der Pfeil zeigt die Bewegungsrichtung der Abtragsfront 6 an. Die Abtragsfront 6 befindet sich zwischen einem Bereich 2a, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde, und einem Bereich 2b, in dem die Metallschicht noch nicht elektrochemisch abgetragen wurde. Die wandernde Abtragsfront 6 grenzt also in ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich 2b, in dem die Metallschicht noch nicht elektrochemisch abgetragen wurde, während sie entgegengesetzt zu ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich 2a grenzt, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde. 3b zeigt die Position der Abtragsfront 6 zu einem im Vergleich zu 3a etwas späteren Zeitpunkt des elektrochemischen Abtragsverfahrens. Die wandernde Abtragsfront 6 weist in ihrer Bewegungsrichtung bevorzugt eine relativ geringe Breite d_A auf, bezogen auf die Breite des Werkstücks. Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird, kann die Breite d_A der wandernden Abtragsfront 6 unter anderem durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Elektrolytflüssigkeitsfront, der Kathode oder dem mit mindestens einer Öffnung versehenen elektrisch nicht leitenden Flächenelement gesteuert werden. Durch die parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront 6 wird ein elektrochemisches Abtragen ermöglicht, das die unerwünschte Bildung isolierter metallischer Inseln auf der Substratoberfläche vermeidet.
In den 4a und 4b wird die parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront 6 anhand einer beispielhaften Ausführungsform, in der zu einem früheren Zeitpunkt die Metallschicht bereits teilweise elektrochemisch abgetragen wurde, veranschaulicht. Die Abtragsfront 6 befindet also sich zwischen einem Bereich 2a, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde, und einem Bereich 2b, in dem die Metallschicht zu einem früheren Zeitpunkt nur teilweise elektrochemisch abgetragen wurde.
Bevorzugt weist die wandernde Abtragsfront in ihrer Bewegungsrichtung eine Breite d_A auf, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Bewegungsrichtung der wandernden Abtragsfront) beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine intelligente Steuerung des Stroms und des elektrischen Feldes in dem flüssigen Elektrolyten zwischen dem als Kathode geschalteten Werkzeug und dem als Anode geschalteten und zu strukturierenden Werkstück. Der elektrochemische Abtrag kann dadurch exakt und über die volle Schichtdicke mit hoher Geschwindigkeit entsprechend des gewünschten Designs erfolgen. Ein Nachätzen wird dadurch überflüssig. Die wandernde elektrochemische Abtragsfront ist beispielsweise linienförmig mit der entsprechenden oben erwähnten Breite, wobei die Linie eine gerade, gekrümmte oder auch eine komplexe Form besitzen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass nur eine einzige parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront generiert wird. Alternativ ist es auch möglich, dass zwei oder mehr separate parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfronten generiert werden.
Die Abtragsfront wandert beispielsweise in Richtung des elektrischen Kontakts, der die zu strukturierende Metallschicht mit der Spannungsquelle verbindet.
Um eine Korrosion des elektrischen Kontakts zu vermeiden, kann es bevorzugt sein, dass der elektrische Kontakt während des Verfahrens nicht mit dem flüssigen Elektrolyten in Kontakt kommt.
Wie nachfolgend noch eingehender erläutert, kann die Wanderung der elektrochemischen Abtragsfront parallel zur Substratoberfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Die zu strukturierende Metallschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0,5 µm bis 5 mm, bevorzugter 5 µm bis 2 mm auf.
Geeignete Substrate, auf denen die zu strukturierende Metallschicht vorliegen kann, sind dem Fachmann bekannt. Üblicherweise ist das Substrat ein elektrisch nicht leitfähiges Substrat (z.B. ein Kunstoffsubstrat, ein Keramiksubstrat oder ein Verbundwerkstoff-haltiges Substrat) oder ein halbleitendes Substrat.
Flüssige (bevorzugt wässrige) Elektrolyten, die für ein elektrochemisches Abtragen verwendet werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise ist der flüssige Elektrolyt eine wässrige Salzlösung. Optional kann der flüssige Elektrolyt noch eine ätzend wirkende Komponente (beispielsweise eine Säure, z.B. eine Mineralsäure) enthalten. Die Anwesenheit einer solchen chemischen Ätzkomponente in dem elektrochemischen Abtragselektrolyten unterstützt die vollständige Entfernung des Metalls in den für die Strukturierung der Metallschicht erforderlichen Bereichen.
Nach der Entfernung des Metalls durch das elektrochemische Abtragen wird optional noch ein Reinigungsschritt (z.B. durch Waschen mit Wasser oder einer anderen geeigneten Reinigungsflüssigkeit) durchgeführt. Anschließend können weitere Verarbeitungsschritte, die dem Fachmann allgemein bekannt sind, durchgeführt werden, beispielsweise die Entfernung der Maske.
Das Bauelement ist bevorzugt ein elektronisches Bauelement wie z.B. ein Sensor, eine Solarzelle, eine Leiterplatte oder ein Leistungsbauelement oder eine Vorstufe eines dieser Bauelemente.
Wie oben bereits erwähnt, wird durch die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück einerseits und (i) einer Flüssigkeitsfront des Elektrolyten, (ii) der Kathode und/oder (iii) einem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist, bevorzugt eine parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront erzeugt, wobei die Abtragsfront in ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich grenzt, in dem die Metallschicht noch nicht oder zu einem früheren Zeitpunkt nur teilweise elektrochemisch abgetragen wurde, und entgegengesetzt zu ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich grenzt, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde.
Die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten wird beispielsweise erzeugt durch

- ein Eintauchen des Werkstücks in den flüssigen Elektrolyten oder
- ein Dichtelement, das relativ zu dem Werkstück bewegt wird oder
- eine Benetzungseinheit, die eine lokale Benetzung der freiliegenden Fläche der zu strukturierenden Metallschicht ermöglicht und relativ zu dem Werkstück bewegt wird.

Die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flüssigkeitsfront des Elektrolyten kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Beispielsweise kann das Werkstück mit kontinuierlicher Geschwindigkeit in ein Bad des Elektrolyten eingefahren werden. Alternativ ist es auch möglich, die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück in das Bad des Elektrolyten eingefahren wird, zu variieren oder das Eintauchen des Werkstücks in das Elektrolytbad für eine bestimmte Zeitdauer zu unterbrechen und dann fortzusetzen.
Das Werkstück kann beispielsweise senkrecht oder in einem schrägen Winkel in das Bad des Elektrolyten eingetaucht werden. Die Oberfläche des im Bad vorliegenden Elektrolyten stellt die Flüssigkeitsfront dar. Durch das Einfahren des Werkstücks in das Bad des Elektrolyten wird eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbades (d.h. der Flüssigkeitsfront des Elektrolyten) erzeugt. Die Flüssigkeitsfront des Elektrolyten wandert parallel zur Substratoberfläche und kontaktiert dabei die zu strukturierende Metallschicht.
Beispielsweise wird das Werkstück unter einem Winkel von 90° +/- 20° in den Elektrolyten eingetaucht. Der Eintauchwinkel bezieht sich auf die Substratoberfläche.
In Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flüssigkeitsfront des Elektrolyten weist die wandernde Abtragsfront beispielsweise eine Breite d_A auf, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Flüssigkeitsfront) beträgt.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten durch ein Eintauchen des Werkstücks in den flüssigen Elektrolyten erzeugt wird. In einem Elektrolytbehälter 9 befindet sich ein flüssiger Elektrolyt 8. Die Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbades stellt die Flüssigkeitsfront 10 des Elektrolyten dar. Das Werkstück (elektrisch nichtleitendes oder halbleitendes Substrat 1; zu strukturierende Metallschicht 2; Maske 3; elektrischer Kontakt 4) wird in den Elektrolyten eingetaucht. In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform erfolgt ein senkrechtes Eintauchen des Werkstücks in das Elektrolytbad. Alternativ ist es aber auch möglich, ein schräges Eintauchen des Werkstücks in das Elektrolytbad vorzunehmen. In beiden Fällen ergibt sich parallel zur Substratoberfläche eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flüssigkeitsoberfläche des Elektrolytbades (d.h. der Flüssigkeitsfront des Elektrolyten). Die Kathode 7 fungiert als Werkzeug. Durch die Eintauchtiefe des Werkstücks in den Elektrolyten 8 wird der Bereich der Metallschicht 2 festgelegt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens elektrochemisch abtragbar ist. Die Breite der Abtragsfront 6 in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flüssigkeitsfront 10 des Elektrolyten kann durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung (d.h. durch die Eintauchgeschwindigkeit des Werkstücks in den Elektrolyten) gesteuert werden.
Wie oben bereits erwähnt, wird die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten beispielsweise durch ein Dichtelement erzeugt, das relativ zu dem Werkstück bewegt wird.
Das Dichtelement hält die Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten zurück. Durch eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Dichtelement wandert die Flüssigkeitsfront des Elektrolyten parallel zur Substratoberfläche und kontaktiert dabei die zu strukturierende Metallschicht. Das Dichtelement ist beispielsweise eine Gummilippe.
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der ein Dichtelement verwendet wird. Ein Werkstück (elektrisch nichtleitendes oder halbleitendes Substrat 1; zu strukturierende Metallschicht 2; Maske 3; elektrischer Kontakt 4) und ein Dichtelement 11 werden relativ zueinander parallel zur Substratoberfläche bewegt. Als Werkzeug fungiert die Kathode 7. Das Dichtelement 11 hält die Flüssigkeitsfront 10 des Elektrolyten 8 zurück. Durch die Relativbewegung zwischen Dichtelement 11 und Werkstück wandert auch die Flüssigkeitsfront 10 des Elektrolyten. Die jeweilige Position des Dichtelements 11 auf dem Werkstück legt den Bereich der Metallschicht 2 fest, der zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens elektrochemisch abtragbar ist. Die Breite der Abtragsfront 6 in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Dichtelement 11 kann durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung (d.h. durch die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück und das Dichtelement relativ zueinander bewegt werden) gesteuert werden.
Wie oben bereits erwähnt, wird die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten beispielsweise erzeugt durch eine Benetzungseinheit, die eine lokale Benetzung der freiliegenden Fläche der zu strukturierenden Metallschicht ermöglicht und relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Zwischen dem Werkstück und der Benetzungseinheit erfolgt also parallel zur Substratoberfläche eine Relativbewegung.
Geeignete Benetzungseinheiten für die lokale Benetzung einer Oberfläche mit einer Flüssigkeit sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise ist die Benetzungseinheit eine Düse (z.B. eine Schwalldüse) oder eine Benetzungseinheit, wie sie von M. Balucani et al. in Energy Procedia, 43, 2013, S. 54-65 beschrieben wird. Die Benetzungseinheit enthält beispielsweise mindestens einen Zuführungskanal, über den der flüssige Elektrolyt auf die freiliegenden Fläche der zu strukturierenden Metallschicht aufgebracht werden kann, und mindestens einen Abführungskanal, der ein Abführen des flüssigen Elektrolyt von der freiliegenden Fläche der zu strukturierenden Metallschicht ermöglicht. Das Zuführen und/oder Abführen des flüssigen Elektrolyten in der mehrkanaligen Benetzungseinheit kann beispielsweise unter Verwendung eines Gasstroms reguliert werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Benetzungseinheit die Kathode enthalten, d.h. die Kathode kann Teil der Benetzungseinheit sein. In diesem Fall wird die Kathode als Teil der Benetzungseinheit relativ zum Werkstück bewegt. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Benetzungseinheit und die Kathode getrennt vorliegen.
Beispielsweise ist die Benetzungseinheit eine metallische Düse, die gegenüber der zu strukturierenden Metallschicht auf ein kathodisches Potential gesetzt ist und somit als Kathode fungiert. Wenn die Benetzungseinheit als Kathode fungiert, ist die Anwesenheit einer weiteren Kathode nicht zwingend erforderlich.
7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der eine Benetzungseinheit verwendet wird. Ein Werkstück (elektrisch nichtleitendes oder halbleitendes Substrat 1; zu strukturierende Metallschicht 2; Maske 3; elektrischer Kontakt 4) und eine Benetzungseinheit 12 für die lokale Benetzung der zu strukturierenden Metallfläche 2 werden relativ zueinander parallel zur Substratoberfläche bewegt. Als Werkzeug fungiert die Kathode 7. In der in 6 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist die Kathode 7 in der Benetzungseinheit 12 angebracht. Wie oben bereits erwähnt, ist es alternativ auch möglich, dass Kathode 7 und Benetzungseinheit 12 getrennt voneinander vorliegen. Über die Benetzungseinheit 12 wird der Elektrolyt 8 aufgebracht. Durch die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen der Benetzungseinheit 12 und dem Werkstück wandert auch die Flüssigkeitsfront 10 des Elektrolyten 8. Die jeweilige Position der Benetzungseinheit 12 über dem Werkstück legt den Bereich der Metallschicht 2 fest, der zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens elektrochemisch abtragbar ist. Die Breite der Abtragsfront 6 in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Benetzungseinheit 12 kann durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung (d.h. durch die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück und die Benetzungseinheit 12 relativ zueinander bewegt werden) und die Dimensionierung der Benetzungseinheit gesteuert werden.
Wie oben bereits erwähnt, wird gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die wandernde Abtragsfront erzeugt durch eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode.
Die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung schließt nicht aus, dass während dieser Relativbewegung auch der Abstand zwischen Werkstück (Anode) und Werkzeug (Kathode) variiert wird.
Bevorzugt weist die Kathode zumindest abschnittsweise eine die wandernde Abtragsfront abbildende Struktur auf. Beispielsweise ist die Kathode zumindest abschnittsweise drahtförmig, zylinderförmig oder klingenförmig (für die Realisierung einer linienförmigen Abtragsfront) oder weist die Kathode eine konvexe Struktur für die Realisierung einer kreisförmigen Abtragsfront auf.
Bevorzugt wird der Abstand zwischen der freien Oberfläche der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode relativ gering gehalten, z.B. 0,05 mm bis 1,5 mm, bevorzugter 0,1 mm bis 1,0 mm.
8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der das Werkstück (elektrisch nichtleitendes oder halbleitendes Substrat 1; zu strukturierende Metallschicht 2; Maske 3; elektrischer Kontakt 4) und die Kathode 7 (d.h. das Werkzeug) parallel zur Substratoberfläche relativ zueinander bewegt werden. Sowohl die Kathode 7 als auch die zu strukturierende Metallschicht werden vom flüssigen Elektrolyten 8 kontaktiert. Da aber die Kathode in Richtung der Relativbewegung eine relativ geringe Breite, bezogen auf die Breite des Werkstücks, aufweist, kann zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens jeweils auch nur über einen relativ schmalen Bereich elektrochemisch abgetragen werden. Es wird somit eine relativ schmale Abtragsfront 6 generiert, die aufgrund der Relativbewegung zwischen der Kathode 7 und dem Werkstück parallel zur Substratoberfläche wandert. Die jeweilige Position der Kathode 7 über dem Werkstück legt den Bereich der Metallschicht 2 fest, der zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens elektrochemisch abtragbar ist. Die Breite der Abtragsfront 6 in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode 7 kann durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung (d.h. durch die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück und die Kathode 7 relativ zueinander bewegt werden) und die Dimensionierung der Kathode gesteuert werden.
Beispielsweise weist die Kathode in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode eine Breite d_K auf, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode) beträgt. Bevorzugt wird diese Breite d_K an dem Ende der Kathode, das dem Werkstück zugewandt (d.h. dem Werkstück am Nächsten) ist, bestimmt.
Der Abstand zwischen der freien Oberfläche der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode wird bevorzugt relativ gering gehalten, z.B. 0,05 mm bis 1,5 mm, bevorzugter 0,1 mm bis 1,0 mm.
Wie oben bereits erwähnt, wird gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die wandernde Abtragsfront erzeugt durch eine parallel zur Substratoberfläche erfolgenden Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen dem Wekstück und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist.
Durch die Breite der Öffnungen und die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Flächengebilde kann die Breite der Abtragsfront eingestellt werden. Nur über die Öffnungen in dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde kann jeweils ein für das elektrochemische Abtragen erforderliche elektrische Feld zwischen dem Werkzeug (Kathode) und dem Werkstück (Anode) ausgebildet werden. Durch die Relativbewegung zwischen dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde und der zu strukturierenden Metallschicht wird eine parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront generiert. Der Abstand zwischen der zu strukturierenden Metallschicht und dem elektrisch nicht leitfähigen, mindestens eine Öffnung aufweisenden Flächenelements beträgt beispielsweise 1 mm bis 5 mm. Die Kathode und das elektrisch nicht leitfähige Flächenelement können voneinander beabstandet oder alternativ auch in direktem Kontakt miteinander sein (z.B. eine Metallfolie, die auf eine mit mindestens einer Öffnung versehenen Kunststoffplatte oder -folie aufgeklebt ist). Das elektrisch nicht leitfähige Flächengebilde ist beispielsweise ein Flächengebilde aus einem Kunststoff (z.B. in Form einer Folie oder Platte), einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff.
Beispielsweise enthält das Flächengebilde mindestens eine Öffnung, deren Breite d_o in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde) beträgt.
9 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der ein mit einer Öffnung versehenes elektrisch nicht leitfähiges Flächengebilde 13 zwischen dem Werkstück (elektrisch nichtleitendes oder halbleitendes Substrat 1; zu strukturierende Metallschicht 2; Maske 3; elektrischer Kontakt 4) und der Kathode 7 angeordnet ist. Sowohl die Kathode 7 als auch die zu strukturierende Metallschicht 2 und das Flächengebilde 13 werden vom flüssigen Elektrolyten 8 kontaktiert. Zwischen dem Werkstück und dem Flächengebilde erfolgt eine Relativbewegung parallel zur Substratoberfläche. Da die Öffnung in dem Flächengebilde 13 in Richtung der Relativbewegung eine relativ geringe Breite, bezogen auf die Breite des Werkstücks, aufweist, kann zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens jeweils auch nur über einen relativ schmalen Bereich elektrochemisch abgetragen werden. Es wird somit eine relativ schmale Abtragsfront 6 generiert, die aufgrund der Relativbewegung zwischen der Kathode 7 und dem Flächengebilde 13 parallel zur Substratoberfläche wandert. Die jeweilige Position der Öffnung in dem Flächengebilde 13 über dem Werkstück legt den Bereich der Metallschicht 2 fest, der zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens elektrochemisch abtragbar ist. Die Breite der Abtragsfront 6 in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Flächengebilde 13 kann durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung (d.h. durch die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück und das Flächengebilde 13 relativ zueinander bewegt werden) und die Breite der Öffnung in dem Flächengebilde gesteuert werden.
10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, in der das elektrisch nicht leitfähige Flächengebilde 13 mehrere Öffnungen aufweist. Sowohl die Kathode 7 als auch die zu strukturierende Metallschicht 2 und das Flächengebilde 13 werden vom flüssigen Elektrolyten 8 kontaktiert. Mit der Öffnung, die am weitesten vom elektrischen Kontakt 4 entfernt ist, wird eine parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront erzeugt (nachfolgend auch als Abtragsfront erzeugende Öffnung bezeichnet). Wie oben beschrieben, handelt es sich bei einer Abtragsfront um einen Bereich, der zwischen einem Bereich, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde, und einem Bereich, in dem die Metallschicht noch nicht oder zu einem früheren Zeitpunkt nur teilweise elektrochemisch abgetragen wurde, liegt. Die anderen Öffnungen sind so gestaltet, dass kein vollständiger elektrochemischer Abtrag des Metalls erfolgt. Die anderen Öffnungen sind also keine Abtragsfront erzeugenden Öffnungen. In jeder der freiliegenden (d.h. nicht maskierten) Flächen der Metallschicht 2 erfolgt ein vollständiger elektrochemischer Abtrag des Metalls erst dann, wenn die Abtragsfront erzeugende Öffnung aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Flächengebilde 13 über die entsprechende freiliegende Fläche geführt wird. Da aber zuvor in jeder dieser Flächen der Metallschicht 2 bereits ein Teil des Metalls elektrochemisch abgetragen wurde, wird der vollständige elektrochemische Metallabtrag durch die wandernde Abtragsfront 6 beschleunigt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es auch bevorzugt sein, zwei oder mehr der oben beschriebenen Maßnahmen miteinander zu kombinieren.
Beispielsweise erfolgt parallel zur Substratoberfläche eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und

- der Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, indem das Werkstück in den flüssigen Elektrolyten eingetaucht wird (z.B. unter einem Eintauchwinkel von 90°+/- 20°), so dass die Flüssigkeitsfront parallel zur Substratoberfläche wandert, und
- dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist.

Beispielsweise erfolgt parallel zur Substratoberfläche eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und

- der Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, indem das Werkstück in den flüssigen Elektrolyten eingetaucht wird (z.B. unter einem Eintauchwinkel von 90°+/- 20°), so dass die Flüssigkeitsfront parallel zur Substratoberfläche wandert, und
- der Kathode, wobei die Kathode in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode bevorzugt eine Breite d_K aufweist, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode) beträgt.

- der Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, indem das Dichtelement relativ zu dem Werkstück bewegt wird, so dass die Flüssigkeitsfront des Elektrolyten parallel zur Substratoberfläche wandert und
- dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist.

- der Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, indem das Dichtelement relativ zu dem Werkstück bewegt wird, so dass die Flüssigkeitsfront des Elektrolyten parallel zur Substratoberfläche wandert, und
- der Kathode, wobei die Kathode in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode bevorzugt eine Breite d_K aufweist, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode) beträgt.

- dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen der zu strukturierenden Metallschicht und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist, und
- der Kathode, wobei die Kathode in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode bevorzugt eine Breite d_K aufweist, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode) beträgt.

Durch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird die vorliegende Erfindung eingehender veranschaulicht.
Ein Ausführungsbeispiel ist das kontinuierliche Einfahren einer lokal mit Lack beschichteten Kupfer-oder Aluminium-Leiterplatte (Metallschichtdicke 10-1000µm auf harzbeschichteter Glasfasermatte) in einen Behälter mit einem elektrochemischen Abtragselektrolyten (z.B. NaCI oder NaNO₃, 30% Lösung) unter anodischem Potenzial gegenüber einer im Behälter befindlichen Kathode aus Aluminium oder Edelstahl (Potenzial 5-20V). Die Feldverteilung kann dabei sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung der Leiterplatte zusätzlich durch elektrisch nichtleitende und jeweils mindestens eine Öffnung aufweisende Flächengebilde (nachfolgend auch als Blenden bezeichnet) beeinflusst werden, um einen bevorzugten Abtrag an den Rändern der Leiterplatte zu vermeiden. Die Leiterplatte wird am oberen, trockenen Ende kontaktiert, z.B. über eine Klemmvorrichtung, bei der der Klemmkontakt, der sich auf der metallenen Seite der Leiterplatte befindet, ebenfalls metallisch ist und mit dem Stromkreis verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass der Kontakt nicht korrodiert wird und dass der Strom jederzeit optimal die Abtragsfront erreichen kann. Hier ist es von Vorteil, dass nicht zu bearbeitende Randbereiche mit Dimensionen von 1-2 cm bei Leiterplatten die Regel sind. Der Kontakt wird so ausgeführt, dass er mit dem Vorschub des Substrates mitgefahren wird, oder so, dass jeweils in Eintauchrichtung weitere Kontakte zur Verfügung stehen, so dass ein Kontakt bis unmittelbar vor dem vollständigen Eintauchen gegeben ist. Der Strom wird je nach Fläche der geöffneten Bereiche der Leiterplatte so gewählt, dass eine Stromdichte im Bereich 100-1000 mA/cm² während des Abtrags gewährleistet ist. Entsprechend wird die Einfahrgeschwindigkeit gewählt. Optimal ist eine dynamische Regelung des Stromes entsprechend des bekannten Designs der abzufragenden Bereiche der Leiterplatte. Bei Nutzung eines geeigneten Carriers und mehrerer einzelner oder einer mehrkanaligen Stromquelle(n) können so auch mehrere Leiterplatten simultan bearbeitet werden. Die Abtragsfront verläuft dabei immer von knapp unterhalb der Elektrolytoberfläche bis zum höchsten Punkt der Benetzung, wobei die Ausdehnung der Abtragsfront durch den gewählten Strom und den Vorschub beeinflusst werden können. Dadurch kann hinsichtlich der im besten Fall ohne Rückstände ätzbaren Struktur Einfluss genommen werden. Sobald die Leiterplatte bis zur oberen Grenze des zu strukturierenden Bereiches in den Elektrolyten eingetaucht wurde, ist die Strukturierung abgeschlossen. Der Kontaktbereich befindet sich dabei in der Regel nicht im Elektrolyten.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine Horizontalanlage, in der eine Leiterplatte oder ein Halbleiterwafer mit einer maskierten Metallschicht transportiert wird. Hier kann durch geeignetes Design der Anlage entweder ein Bereich geschaffen werden, in dem ein Elektrolyt das Substrat lokal benetzt (z.B. eine Anschwalldüse; ein sog. „Liquid Meniscus“, wie er von M. Balucani et al. in Energy Procedia, 43, 2013, S. 54-65 beschrieben wird; eine lokale Abdichtung auf dem Substrat, z.B. in Form einer Gummilippe etc.), oder es wird durch eine strukturierte Kathode (z.B. eine scharfe Elektrolytklinge) oder eine Blende, oder durch eine Kombination dieser Vorrichtungen eine Einengung der Feldlinien erreicht, durch die eine schmale Abtragsfront auf dem Substrat entsteht. Mit Vorrücken des Substrates durch den Vorschub der Anlage, der z.B. durch eine Rotation von Wellen in der Anlage entstehen kann, wird diese Front stetig weiter verschoben, bis das Substrat vollständig bearbeitet ist. Die Kontaktierung erfolgt dabei zum Beispiel durch Kontaktfedern in den Randbereichen des Substrates, die nicht benetzt werden (z.B. durch einen Überlauf), oder im hinteren Bereich des Substrates (das dann bevorzugt nicht benetzt ist). In dieser Ausführungsform ist es auch denkbar, das Substrat zunächst über eine gewisse Strecke ohne besondere Maßnahmen zur Ausprägung einer scharfen Abtragsfront zu bearbeiten, um die Metallschicht flächig abzudünnen, und erst bei Unterschreiten einer gewissen Metallschichtdicke den Abtrag auf eine Abtragsfront zu fokussieren. Dieses Vorgehen ist bei der Bearbeitung sehr dicker Metallschichten von Vorteil, wie sie bei den zunehmend verwendeten Dickkupfer-Leiterplatten z.B. im Bereich der E-Mobilität Anwendung finden.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist wiederum eine Durchlaufanlage, in der die Substrate aber vertikal transportiert werden. Solche Anlagen sind aus der galvanischen Abscheidung z.B. für Metallbänder oder auch für Solarzellen bereits bekannt, allerdings wird in diesen Anlagen die Eintauchtiefe über den Prozess nicht verändert. Um eine Abtragsfront zu erzeugen, kann hier ein sukzessives, am besten kontinuierliches Eintauchen in den Abtragselektrolyten dadurch erreicht werden, dass die Transportvorrichtung (in der Regel ein metallisches Trägerband mit Kontaktklammern) nicht horizontal, sondern ganz leicht abfallend angeordnet ist. Die Kontakte liegen an der oberen, nicht eingetauchten Seite des Substrates und bleiben dadurch von Korrosion verschont. Eine separate Strom- und Spannungsregelung für jedes Substrat ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Durch den Winkel und die Bandgeschwindigkeit können somit die Eintauchgeschwindigkeit und damit die Prozessrate und die Ausdehnung der Abtragsfront bestimmt werden. Auch hier kann mittels Blenden oder Kathodengeometrien der Prozess weitergehend beeinflusst werden. Die Anlage ist dabei so ausgeführt, dass die Eintauchtiefe am Ende der Anlage der gewünschten Abtragshöhe auf dem Substrat entspricht. Für unterschiedliche Substrate ist hier entweder eine flexible Regelung der Neigung oder aber eine Abschaltung des Stromes ab einer bestimmten Position in der Anlage vorzusehen.
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

US 5567304 [0009]
US 3933615 A [0010]
WO 03/041462 A2 [0011]
DE 102004005300 A1 [0012]
US 4036705 [0013]
US 5543032 [0014]

Claims

Verfahren zur Strukturierung einer Metallschicht eines Bauelements durch elektrochemisches Abtragen, wobei - ein Werkstück und ein als Kathode fungierendes Werkzeug mit einem flüssigen Elektrolyten in Kontakt gebracht werden, das Werkstück umfassend - ein Substrat mit einer Substratoberfläche, - eine auf der Substratoberfläche vorliegende zu strukturierende Metallschicht, - eine auf der zu strukturierenden Metallschicht vorliegende Maske, so dass die zu strukturierende Metallschicht eine maskierte Fläche und eine freiliegende Fläche aufweist, - einen elektrischen Kontakt, der die zu strukturierende Metallschicht mit einer Spannungsquelle verbindet, so dass die zu strukturierende Metallschicht als Anode fungiert, - zwischen dem Werkstück und (i) einer Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten, und/oder (ii) der Kathode, und/oder (iii) einem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde, das sich zwischen dem Werkstück und der Kathode befindet und eine oder mehrere Öffnungen aufweist, eine Relativbewegung parallel zur Substratoberfläche stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Relativbewegung eine parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront erzeugt wird, die in ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich grenzt, in dem die Metallschicht noch nicht oder zu einem früheren Zeitpunkt nur teilweise elektrochemisch abgetragen wurde, und entgegengesetzt zu ihrer Bewegungsrichtung an einen Bereich grenzt, in dem die Metallschicht bereits vollständig elektrochemisch abgetragen wurde.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die wandernde Abtragsfront in ihrer Bewegungsrichtung eine Breite d_A aufweist, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Flüssigkeitsfront des flüssigen Elektrolyten erzeugt wird durch - ein Eintauchen des Werkstücks in den flüssigen Elektrolyten oder - ein Dichtelement, das relativ zu dem Werkstück bewegt wird oder - eine Benetzungseinheit, die eine lokale Benetzung der freiliegenden Fläche der zu strukturierenden Metallschicht ermöglicht und relativ zu dem Werkstück bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Werkstück unter einem Eintauchwinkel von 90°+/-20° in den flüssigen Elektrolyten eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Benetzungseinheit eine Düse ist; oder die Benetzungseinheit eine mehrkanalige Benetzungseinheit ist, die mindestens einen Zuführungskanal, über den der flüssige Elektrolyt auf die zu strukturierende Metallschicht aufgebracht werden kann, und mindestens einen Abführungskanal, über den der flüssige Elektrolyt von der zu strukturierenden Metallschicht abgeführt werden kann, enthält und das Zuführen und/oder Abführen des flüssigen Elektrolyten in der mehrkanaligen Benetzungseinheit durch einen Gasstrom reguliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 6, wobei die Benetzungseinheit die Kathode enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kathode zumindest abschnittsweise drahtförmig, zylinderförmig oder klingenförmig ist; und/oder wobei die Kathode in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode eine Breite d_K aufweist, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Öffnungen des elektrisch nicht leitfähigen Flächengebildes in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem elektrisch nicht leitfähigen Flächengebilde eine Breite d_o aufweist, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abtragsfront in Richtung des elektrischen Kontakts, der die zu strukturierende Metallschicht mit der Spannungsquelle verbindet, wandert; und/oder der elektrische Kontakt während des Verfahrens nicht mit dem flüssigen Elektrolyten in Kontakt kommt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bauelement ein elektronisches Bauelemente, insbesondere ein Sensor, eine Solarzellen, eine Leiterplatte oder ein Leistungsbauelement oder eine Vorstufe eines dieser Bauelemente ist.