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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung strukturierter Metallschichten (z.B. in Form von Leiterbahnen) durch ein elektrochemisches Abtragen.
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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.
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Der Abtrag des Metalls durch Ätzen erfolgt in der Regel chemisch durch eine aggressive Ätzlösung, die das offen liegende Metall angreift und auflöst.
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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 GROOVER, M.P.: Fundamentals of Modern Manufacturing, 5. Auflage, Verlag Wiley, 2013, S. 683-686 in Kapitel 25.2 „Electrochemical Machining Processes“ beschrieben.
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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.
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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. Die Öffnungen in der Maske definieren das abzutragende Material. In Abhängigkeit von der herzustellenden Leiterbahnenstruktur kann es dabei vorkommen, dass die Maske Öffnungen aufweist, die sich in ihrer Breite deutlich unterscheiden (d.h. die Maske enthält sowohl relativ breite wie auch relativ schmale Öffnungen).
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Beim elektrochemischen Abtragen unter Verwendung einer Maske spielt die Verteilung des Prozessstroms eine wichtige Rolle hinsichtlich des Prozessergebnisses. Wie oben bereits erwähnt, kommen auf typischen Leiterbahndesigns sowohl schmale Strukturen (d.h. relativ schmale Öffnungen in der Maske) als auch weite Strukturen (d.h. relativ breite Öffnungen in der Maske) vor. In schmalen Bereichen kommt es zu einer Konzentration der Feldlinien, was in diesen Bereichen zu einem schnelleren elektrochemischen Abtrag führt. Dadurch tritt in schmalen Bereichen das Phänomen des Unterätzens der Maske deutlicher auf als in weiten Bereichen. Selbst bei gleich breiten Öffnungen können Felddichteinhomogenitäten dazu führen, dass sich am Rand der Leiterplatte liegende Maskenöffnungen in ihrem Ätzprofil von mittig auf der Leiterplatte liegenden Maskenöffnungen unterscheiden. Diese Inhomogenitäten sind nachteilig, da sich der Prozess schlechter kontrollieren lässt. Abweichungen in der erzeugten Leiterbahngeometrie (i) durch exzessives Unterätzen bei relativ breiten Maskenöffnungen und/oder (ii) aufgrund der Position der jeweiligen Maskenöffnung auf der Leiterplatte (d.h. am Rand oder mittig auf der Leiterplatte) sind für technische Anwendungen nicht tolerierbar.
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Ein weiteres Problem, das sich beim elektrochemischen Abtragen unter Verwendung einer Maske ergeben kann, ist die Bildung metallischer „Inseln“. Insbesondere bei breiteren Öffnungen der Maske kann das elektrochemische Abtragen zur Bildung dieser metallischen Inseln führen, die von der Stromzufuhr abgeschnitten sind 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 Bildung metallischer Inseln wird dadurch verursacht, dass die freiliegende (d.h. nicht von der Maske bedeckte) Metallschicht unmittelbar neben der Maske schneller abgetragen wird.
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In dem in
US 5 567 304 A 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.
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QU N. [et al.]: Removal of islands from micro-dimple arrays prepared by through-mask electrochemical micromachining. In: Precision Engineering, 39, 2015, S. 204-211, beschreiben ein elektrochemisches Abtragsverfahren, bei dem die Bildung isolierter metallischer Inseln durch Verwendung relativ dicker Masken verhindert werden soll.
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WINKELMANN C. [et al]: Influence of the electrode distance and metal ion concentration on the resulting structure in electrochemical micromachining with structured counter electrodes. In: 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.
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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.
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WO 2003/ 041 462 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.
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DE 10 2004 005 300 A1 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Metallabtragung. Für die vollständige Entfernung des Metalls ist ein Nachätzschritt erforderlich.
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US 4 036 705 A beschreibt einen Prozess zur lokalen Benetzung eines Bauteils, beispielsweise über eine Schwammrolle, zur Lotentfernung und Goldabscheidung auf Endkontakten von Leiterplatten.
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US 5 543 032 A beschreibt ein Verfahren, bei dem der Abtrag durch einen Flüssigkeitsstrahl lokal begrenzt wird. Die Probe bleibt statisch und der Strahl fährt über das Bauteil.
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US 7 867 374 B2 beschreibt ein elektrochemisches Abtragsverfahren unter Verwendung einer segmentierten Kathode als Werkzeug. Die Positionen des zu strukturierenden Werkstücks und der segmentierten Kathode bleiben während des elektrochemischen Abtragens fixiert. Auf dem Werkstück wird keine Maske aufgebracht.
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US 2002 / 0 144 894 A1 beschreibt einen Reaktor für die elektrochemische Strukturierung eines als Werkstück fungierenden elektronischen Bauteils. Der Reaktor enthält eine bewegliche Elektrodeneinheit, die sich parallel zur Oberfläche des Werkstücks bewegen lässt.
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US 2010 / 0 187 126 A1 beschreibt eine Vorrichtung für das elektrochemische Ätzen eines Werkstücks. Die Vorrichtung umfasst einen oder mehrere kleinere Behälter, die jeweils eine Elektrode enthalten, sowie einen größeren Behälter, in dem die elektrodenhaltigen Behälter, eine Elektrolytlösung und das Werkstück vorliegen.
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CN 107 385 504 A beschreibt eine segmentierte Elektrode für das elektrochemische Ätzen eines Werkstücks.
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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 chemischen Ätzverfahren an ihre Grenzen und müssen zum Beispiel durch mechanische Abtragsverfahren wie Fräsen ergänzt werden, was andere Nachteile mit sich bringt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung einer strukturierten Metallschicht (z.B. in Form von Leiterbahnen) über ein möglichst effizientes elektrochemisches Abtragen. Insbesondere sollte das Verfahren ermöglichen, dass das elektrochemische Abtragen des Metalls unabhängig von der Breite der jeweiligen Maskenöffnung und der Position der Maskenöffnung auf dem Substrat (z.B. am Rand oder eher mittig auf dem Substrat) homogen erfolgt. Außerdem wäre vorteilhaft, wenn sich das freiliegende Metall in den für die Ausbildung der Leiterbahnen erforderlichen Bereichen möglichst vollständig elektrochemisch abtragen ließe, so dass ein chemisches Nachätzen nicht erforderlich ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Strukturierung einer Metallschicht eines Bauelements durch elektrochemisches Abtragen, wobei
- - ein Werkstück und eine als Werkzeug fungierende segmentierte Kathode 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, die Öffnungen aufweist, so dass die zu strukturierende Metallschicht im Bereich der Maskenöffnungen freiliegend ist,
- - einen elektrischen Kontakt, der die zu strukturierende Metallschicht mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindet, so dass die zu strukturierende Metallschicht als Anode fungiert,
- - die segmentierte Kathode voneinander beabstandete Segmente enthält, wobei die voneinder beabstandeten Segmente mit mindestens einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden sind und der zugeführte Strom und/oder die angelegte Spannung separat für jedes Segment regelbar ist,
- - zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode eine Relativbewegung parallel zur Substratoberfläche stattfindet,
- - die Segmente der segmentierten Kathode mit einer Steuereinheit verbunden sind und die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass für jedes Segment die Regulierung des zugeführten Stroms und/oder der angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Breite der Maskenöffnung, über das sich das jeweilige Segment zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens befindet, und/oder in Abhängigkeit von der Position dieser Maskenöffnung auf der zu strukturierenden Metallschicht erfolgt.
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Da jedes Segment der Kathode hinsichtlich des zugeführten Stroms und/oder der angelegten Spannung separat regelbar ist, wird eine dynamische Anpassung der lokalen Stromdichten oder Feldliniendichten während des Verfahrens ermöglicht. Befindet sich beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens ein Segment S1 der Kathode über einer breiteren Maskenöffnung, während sich ein benachbartes Segment S2 der Kathode über einer schmaleren Maskenöffnung befindet, kann die lokale Stromdichte so gesteuert werden, dass im Bereich der breiteren Maskenöffnung eine höhere Stromdichte vorliegt als im Bereich der schmaleren Maskenöffnung. Außerdem kann der einem bestimmten Segment S1 zugeführte Strom oder die an diesem Segment S1 angelegte Spannung während des Verfahrens in Abhängigkeit von der Breite der Maskenöffnung, über der sich das Segment S1 gerade befindet, variiert werden, wobei Strom oder Spannung bevorzugt so gesteuert werden, dass im Bereich der breiteren Maskenöffnung eine höhere Stromdichte vorliegt als im Bereich der schmaleren Maskenöffnung. Durch die hinsichtlich des Stroms und/oder der Spannung separat voneinander steuerbaren Segmente der Kathode ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass das elektrochemische Abtragen des Metalls unabhängig von der Breite der jeweiligen Maskenöffnung homogen erfolgt.
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Beispielsweise ist die Strom- oder Spannungsquelle eine mehrkanalige Strom- oder Spannungsquelle, wobei sich Strom oder Spannung individuell für jeden Kanal regeln lassen. Solche mehrkanaligen Strom- oder Spannungsquellen sind dem Fachmann bekannt.
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Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode ermöglicht, dass die Ausbildung isolierter Inseln vermieden wird und somit ein chemisches Nachätzen nicht erforderlich ist. Durch diese Relativbewegung wird 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. Durch die parallel zur Substratoberfläche wandernde Abtragsfront wird ein elektrochemisches Abtragen ermöglicht, das die unerwünschte Bildung isolierter metallischer Inseln auf der Substratoberfläche vermeidet.
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Eine parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode 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 variiert und somit auch eine gewisse Relativbewegung senkrecht zur Substratoberfläche generiert wird.
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Bei den Segmenten der Kathode handelt es sich üblicherweise um metallische Segmente. Geeignete Metalle, die im Rahmen eines elektrochemischen Abtragsverfahrens als Kathode gegenüber dem Werkstück fungieren können, sind dem Fachmann bekannt.
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Die Segmente der segmentierten Kathode weisen beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 10 µm bis 10 mm, bevorzugter 10 µm bis 1 mm auf. Bevorzugt handelt es sich dabei um den Durchmesser des Segments in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode. Die Segmente können beispielsweise in Form von Pads oder Partikeln vorliegen oder drahtförmig sein.
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Die Segmente sind so beabstandet, dass benachbarte Segmente ausreichend elektrisch isoliert voneinander sind. Geeignete Abstände benachbarter Kathodensegmente kann der Fachmann durch Routineversuche bestimmen. Bevorzugt beträgt der Abstand benachbarter Segmente maximal 1 mm. Gegebenenfalls kann zwischen benachbarten Kathodensegmenten jeweils ein elektrisch nicht leitender Feststoff angebracht sein. Beispielsweise sind die Segmente so voneinander beabstandet, dass zwischen benachbarten Segmenten ein Widerstand von mindestens 1000 Ohm vorliegt.
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Die voneinander beabstandeten Segmente können beispielsweise reihenförmig angeordnet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es ausreichend sein, wenn nur eine Reihe kathodischer Segmente vorliegt (d.h. einreihige Anordnung der Segmente der Kathode). Alternativ ist es aber auch möglich, dass zwei oder mehr Reihen kathodischer Segmente vorliegen (d.h. mehrreihige Anordnung der Segmente der Kathode). Die Gesamtheit dieser reihenförmig angeordneten Segmente bildet die segmentierte Kathode. Eine Reihe kathodischer Segmente kann in Form einer geraden Linie oder alternativ auch in Form einer beliebig gekrümmten Linie vorliegen. Bei einer mehrreihigen Anordnung können die Segmente benachbarter Reihen beispielsweise genau hintereinander platziert oder alternativ versetzt zueinander sein.
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Die reihenförmige Anordnung der Segmente weist beispielsweise in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode eine Breite dK auf, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode) beträgt. Senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode erstreckt sich die reihenförmige Anordnung der Segmente bevorzugt über eine Breite, die im Wesentlichen (mit einer Abweichung von bis zu +/- 10%) der Breite der zu strukturierenden Metallschicht entspricht.
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In einer beispielhaften Ausführungsform liegen die Segmente der segmentierten Kathode auf einem elektrisch nicht leitenden Träger (z.B. einem plattenförmigen elektrisch nicht leitenden Träger) vor und jedes Segment ist über eine Durchkontaktierung auf die gegenüberliegende Seite des Trägers mit einem Leiterzug verbunden, so dass jedes Segment der Kathode hinsichtlich des zugeführten Stroms und/oder der angelegten Spannung separat angesteuert werden kann. Der Träger weist eine dem Werkstück zugewandte Seite und eine gegenüberliegende, dem Werkstück abgewandte Seite vor und die Segmente der Kathode liegen auf der dem Werkstück zugewandte Seite vor. Die Segmente liegen beispielsweise in Form von Partikeln oder Pads auf dem Träger vor. Die Partikel oder Pads können beispielsweise eine runde oder alternativ auch eine eckige (z.B. rechteckige) Querschnittsfläche (parallel zur Trägeroberfläche, auf der sie aufgebracht sind) aufweisen. Hinsichtlich des Durchmessers der als Kathodensegmente fungierenden Partikel oder Pads kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden. Die Partikel oder Pads weisen daher beispielsweise einen Durchmesser (parallel zur Oberfläche des Trägers, auf der sie aufgebracht sind) im Bereich von 10 µm bis 10 mm, bevorzugter 10 µm bis 1 mm auf. Die Höhe der Partikel oder Pads liegt beispielsweise im Bereich von 1 µm bis 10 mm, bevorzugter 10 µm bis 5 mm. Wie oben bereits erwähnt, können die Segmente beispielsweise ein- oder mehrreihig auf dem Träger angeordnet sein. Die Gesamtheit dieser reihenförmig angeordneten Segmente bildet die segmentierte Kathode.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind die Segmente der Kathode drahtförmig und in eine Matrix eines elektrisch nicht leitfähigen Materials (z.B. eines Polymers) eingebettet. Die drahtförmigen Segmente können in der Matrix beispielsweise ein- oder mehrreihig angeordnet sein. Der Durchmesser eines drahtförmigen Segments liegt beispielsweise im Bereich von 10-100 µm. Der Abstand benachbarter Drähte liegt beispielsweise im Bereich von 100 µm bis 1 mm, bevorzugter 100-500 µm. Jedes drahtförmige Kathodensegment ist bevorzugt mit einem separaten Leiterzug verbunden, so dass jedes Segment der Kathode hinsichtlich des zugeführten Stroms und/oder der angelegten Spannung separat angesteuert werden kann.
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Die Strom- und/oder Spannungsregelung der Kathodensegmente erfolgt über eine Steuereinheit, die mit den Segmenten verbunden ist.
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Die Steuereinheit ist so konfiguriert oder programmtechnisch eingerichtet, dass für jedes Segment der Kathode die Regulierung des zugeführten Stroms und/oder der angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Breite der Maskenöffnung, über das sich das jeweilige Kathodensegment zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens befindet, und/oder in Abhängigkeit von der Position dieser Maskenöffnung auf der zu strukturierenden Metallschicht (z.B. mittig oder eher am Rand der zu strukturierenden Metallschicht) erfolgt. Bevorzugt erfolgt die Regelung so, dass bei zunehmender Breite der Maskenöffnung die Stromdichte im Kathodensegment erhöht wird.
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Beispielsweise wird die zu strukturierende Metallschicht in virtuelle Flächenelemente unterteilt und jedem Flächenelement wird ein vordefinierter Wert für die Stromdichte eines über ihm befindlichen Kathodensegments zugeordnet und die Steuereinheit reguliert den zugeführten Strom und/oder die angelegte Spannung so, dass jedes Kathodensegment in Abhängigkeit von seiner aktuellen Position während des Verfahrens die vordefinierte Stromdichte aufweist.
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Beispielsweise werden vor oder während des Verfahrens durch einen Sensor (z.B. einen optischen Sensor) die Positionen und Abmessungen der Maskenöffnungen bestimmt, diese sensorischen Daten an die Steuereinheit übermittelt und die Steuereinheit reguliert während des Verfahrens für jedes Segment der Kathode den zugeführten Strom und/oder die angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Breite der Maskenöffnung, über das sich das jeweilige Kathodensegment zu einem bestimmten Zeitpunkt des Verfahrens befindet und/oder in Abhängigkeit von der Position dieser Maskenöffnung auf der zu strukturierenden Metallschicht (z.B. mittig oder eher am Rand der zu strukturierenden Metallschicht). Bevorzugt erfolgt die Regelung so, dass bei zunehmender Breite der Maskenöffnung die Stromdichte im Segment erhöht wird. Auch das Zusammenspiel mit benachbarten Segmenten kann in die Regelung miteinbezogen werden.
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Bevorzugt wird der Abstand zwischen der freiliegenden Oberfläche der zu strukturierenden Metallschicht und der segmentierten Kathode relativ gering gehalten, z.B. 0,05 mm bis 5 mm, bevorzugter 0,1 mm bis 1,0 mm.
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Wie oben erwähnt, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die parallel zur Substratoberfläche erfolgende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode eine parallel zur Substratoberfläche wandernde elektrochemische Abtragsfront erzeugt.
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Bevorzugt weist die wandernde Abtragsfront in ihrer Bewegungsrichtung eine Breite dA auf, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Bewegungsrichtung der wandernden Abtragsfront) beträgt.
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Die Breite der Abtragsfront in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode kann durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung (d.h. durch die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück und die segmentierte Kathode relativ zueinander bewegt werden), die mittlere Stromdichte und die Dimensionierung der segmentierten Kathode gesteuert werden.
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Beispielsweise weist die segmentierte Kathode in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Kathode eine Breite dK auf, die maximal 25%, bevorzugter maximal 15% der Breite des Werkstücks (ebenfalls bestimmt in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode) beträgt.
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Die Abtragsfront wandert beispielsweise in Richtung des elektrischen Kontakts, der die zu strukturierende Metallschicht mit der Spannungsquelle verbindet.
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Die Wanderung der elektrochemischen Abtragsfront parallel zur Substratoberfläche kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
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Die zu strukturierende Metallschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0,5 µm bis 5 mm, bevorzugter 5 µm bis 2 mm auf.
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Die segmentierte Kathode und die zu strukturierende Metallschicht, die als Anode fungiert, können beispielsweise mit derselben Strom- oder Spannungsquelle verbunden sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anhand der folgenden beispielhaften Ausführungsformen wird die Erfindung eingehender erläutert.
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Die segmentierte Kathode ist beispielsweise eine Leiterplatte, deren unterschiedliche Bereiche sich separat ansteuern lassen. Die Strukturierungstechnik kann in diesem Fall solche feinen Strukturen erzeugen. Die Segmente der segmentierten Kathode sind dabei auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet, zum Beispiel als gerade Linie. Über eine Durchkontaktierung auf die entgegengesetzte Seite der Leiterplatte kann auf dieser Seite jedes Segment der segmentierten Kathode über einen eigenen Leiterzug angesteuert werden. Damit kommt der Leiterzug während des Prozesses nicht in Kontakt mit der Prozesslösung und eine Aufweitung des Leiterbahnmusters in geometrisch großzügigere Dimensionen (im Gegensatz zu den bevorzugt sehr feinen Segmenten der segmentierten Kathode) wird möglich. Um eine hohe Stromtragfähigkeit der Leiterzüge und der Kathodensegmente zu bewerkstelligen, wird beispielsweise eine Dickkupfer-Leiterplatte mit Durchkontaktierung eingesetzt. Die Oberfläche der segmentierten Kathode kann zur Steigerung der Langlebigkeit und/oder zur Senkung der Prozessspannung mit einem geeigneten Metall bedampft werden, z.B. mit Platin.
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Im Prozess wird das Werkstück, z.B. eine Dickkupfer-Leiterplatte mit Maskierung, in geringem Abstand (z.B. wenige mm) gegenüber der segmentierten Kathode platziert und elektrisch als Anode angeschlossen. Der Spalt zwischen Anode und segmentierten Kathode wird mit Prozesslösung (z.B. 30% NaNO3) geflutet und das Werkstück wird relativ zur segmentierten Kathode bewegt. Senkrecht zur Richtung der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode erstreckt sich die Kathode bevorzugt über die gesamte Breite der zu strukturierenden Metallschicht. Die Strom-Zeit-Charakteristik bildet den Grad der Öffnung auf jeweils einem Teilbereich des Werkstückes ab. Solange sich Bereiche mit feinen Öffnungen in der Maske des Werkstücks gegenüber den Kathodensegmenten befinden, wird eine geringere Stromdichte (z.B. eine halb so hohe Stromdichte) eingeregelt als wenn sich breite geöffnete Bereiche in der Maske gegenüber den Kathodensegmenten befinden. Kathodensegmente, die sich gegenüber einer geschlossenen Lackmaske befinden, können abgeschaltet werden.
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Im Falle mehrerer feiner Linien in der Lackmaske werden beispielsweise nur in der Mitte dieser Linienstruktur angeordnete Kathodensegmente mit einem Prozessstrom beaufschlagt werden. Alternativ ist beispielsweise der Prozessstrom in der Mitte der Struktur am größten und wird zu den Rändern hin reduziert.
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Optional kann eine Messung der Prozessspannung zur Kontrolle des Prozesses erfolgen. So wird bei vollständig erfolgtem Abtrag im Bereich der Lackmaske die Prozessspannung ansteigen, weil die dann noch abzutragenden Bereiche (unterhalb der Lackmaske) abgeschirmt von der Kathode und der Prozesslösung sind. Bei einem Spannungsanstieg über ein bestimmtes Grenzniveau lässt sich damit im Fall einer segmentierten Kathode ein einzelnes Segment der Abtragsanordnung ausschalten (Strom = 0), was für andere Arten von Kathoden nicht möglich ist.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die segmentierte Kathode ein Raster aus feinen Metalldrähten (z.B. Platindrähten), die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Ein typischer Drahtdurchrnesser liegt bei 10-100 µm, ein typischer Abstand zu weiteren Drähten bei 200-500 µm. Diese Drähte werden beispielsweise in der Polymermatrix nach außen hin aufgeweitet, so dass an ihrem Ende ein ausreichend großer Abstand für eine separate Kontaktierung besteht. Diese Drähte werden jeweils an eine eigene Strom-Spannungsregelung (bzw. an einen eigenen Kanal einer mehrkanaligen Strom-Spannungsregelung) angeschlossen, die ein Potenzial oder einen Strom gegenüber dem Werkstück regelt. Die Regelung kann dabei in Rückkopplung mit dem zuvor erfassten Linienscan des Substrates erfolgen, wobei der aufgeprägte Strom oder das Potenzial typischerweise mit steigender abzutragender Metallfläche proportional gesteigert wird. Entsprechend des Abstands und des Vorschubs ist in der Regelung ein entsprechender Zeitversatz zu berücksichtigen. So kann die Form der Abtragsfront beeinflusst werden oder es kann eine Abtragsfront ausgebildet werden, indem die Drähte entlang der Vorschubrichtung des Substrates ein Gefälle in Potenzial oder Strom aufweisen. Ein sehr hoher Strom am oberen Ende führt dabei zu einer scharfen Abtragsfront, ein zunächst niedriger und dann nach unten ansteigender Strom führt zu einer flachen Abtragsfront.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise durch eine Sensorik (z.B. einen optischen Sensor) der Öffnungsgrad der Maske entlang einer zur Abtragsfront parallelen Linie in einem bestimmten Abstand zur Abtragsfront ermittelt. Entsprechend des Öffnungsgrades wird dann, nachdem sich die Abtragsfront durch die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode an die entsprechende Stelle verschoben hat, die Stromdichte so angepasst, dass sie in weiten Öffnungsbereichen der Maske höher ist als in schmalen Bereichen. Alternativ kann die Regelung der Stromführung der segmentierten Kathode bei bekanntem Maskendesign durch ein vorher definiertes Programm gesteuert werden, welches eine Strom-Zeit-Funktion abfährt. Diese Funktion kann bestimmt werden, indem die abzutragende Fläche auf der Probe virtuell in Linienelemente bzw. entlang der Linien in Segmente analog zur Kathodensegmentgröße aufgeteilt wird und an diesen lokalen Elementen ein äquivalenter Stromwert zur lokalen Öffnungsfläche zugeordnet wird. Anhand der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und der segmentierten Kathode kann ein ortsabhängiger Zeitwert zum Stromwert definiert werden. In beiden Fällen wird dadurch der unterschiedlichen Dichte der Feldlinien im elektrochemischen Abtragsprozess entgegengewirkt und es kann ein homogenes Abtragsbild mit einem gleichmäßigen Unterätzen in weiten und schmalen Öffnungsbereichen der Maske erreicht werden.