DE2001535A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung metallischer Muster - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung metallischer Muster

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DE2001535A1 DE19702001535 DE2001535A DE2001535A1 DE 2001535 A1 DE2001535 A1 DE 2001535A1 DE 19702001535 DE19702001535 DE 19702001535 DE 2001535 A DE2001535 A DE 2001535A DE 2001535 A1 DE2001535 A1 DE 2001535A1
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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung metallischer Muster
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung metallischer Muster, insbesondere metallischer Leitungsmuster für integrierte elektrische Schaltkreise, die auf einem Träger aus Isoliermaterial angeordnet sind.
In der Elektrotechnik werden mittels der Halbleitertechnik die Bauteile und die Schaltungen immer kleiner, um bei niedrigeren Kosten dauerhafte Einheiten mit hoher elektronischer Leistungefähigkeit, wie kleiner Verlustleistung und hoher Schaltgeschwindigkeit, zu erhalten. Die einzelnen Schaltelemente und deren Verbindungen untereinander werden dadurch gleichzeitig hergestellt, dass z.B. auf einem SiIiziumplättchen, das ca. 2 bis 6 cm Durchmesser besitzt und weniger als 0, 3 mm dick ist, mehrere
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tausend integrierte Schaltungselemente aufgebracht werden. Bei diesem Herstellungsverfahren müssen verschiedene Prozesschritte, wie Verunreinigungsdiffusion, epitaktisches Aufwachsen, Metallisierung usw. in kleinsten ausgewählten Bereichen auf dem ganzen Trägerplättchen durchgeführt werden, ohne dass die übrigen Bereiche des Plättchens davon negativ beeinflusst werden. Um diese kleinsten Bereiche und die sehr dünnen und sehr schmalen LeiterfceJinen genau abzugrenzen, werden photoempfindliche, meist polymere Überzüge oder Photolackschichten über das gesamte Grundplättchen gezogen und mit ultraviolettem Licht mit Hilfe von Kontaktmasken belichtet. Nach erfolgter Entwicklung des Photo lacks können die Bereiche, die in dem gegebenen Fabrikations gang verarbeitet werden sollen, durch Entfernen der Photolackschicht und durch Ätzen freigelegt werden. Die übrigen Bereiche bleiben von der unbelichteten Photolackschicht bedeckt. Im allgemeinen verwendet man heute zur Herstellung integrierter Halbleite rs chaltungen in einem Herstellungsprozess sowohl positive als auch negative Photolackschichten. Für jeden Arbeitegang ist dann ausserdem mindestens eine Maske erforderlich, die entweder als positive oder als negative Metallmaske, je nach der verwendeten Lackschicht, ausgebildet ist. Diese Masken werden ebenfalle durch bekannte photographische Techniken hergestellt. Das vielfältige Muster aus kleinsten Figuren, das eine Maske für ein Plättchen bildet, wird von einer
Hauptzeichnung, die im Format von etwa 1 m Grosse hergestellt wurde, durch ein Objektiv mit hohem Auflösungsvermögen und geringer Verzerrung verkleinert und photographisch wiedergegeben. Bedingt durch die sehr teure Herstellung der Metallmasken und der Beschichtung des
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Sehaltungsträgers mit an schlies sender Belichtung, Aushärtung, teilweiserAblösung und Ätzung ist dieses Verfahren technisch äusserst aufwendig, so dass nach diesem Verfahren hergestellte Leiterplatten sehr teuer werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallmustern auf Isoliermaterialien zu schaffen, die ohne die bekannten Photolackverfahren die Herstellung positiver sowie negativer Photomasken und die Herstellung von Leiterzügen für integrierte Schaltkreise gestatten.
Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe besteht darin, dass von einer thermischen Energiequelle ein Energiestrahl nur auf die Bereiche einer Metallschicht trifft, die auf dem parallel hinter der Metallschicht liegenden Isolationsmaterial aufgebracht werden sollen, und dass die Zeitdauer des Auftreffens des Energieetrahls kleiner ist als die Zeitkonstante der Wärmediffusion des Materials der Metallschicht.
Eine weitere Lösung besteht in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene» die dadurch gekennzeichnet ist, dass auf einem einstellbaren Koordinatentisch eine Energie strahlquelle, insbesondere eine Laser-Strahl-Quelle, angeordnet ist, deren Wärme energie strahl über Ablenkmittel oder Abblendmittel, die insbesondere vor der aufzubringenden Metallschicht angeordnet sind, nur die Bereiche des Metallfilms trifft, die auf dem parallel dahinterliegenden Isoliermaterial oder Träger niedergeschlagen
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werden sollen.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens zu dieser Vorrichtung besteht darin, dass zur Herstellung von Masken und Leitungszügen für integrierte Schaltkreise keine Photolacke und die relativ zeitraubenden Aushärt-, Reinigungs- und Ätzverfahren erforderlich sind. Ausserdem können praktisch in einem Verfahrens schritt mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens mit Hilfe einer Hauptmaske sowohl eine positive Maske als eine negative Maske hergestellt werden.
Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Explosivdarstellung einer Anordnung zur Herstellung
eine Metallmusters auf einem Substrat;
Fig. 2 in der Seitenansicht die Struktur der Fig. 1;
Fig. 3 ebenfalls eine Seitenansicht der Struktur von Fig. 2
unter Anwendung einer Vakuumkammer; Fig. 4 eine Perspektivdarstellung einer positiven und einer
negativen Maske, die gleichzeitig durch die Anordnung
nach den Figuren 1 bis 3 hergestellt werden können; Fig. 5 eine Perspektivdarstellung anderer Mittel zur Aufbringung
von Metall in auegewählten Zonen auf einem Substrat
zur Formung eines metallischen Musters aus diesen Zonen; Fig. 6 eine Perspektivdarstellung der Elemente nach Fig. 5
nach dem Aufbringen des Metalls auf dem Substrat und
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Fig. 7 eine Perspektivdärstellung einer anderen Vorrichtung
zur DuTchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
In den meisten Figuren, insbesondere in den Figuren 1 bis 3, wird ein Substrat 10 gezeigt, das aus jedem beliebigen Material bestehen kann, z.B. aus Glas. Das Substrat 10 ist weitgehend parallel zu einem Metallfilm angeordnet, der auf einer durchsichtigen Stützplatte 12 angeordnet ist, die z. B. ebenfalls aus Glas bestehen kann. Ist der Metallfilm 11 von ausreichender Stärke, so dass kein zusätzliches Stützen erforderlich ist, kann die Stütze 12 weggelassen werden, vorausgesetzt, dass nur eine negative Maske geformt werden soll.
Nach Fig. 1 ist eine Hauptmaske 14 mit Öffnungen 15 zur Definierung des Metallmusters auf dem Substrat 10 neben dem durchsichtigen Stützelement angebracht. Wenn der Film 11 kein Stützelement 12 erfordert, dann kann die Hauptmaske 14 neben dem Metallfilm 11 aufgebrächt werden. Die Haμptmaβke 14 kann aus jedem passenden Material hergestellt sein, das einen Strahl 16 von einer Las er-Strahl-Quelle 17 (siehe Fig. 7) absorbiert oder reflektiert. Im vorliegenden Beispiel·wird für das Material der Hauptmaske 14 Molybdän verwendet. Hergestellt wird die Hauptmaske nach dem konventionellen Verfahren zur Maskenherstellung mittels Photolack und Ätzverfahren.
Sowohl in der Anordnung nach Fig. 1 als auch in der Anordnung nach Fig. 7 wird der Strahl 16 im wesentlichen senkrecht geführt, d.h. in Fig.
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im wesentlichen senkrecht zur Maske 14, zur Stützplatte 12, zum Metallfilm 11 und zum Substrat 10. Die praktisch parallele Anordnung der einzelnen Schichten ist erforderlich, um eine sehr gute Auflösung des Metallmusters auf dem Substrat 10 zu ermöglichen. Es sei noch erwähnt, dass die Las er-Strahl-Quelle 17 in der Impuls-Betriebsweise angewendet wird.
Wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, wird das Substrat 10 in Berührung mit dem Metallfilm 11 angeordnet und die Stützplatte 12 wird in Berührung mit der Hauptmaske 14 angeordnet. Dieses Paket aus den verschiedenen Platten und Masken liegt innerhalb eines Vakuumrahmens 18. Der Vakuumrahmen 18 kann ein Stützelement 19 für das Substrat 10, den Metallfilm 11, das durchsichtige Element 12 und für die Maske 14 aufweisen. Über dem Stützelement 19 liegt ein durchsichtiges Element 20 und zwischen diesen beiden ist ein Dichtungsring 21 angeordnet. Das Vakuum innerhalb des Vakuumrahmens 18 wird über die öffnungen 22 und 13, an die eine Vakuumpumpe angeschlossen werden kann, erzeugt.
Im vorliegenden Aueführungebeispiel wird ein Vakuum von ca. 1 mm Quecksilbersäule innerhalb des Vakuumrahmens 18 erzeugt, um die Ablagerung des Metalls vom Film 11 auf das Substrat zu unterstützen, wenn der Laser-Strahl 16 auf den Metallfiltn 11 durch die öffnungen 15 in der Hauptmaske 14 auftrifft. Durch die Verwendung des Vakuums 18 wird verhindert, dass Luftmoleküle das Metall zerstreuen, das vom Metallfiltn 11 zum Substrat 10 gebracht wird. Wenn sich jedoch das Substrat im direkten Kontakt mit dem Metallfiltn 11 befindet, dann haben die Luft-
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moleküle keinerlei nachteilige Auswirkung,, so dass hier unter Umständen das Vakuum entfallen kann. Jeder Abstand zwischen dem Substrat 10 und dem Metallfilm 11 hat jedoch zur Folge, dass sieh die Metallzerstreuung verstärkt, während· sich das Metall vom Metallfilm 11 zum Substrat bewegt, und zwar aufgrund der Wärmeenergie des Laser-Strahls 16. Je grosser der Abstand zwischen dem Substrat 10 und dem Metallfilm. 11 ist, desto erforderlicher wird eine Vakuumkammer 18. Natürlich muss das Substrat
in enger Nähe, zum Film 11 bleiben, selbst wenn eine Vakuumkammer verwendet wird» da das Metall sich leicht zerstreut und bei sich vergrössender Entfernung zwischen dem Substrat 10 und dem Film 11 so stark zerstreut, auch bei Betrieb im Vakuum, dass das gewünschte Muster nicht mehr die gewünschte scharfe Auflösung auf dem Substrat aufweist. Wird an die Öffnungen 22 und 23 ein Vakuum angeschlossen, dann wird das durchsichtige Element 20 gegen das Stützelement 19 gedrückt und somit die Hauptmaske gegen das durchsichtige Element 12. Ausserdem wird der Film 11 gegen das Substrat 10 gepresst. Auf diese Weise verhindert das Vakuum nicht nur eine Dispersion des Metalls bei dessen Bewegung vom durchsichtigen Element 12 zum Substrat 10, sondern es hält die Elemente der Anordnung in enger Beziehung zueinander.
Bei praktischen Versuchen mit verschiedenen Metallen wurde festgestellt, das8 immer eine sehr gute Auflösung bei Zimmertemperatur erreicht werden kann und dass die Stärke des aufgetragenen Metalls auf dem Substrat um etwa 10 % geringer ist als die des Originalmetallfilms.
Bei diesen Vereuehen war die Laser-Strahl-Quelle 17 jeweils für
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15 Nanosekunden eingeschaltet, wobei zu beachten ist, dass die Zeitdauer immer geringer sein muss als die Zeitkonstante der Wärmediffusion des Metalls vom Metallfilm 11. Dadurch wird sichergestellt, dass eine lokalisierte Lasererhitzung des Metallfilms 11 nicht seitlich diffundiert, bevor das Metalljnuster auf das Substrat 10 aufgebracht ist. Das Substrat bei diesen Versuchen bestand jeweils aus Glas.
Das Material für den Metallfilm war Aluminium mit einer Stärke von Ι,οοο A , eine Blei-Zinnlegierung von 5, 000 A und 10 A, Nickel von " 500 R, Silber von 400 Ä\ Chrom von 500 R und 900 R und ein Chrom-
Aluminium-Doppelfilm, in welchem Chrom mit 500 A auf einer Stützplatte 12 aufgebracht wurde, wobei die Stützplatte aus Glas bestand und Aluminium von 1. 000 A auf dem Chrom. In jedem dieser Beispiele betrug die Dicke von jeder aufgebrachten Metallschicht auf dem Substrat ca. 90 % der Stärke des Originalfilms.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, bildet sich bei diesem Prozess sowohl eine ψ positive Maske aus Platte 12 mit dem Material des Metallfilms 11, das
nicht auf das Substrat aufgebracht •wurde als auch eine negative Maske durch die metallische Ablagerung 24 auf dem Substrat 10.
Eine andere Methode des Aufbringens einer metallischen Schicht bzw. eines metallischen Musters auf ein Substrat 10 ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Anordnung wird ein durchsichtiges Element 25, das dem durchsichtigen Element 12 entspricht, mit einem Metallfilm 26 nur in den Zonen ge-
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bildet, in denen das Metall auf das Substrat aufgebracht werden soll. Wenn daher zwei Zonen auf dem Substrat 10 in derselben Weise wie in Fig. 1 gezeigt, aufgebracht werden sollen, dann würde der Metallfilm 26 auf dem durchsichtigen Element 25 nur in diesen zwei Zonen aufgebracht.
Deshalb wird der Laser-Strahl 16 über die gesamte Zone des durchsichtigen Elements 25 gebracht und somit wird das Metall auf das Substrat 10 gelenkt und formt dort die Metallablagerungen 27 (siehe Fig. 6) zur Bildung des gewünschten Musters auf dem Substrat 10. Dies sind dieselben Zonen, j
in denen das durchsichtige Element 25 eine Metallschicht aufweist.
Somit wird dur,ch die Verwendung des durchsichtigen Elementes 25, wo der Metallfilm 26 nur in den Bereichen Metall aufweist, die auf das Substrat 10 aufzubringen sind, das Vorhandensein einer Hauptmaske eliminiert. Wie jedoch in Fig. 6 gezeigt, könnte diese Anordnung nicht dazu verwendet werden, sowohl eine positive als auch eine negative Maske gleichzeitig herzustellen, sondern es könnte jeweils nur eine negative Maske auf diese'Art und Weise hergestellt werden.
In Fig. 7 wird wiederum eine Anordnung gezeigt, die zur Herstellung eines Metallmusters auf einem Substrat ohne die Verwendung einer Hauptmaske dient. Hier wird der Metallfilm 11 auf der Stützplatte 12 mit dem Substrat 10 in derselben Weise in Kontakt gehalten wie es in dem Ausführungsbeiepiel, das in den Figuren 1 bis 3 dargestellt is^t, beschrieben wurde. Ähnlich werden das Substrat 10, der Film 11 und die Platte 10 be-
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vorzugt innerhalb einer Vakuumvorrichtung 18 gehalten, obgleich diese in Fig. 7 nicht dargestellt ist.
In der Anordnung nach Fig. 7 ist auf einem Koordinatentisch 28 eine Laser-Strahl-Quelle 17 montiert, und zwar so, dass die Las er-Strahl-Quelle mittels eines Mikrometers oder eines Schrittschaltmotors 29 vertikal und mittels einer weiteren Antriebsvorrichtung 30 horizontal bewegtwerden kann.
Wenn die Las er-Strahl-Quelle 17 einen Strahl erzeugt, der einen sehr kleinen Durchmesser hat, damit der Strahl auf eine bestimmte Zone des Films 11 gerichtet werden kann, wovon Metall auf das Substrat 10 aufgebracht werden soll, dann kann der Laser-Strahl 16 anfänglich auf eine Zone 31 des Films 11 gerichtet sein, wobei die Las er-Strahl-Quelle 17 im Impulsbetrieb arbeitet, um eine ausreichende Energiedichte für eine kurze Zeit zu liefern. Nachdem der Laser-Strahl 16 auf die Zone ~ bzw. auf den Bereich 31 des Metallfilme 11 gerichtet wurde, um das
Metall in diesem Bereich vom Metallfilm 11 auf das Substrat 10 aufzubringen, wird die Laser-Strahl-Quelle 17 abgeschaltet. Anschliessend kann die Laser-Strahl-Quelle sowohl nach unten als auch nach rechts mit Hilfe der Vorrichtungen 29 und 30 bewegt werden, so dass der Laser-Strahl 16 auf die Zone 32 des Metallfilms 11 gerichtet werden kann. Nachdem auch das Material von dem Bereich 32 des Metallfilms auf das Substrat 10 aufgebracht wurde, wird die Laser-Strahl-Quelle 17 wiederum abgeschaltet und auf die schon beschriebene Art und Weise auf den Bereich
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33 des Metallfilms 11 gelenkt.
Obwohl die Anordnung nach Fig. 7 eine längere Zeit zur Einstellung benötigt, macht sie jedoch die Verwendung einer sehr teuren Hauptmaske überflüssig. Ausserdem ergibt sich mit dieser Anordnung der Vorteil wie mit der nach ,Fig. 1, da auch hier sowohl die positive als auch die negative Maske gleichzeitig hergestellt werden können. Ein Photolack-Verfahren und ein anschliessendes Ätz-Verfahren ist auch hier nicht erforderlich. ■ ■ *■
Es sollte erwähnt sein, dass die Hauptmaske 14, die in den vorliegenden Ausführungsbeispielen aus Molybdän bestand, auch aus jedem anderen Material hergestellt werden kann, das die bestimmte Wellenlänge des Laser-Strahls 16 reflektiert oder absorbiert. Die Hauptmaske 14 kann sowohl aus einem Metall als auch aus einem Dielektrikum bestehen. Es muss nur von soldier Beschaffenheit sein, dass es durch die Energie des Laser-Strahls 16 von der Laser-Strahl-Quelle nicht nachteilig verändert wird. " '
Obwohl im Vorhergehenden immer die Herstellung von Masken beschrieben wurde, muss darauf hingewiesen werden, dass es jedoch auch möglich ist, jede andere Art von Metallmustern herzustellen. Es können z.B. Leitungsmuster für integrierte Schaltkreise auf einem Substrat hergestellt werden, indem das- Metall mittels des vorherbeschriebenen Verfahrens und der in den Zeichnungen.dargestellten Vorrichtungen aufgebracht wird. Das
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erfindungsgemässe Verfahren sowie die Vorrichtung eignen sich also prinzipiell für jedes Gebiet, in welchem die Aufgabe gestellt wird, Metall in einem bestimmten Muster auf ein Substrat aufzubringen.
Eine Bedingung bei der Durchführung des Verfahrens besteht darin, dass die Las er-Strahl-Quelle 17 im Impulsbetrieb arbeiten muss. Anderenfalls würde nämlich der Metallfilm 11 zur Bewegung des Metalls nicht 'genügend schnell erhitzt. Dies bedeutet, dass die Zeitkonstante der Wärmediffusion des Filmmetalls niedriger sein muss als die Betriebs periode der Laser-Strahl-Quelle 17, wenn die Las er-Strahl-Quelle 17 Impulsen in langsamer Folge ausgesetzt wäre. Die Energie der Laser-Strahl-Quelle 17 muss für eine sehr kurze Zeitdauer angelegt werden. Ausserdem soll noch darauf hingewiesen werden, dass die Dicke des Metallfilms die erforderliche Energie bestimmt, d.h. , dass mit steigender Dicke des Metallfilms mehr Energie, die von der Laser-Strahl-Quelle geliefert werden muss, erforderlich ist. Die beste Auflösung des aufgebrachten Musters wird mit immer schwächer werdender Metalldicke erzielt. Deshalb ist es erforderlich, verhältnis massig dünne Metallfilme zu verwenden, um die beste Auflösung eines Metallmusters auf einem Substrat zu erzielen.
Bei richtiger Wahl der Energie verdampft das Metall des Metallfilms so rasch, dass keine Wärmediffusion des restlichen Metalls auftritt, das eich neben den Metallzonen befindet, die zum Substrat 10 geführt werden,
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indem sie mit den. öffnungen 15 ausgerichtet werden, die sich in der Hauptmaske 14 befinden. Somit muss die von der Las er-Strahl-Quelle gelieferte Energie genügend Wärme aufbringen, um das Material auf die Temperatur zu erhitzen, bei der es verdampft. Die Verdampfung des Metalls muss innerhalb einer sehr kurzen Zeit, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei 15 Nanosekunden liegt, vorgenommen werden. Dementsprechend ist die Energie eine Funktion sowohl der Wärmeleistung, d.h. der Wärme, die zur Erhitzung des Metalls auf eine Temperatur erforderlich ist, bei der es verdampft, als auch der Verdampf ungs wärme des Metalls.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    ^l.) Verfahren zur Herstellung metallischer Muster, insbesondere
    metallischer Leitungsmuste^für integrierte elektrische Schaltkreise, die auf einem Träger aus Isoliermaterial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,, dass von einer thermischen Energiequelle (17) ein Energiestrahl (16) nur auf die Bereiche einer Metallschicht (11) trifft, die auf dem parallel hinter der Metallschicht liegenden W Isolationsmaterial (10) aufgebracht werden soll und dass die
    Zeitdauer des Auftreffens des Energie Strahls (16) kleiner ist als die Zeitkonstante der Wärmediffusion des Material der Metallschicht (11).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (11) auf einer strahlungsdurchlässigen Stützplatte (12) angeordnet wird, dass danach der Energiestrahl (16) direkt oder
    I, indirekt über Abblendmittel (14) auf ausgewählte Bereich der Me-
    tallschicht (11) und der strahldurchlässigen Stützschicht (12) geleitet wird, wodurch auf dem parallel dahinter angeordneten Substrat (10) eine negative Maske und auf der strahldurchlässigen Stützplatte (12) eine positive Metallmaske entsteht.
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  3. 3„ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem Substrat (10) niederzuschlagende Metallfilm (11) nur in den Bereichen auf einer strahldurchlässigen Stützplatte (12) angeordnet ist, die dem späteren metallischen Muster auf dem Substrat (10) entsprechen und dass der Energiestrahl (16) zum Bewegen des Metalls zum Substrat die gesamte Fläche des Musters überstreicht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen eines Metallfilms (11) auf einem Substrat (10) ohne eine Hauptmaske (14) der Energiestrahl (l6) direkt auf.die Metallschicht oder eine die Metallschicht tragende Stützschicht geworfen wird, wobei der Energiestrahl (1-6) entsprechend dem gewünschten Muster sowohl horizontal als auch vertikal bewegt wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem einstellbaren Koordinatentisch (28.) eine Energie strahlquelle (17), insbesondere eine Laser-Strahl-Quelle, angeordnet ist, deren Wärmeen.ergiestrahl (l6) über Ablenkmittel (29 und 30) oder Abblendmittel (14), die insbesondere vor der aufzubringenden Metallschicht (11) angeordnet sind, nur die Bereiche des Metallfilms (11) trifft, die auf dem parallel dahinterliegenden Isoliermaterial (10) oder Träger niedergeschlagen werden sollen.
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  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (11), gegebenenfalls die Hauptmaske (14) und das Substrat (10), auf dem das Metallmuster niedergeschlagen werden soll, durch einen Unterdruckrahmen (18) oder eine Vakuumein richtung aneinander gepresst sind.
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