JP2010161370A - 基板を電気化学的に加工する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板における材料除去を適切に制御することである。
【解決手段】伝導性の基板（１２０）を用いており、かつ伝導性の工具（１００）を用いており、工具は表面構造（１３０）を有しており、前記基板の加工を前記工具を用いて電気化学的なエッチング工程を介して行い、前記エッチング工程を介して前記工具の表面構造に基づき基板の表面から材料を除去する、基板を電気化学的に加工する方法において、電気化学的なエッチング工程中に、前記基板及び前記工具を互いに運動させるようにし、また、上記方法に基づいて基板を電気化学的に加工する装置において、電気化学的なエッチング工程中に前記基板と前記工具とを互いに運動させる運動手段が設けられているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、伝導性の基板を用い、かつ伝導性の工具を用い、該工具は表面構造を有しており、前記基板の加工を前記工具を用いて電気化学的なエッチング工程によって行い、前記エッチング工程を介して前記工具の表面構造に基づき基板の表面から材料を除去する、方法に関する。また、本発明は、上記方法に基づいて基板を電気化学的に加工する装置に関する。

ＤＥ１０３１８７３２Ａ１において、２つの電極の間に、電解液において加工したいワークピースを配置する、金属加工するための電気化学的な方法が公知である。ワークピースの加工を電極に電圧を印加することにより行うことで、ワークピースにおける材料除去がもたらされる。

半導体ディスクの大規模な加工も電気化学的な方法により可能である。したがってＤＥ１０２３５０２０Ａ１にはこの方法に適した装置が記載されている。傾動を実施することができるように、エッチング槽全体は所定の軸線を中心にして旋回可能である。

ＤＥ１０２００６０３０３２３Ａ１において、金属製の基板表面を加工する方法が公知である。イオン伝導性の材料を有する堅固な工具は、金属製の基板表面に接触させられる。基板表面と工具との間に電位を印加すると、工具が基板平面に接触している領域の金属イオンは、工具により基板平面から引き離すことができる。

ＤＥ１０３１８７３２Ａ１ ＤＥ１０２３５０２０Ａ１ ＤＥ１０２００６０３０３２３Ａ１

本願発明の目的は、基板における材料除去を適切に制御することである。

上記目的を達成するために、基板を電気化学的に加工する方法は、伝導性の基板を用いており、かつ伝導性の工具を用いており、工具は表面構造を有しており、基板の加工を工具を用いて電気化学的なエッチング工程を介して行い、エッチング工程を介して工具の表面構造に基づき基板の表面から材料を除去する、基板を電気化学的に加工する方法において、電気化学的なエッチング工程中に、基板及び工具を互いに運動させるようにする。

好ましくは、エッチング工程中に、工具又は基板を位置に関して固定したままにして、特に工具を基板に対して運動させる。

好ましくは、工具の表面構造により基板から目的に合わせた材料除去を行い、特に材料除去を基板表面に対して可能な限り垂直に行う。

好ましくは、目的に合わせた材料除去により基板を複数の部分基板へと個別化し、特に基板を厚さに応じて完全にエッチングする。

好ましくは、基板は表面側において、基板内又は基板上に形成された複数のセンサ素子を内蔵しており、基板からの材料除去を、センサ素子の周囲において行う、かつ／又はセンサ素子に相対する基板のほぼ背面側において行う。

好ましくは、工具の表面構造は凸部及び凹部を有しており、特に凹部は少なくとも基板の厚さに相当する深さを有している。

好ましくは、工具をさらなる材料除去時に少なくとも部分的に基板内へと押し込み、特に凸部を材料除去によって形成された基板における穴に押し入れる。

好ましくは、電流及び／又は電解溶液の濃度を前記工具の基板からの距離に基づき変更し、特に基板表面に対しての工具の凹部の距離を考慮する。

好ましくは、電気化学的なエッチング工程のために、基板は第１の電極であり、工具は第２の電極であり、特にエッチング工程中に基板と工具との直接的な接触を回避する。

また、上記目的を達成するために、上記方法に基づき本発明に係る基板を電気化学的に加工する装置は、伝導性の基板を用いており、かつ伝導性の工具を用いており、工具は表面構造を有しており、基板の加工を前記工具を用いて電気化学的なエッチング工程により行い、エッチング工程により工具の表面構造に基づき、基板の表面から材料を除去する、上記方法に基づいて基板を電気化学的に加工する装置において、電気化学的なエッチング工程中に基板と工具とを互いに運動させる運動手段が設けられているようになっている。

本発明によって、基板を電気化学的に加工する方法若しくは装置が開示される。同様に伝導性の工具によって伝導性の基板の表面から材料を除去する。除去は、工具に加工されている表面構造に基づき行われる。本発明の核心は、基板及び工具が電気化学的なエッチング工程中に互いに動かされるということである。しかし択一的には、基板又は工具を、単に対象物を運動させるだけで、局所的に固定するようにすることもできる。本発明の特に有利な構成において、工具は単に基板へと動かされる。

有利には、上記運動により基板における材料除去を適切に制御することができる。材料除去においては、工具の表面構造と除去により基板にもたらされる切欠きとの間の間隔は狭まる。これにより局所的な除去のための時間を制御し、さらに運動の制御により多少なりとも、表面構造の基板におけるはっきりとした（横方向の）転写（Ａｂｂｉｌｄｕｎｇ）が可能になる。したがって例えば、比較的長い作用において比較的大きな横方向の領域がエッチングされる。

さらに工具に設けられている表面構造により、構造化され目的に合った材料除去を達成することができる。特に有利には、工具の基板に対する相対的な運動の制御は、基板表面に対して十分に垂直に行われる材料除去を可能にする。

同様に特に有利には、基板材料の目的に合った除去は基板の個別化を達成することができる。工具の適切な表面構造化により、基板を同時に複数の部分基板に分離することができる。このことは、例えば基板を表面側から背面側まで完全にエッチングすることによりもたらすことができる。

したがって、本発明の特に有利な構成においては、まず基板に複数のセンサ素子を製造するか若しくは取付けた後に材料除去を行うようになっている。材料除去はセンサ素子に相対している基板の側に直接行うこともでき、又は意図的にセンサ素子の領域を切り欠くこともできるか若しくは取り囲むこともできる。

基板における適切な切欠きを製造するために、工具の表面構造に凸部と凹部とが備え付けられている。基板における材料除去はほぼ凸部の領域において行われる。基板を完全にエッチングするためには、凹部が基板の厚さに対応する少なくとも１つの深さを有していることが必要である。

深い切欠きを形成するために、工具、特に材料除去により形成された基板における切欠き内に押し入れる凸部を備えた工具が設けられている。有利には、深い穴を形成するために切欠きの底部におけるエッチング条件を維持することができる。

エッチング条件を制御若しくは一定に維持するために、電流及び／又は電解液の濃度は基板から工具の距離に応じて可変であってよい。特に基板における深い穴の製造時には、穴の底部における材料除去を進めるために、エッチング条件の適合は有利である。

本発明の特別な構成においては、基板を第１の電極として、工具を第２の電極として電気化学式のエッチング工程のために使用することが提案されている。２つの部材は、例えば電圧供給部に直に接続されている。

通常、基板と工具とはエッチング工程中に直に接触していないようになっている。これに対して基板と工具とが部分的に接触するような場合には、接触個所において電流が流れ、これにより電気分解は止まってしまう。しかし、広範囲でかつ一様な除去を可能にするために、基板と工具とが直接的に（電気的に）接触しないことに注意されたい。

全体として本発明は、基板を広範囲に加工することが可能になるので、エッチング工程の短縮を可能にする。したがって例えば、同時に個別化することにより同時に基板から複数の素子を形成することが可能である。この個別化は、例えば基板に設けられた薄層若しくはセンサ素子又は回路素子を損なう恐れがある屑又は金属屑をもたらす鋸断といった従来の個別化方法を省略する。さらにエッチング工程により機械的な応力が基板に伝達されないので、個別化される構成部材が個別化工程を通して変形することはない。さらにエッチング工程により基板へは僅かな熱供給しかもたらされず、基板に設けられた肉薄な層又はセンサ素子若しくは回路素子は僅かにしか負荷されない。結果的に、鋸断プロセス又は穿孔プロセスと比べて材料除去はより均質に行われるので、切欠きが形成された場合にはエッチング工程によって比較的高い表面品質が製造可能である。

さらなる利点は、以下に記載の実施の形態若しくは従属請求項から明らかになる。

図ａ，ｂは基板を個別化する工具の例示的な平面図と横断面図である。 図ａ〜ｆは、電気化学的なエッチング工程による基板を個別化する本発明に係る方法を示した図である。 図４中の図ａ〜ｄに示した本発明に係る方法により製造することができるセンサ素子を示した図である。 図ａ〜ｄは図３に示したセンサ素子を製造する本発明に係る方法を示した図である。

本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

第１の実施の形態においては、薄層素子、例えば有利には基板プレートに製造されるセンサ又は回路部分を、本発明に係る方法若しくは本発明に係る方法に適した装置によって個別化するようになっている。通常これまでは個別化は鋸断プロセス、スクラッチングプロセス（Ｒｉｔｚ−Ｐｒｏｚｅｓｓ）又はレーザカッティングプロセスにより行われる。これらのプロセスの場合、チップ又は金属屑といった切削屑が製造した薄層素子を損壊又は汚染することがある。このために上記プロセスによる個々の個別構造を個別に実施しなければならず、このような個別化には極めて時間を要する。

本発明により、電気化学的なエッチング工程を使用することによって、基板は広範囲にわたって分割することができる。電気化学的なエッチング工程は同時に全ての個別切断を行う。このために工具も基板も電気的に伝導性であることが必要である。例えば図１ａには、表面構造１３０を有する工具１００の平面図が示されている。ＡＡ′に沿った横断面図から、円形の凹部が工具を全体的に貫通していることを明確に見て取ることができる。

しかし当然ながら、凹部の円形の形態の代わりに別の形状、例えば楕円形又は角形も考慮可能である。

さらに凹部が、工具を貫通していないことも可能である。したがって凹部が基板を完全に収容することができる限りは、凹部は工具の一方の側において閉鎖されていてもよい。

図２ａ〜ｆには、基板１２０を工具１００によって背面側１５０から個々の部分に個別化する方法が概略的に示されている。基板から円形の素子を取り除くために、図１ａに示した工具の構造化部を使用することができる。表面側１４０における薄い層、センサ素子又は回路部分をも有する円形の素子を、引き続き別個にさらに加工することができる。

基板１２０、例えば鋼板及び工具１００は、エッチング工程を進行する適切な電解液内にまず置かれる。電気化学的なエッチング工程の開始時には、基板及び工具に電圧が印加されるので、基板材料を局所的に電気化学的に除去することができる。図２ａに示されているように、基板と工具とは最初は所定の間隔を互いに置いて配置される。電圧の印加後に２つの部材を接近させる。この接近は有利には、基板が定置に固定されていて、工具が基板に向かって動かされることにより行われる。しかしながら、基板だけを動かすか、又は両方の部材を動かすことも可能でもある。

図２ｂ〜ｄから判るように、工具の表面構造が突出部若しくは凸部を有しており、ひいては基板に対して僅かな距離しか有していない個所において、基板１２０から材料が除去される。上記個所における材料除去は最大である。このように基板に製造された穴若しくは切欠き内に次いで工具が導入される。

エッチング工程ひいては個別化は、基板１２０が完全にエッチングされた場合、つまり工具１００の凸部が基板１２０の厚さ１６０を完全に貫通した場合（図２ｄ参照）に終了する。

したがって工具は出発位置へと後退して、基板の個別化された構成部材を取り出すことができるか若しくはさらに加工することができる。

第２の実施の形態において、本発明に係る方法は、図３に記載されたようなセンサ素子を製造するために使用される。センサ素子は基板３００の表面側４４０に薄層３２０を有している。薄層３２０によって回路素子又は圧電抵抗式の抵抗を実現することができる。背面側からのキャビティ３６０の加工により、センサ素子の表面側にはダイアフラム３１０を製造することができる。ダイアフラムが圧力の負荷により歪む場合、圧電抵抗を介して圧力を検出することができる。鎖線３５０によって個別切断部が示されている。個別切断部は、上記センサ素子を有効に、つまり基板上、例えば鋼上において広範囲に製造する場合に必要である。

通常のキャビティが金属基板又は鋼基板において穿孔プロセス、旋削プロセス又はフライスプロセスにより製造される一方で、本発明の手法に基づくキャビティの形成は、専ら電気化学的なエッチング工程の材料除去を介して行われる。まず、基板４２０の表面側４４０に、例えば圧電抵抗及び／又は（評価）回路素子を含む適切な薄層を形成する。次いで図４ａ〜ｄに示されているように、基板４２０の背面側４５０から複数のキャビティ４６０を基板にエッチングする。こうして形成された薄層の下側に位置するダイアフラム４１０が形成される。しかし、まずキャビティ４６０を基板に形成してからようやく次に薄層を形成することも考慮可能である。

第１の実施の形態の個別化の際に既に実施されるように、キャビティの製造時にはまず基板４２０と工具４００とが所定の距離において電解溶液内に配置される（図４ａ参照）。基板及び工具と電気的な電圧源との接続後に、電気化学的なエッチング工程が始まる。電気化学的なエッチング工程の際に発生する電磁界に基づき、基板と工具との間の間隔が最も僅かである個所において極めて大規模な材料除去が行われる。しかし目的に適った材料除去を達成するために、凸部４７０を備えた工具を基板に向けて運動させることが必要である（図４ｂ参照）。この運動により基板には、凸部４７０を適切に構成した場合、キャビティ４６０を形成する切欠きが製造される。センサ素子にダイアフラム４１０を製造するために、前記個別化の方法とは異なり、基板全体を厚さに応じてエッチングするようにはなっていない。むしろ所望のダイアフラム厚さを得る場合（図４ｃ参照）、エッチング工程は適切に中断される。したがって工具４００の後退後には、同時にエッチングされた複数のキャビティ４６０を有する基板４２０がもたらされる。個々のセンサ素子の個別化のために、次いで鋸、フライス又はレーザによる従来の分離法を使用することができる。しかし、第１の実施の形態に基づく個別化方法を使用することは有利である。このために工具４００だけを適切な工具１００に交換することができ、基板４２０に対して調整することができる。

第２の実施の形態に基づいてキャビティを製造する場合、工具４００の凸部４７０が、基板４２０の表面側４４０における前領域に形成されている薄層領域に合わせてあることが重要であることを言及しておく。

エッチング工程の制御のために、基板に対する工具の距離が減少する場合、若しくは基板への凸部の挿入時に、エッチング条件の適合を行うことができる。したがって例えば、電流又は電解溶液の濃度をエッチングステップに合わせることも考慮可能である。

基板全体にわたっての可能な限り均一な材料除去を可能にするために、基板への工具の運動は材料除去の速度に合わせるので、２つの電極の直接的な接触は行われない。

１００，４００ 工具、 １２０，３００ 基板、 １３０ 表面構造、 １４０，４４０ 表面側、 １５０，４５０ 背面側、 １６０ 厚さ、 ３１０ ダイアフラム、 ３２０ 薄層、 ３５０ 鎖線、 ３６０，４６０ キャビティ、 ４７０ 凸部

Claims (10)

1. 基板を電気化学的に加工する方法であって、
   −伝導性の基板（１２０，４２０）を用いており、かつ
   −伝導性の工具（１００，４００）を用いており、
   −該工具は表面構造（１３０）を有しており、
   −前記基板の加工を、前記工具を用いて電気化学的なエッチング工程を介して行い、
   −前記エッチング工程を介して前記工具の表面構造に基づき基板の表面から材料を除去する、
   基板を電気化学的に加工する方法において、
   前記電気化学的なエッチング工程中に、前記基板及び前記工具を互いに運動させることを特徴とする、基板を電気化学的に加工する方法。
2. 前記エッチング工程中に、前記工具又は前記基板を位置に関して固定したままにしており、特に前記工具を前記基板に対して運動させることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記工具の表面構造により前記基板から目的に合わせた材料除去を行い、特に材料除去を基板表面に対して可能な限り垂直に行うことを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 目的に合わせた材料除去により前記基板を複数の部分基板へと個別化し、特に前記基板を厚さに応じて完全にエッチングすることを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 前記基板は表面側（１４０，４４０）において、前記基板内又は前記基板上に形成された複数のセンサ素子を内蔵しており、前記基板からの材料除去を、
   −前記センサ素子の周囲において行う、かつ／又は、
   −前記センサ素子に相対する前記基板のほぼ背面側（１５０，４５０）において行うことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載の方法。
6. 前記工具の前記表面構造は凸部及び凹部を有しており、特に前記凹部は少なくとも前記基板の前記厚さ（１６０）に相当する深さを有していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載の方法。
7. 前記工具をさらなる材料除去時に少なくとも部分的に前記基板内へと押し込み、特に前記凸部を材料除去によって形成された前記基板における穴に押し入れることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項記載の方法。
8. 電流及び／又は電解溶液の濃度を前記基板からの前記工具の距離に基づき変更し、特に前記基板表面に対しての前記工具の前記凹部の距離を考慮することをと特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載の方法。
9. 電気化学的なエッチング工程のために、前記基板は第１の電極であり、前記工具は第２の電極であり、特にエッチング工程中に前記基板と前記工具との直接的な接触を回避することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項記載の方法。
10. −伝導性の基板（１２０，４２０）を用いており、かつ
    −伝導性の工具（１００，４００）を用いており、
    −前記工具は表面構造（１３０）を有しており、
    −前記基板の加工を、前記工具を用いて電気化学的なエッチング工程により行い、
    −前記エッチング工程により前記工具の前記表面構造に基づき前記基板の表面から材料を除去する、請求項１から９までのいずれか一項記載の方法に基づいて基板を電気化学的に加工する装置において、
    前記電気化学的なエッチング工程中に前記基板と前記工具とを互いに運動させる運動手段が設けられていることを特徴とする、基板を電気化学的に加工にする装置。

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