Elektrochemische Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen

Abstract

Kurzfassung der Dissertation

## Kurzfassung

Die Herstellung von Mikrostrukturen ist eine der heutigen Schlüsseltechnologien. Mikroelemente kommen in vielen Bereichen zum Einsatz - von elektronischen Bauteilen bis hin zu mikroskopisch kleinen Maschinen. In dieser Arbeit soll ein neues elektrochemisches Verfahren vorgestellt werden, mit dem sich Materialien im Mikrometerbereich dreidimensional bearbeiten lassen. Dazu werden elektrochemische Reaktionen durch Anwendung von Nanosekunden-kurzen Spannungspulsen räumlich scharf begrenzt.

Die Methode nutzt aus, daß die Ladezeit der Doppelschichtkapazitäten auf den Elektrodenoberflächen von der Entfernung zwischen zwei Elektroden im Elektrolyten abhängt. Während Spannungspulsen von wenigen Nanosekunden Dauer zwischen den Elektroden werden nur Bereiche merklich aufgeladen, die nicht weiter als wenige Mikrometer von der Gegenelektrode entfernt liegen. Da die Raten elektrochemischer Reaktionen exponentiell vom Spannungsabfall in der Doppelschicht abhängen, sind die Reaktionen scharf auf diese Bereiche beschränkt.

Bei dem hier vorgestellten Verfahren wird Material unter einer Werkzeugelektrode lokal geätzt oder lokal abgeschieden. Eine feine Elektrode kann während des Ätzens in die Oberfläche eines Werkstückes eingesenkt und dabei als Negativ abgeformt werden oder sogar wie ein Miniaturfräser eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich dreidimensionale Mikrostrukturen mit einer Präzision besser als 1 mm und hohem Aspektverhältnis freilegen. Durch geeignete Werkzeuge können sogar Unterschneidungen und freistehende Elemente in einem Arbeitsschritt geätzt werden.

Die Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen wird an Kupfer, Silizium und Edelstahl demonstriert. Die Bearbeitung erfolgt ohne mechanische oder thermische Belastung, so daß das mikrokristalline Gefüge und die Materialeigenschaften unverändert bleiben. Zusätzlich zum lokalen Ätzen wird die lokale Abscheidung von Kupfer unter einer Werkzeugelektrode vorgestellt.

Abstract of Thesis

## Abstract

The fabrication of microstructures is one of today's key technologies. Applications of microdevices range from sensors and electronic devices up to complete miniaturized machines. In this thesis, a new electrochemical method is presented, which enables the three-dimensional machining of conducting materials with sub-micrometer precision. Electrochemical reactions on electrode surfaces are localized due to the application of ultrashort voltage pulses of only nanosecond duration.

The method is based on the fact that the charging time constant of the double layer capacity varies linearly with the separation between the electrodes. During ultrashort pulses, effective charging is limited to electrode regions with distances below a few micrometers to the counter electrode. Since electrochemical reaction rates are exponentially dependent on the potential drop in the double layer, the reactions are sharply confined to these regions.

Upon application of ultrashort voltage pulses to a tool electrode material can be locally etched or deposited. A tiny tool electrode can be etched into a workpiece or used like a miniature milling cutter. Thus, microstructures can be fabricated with a precision better than 1 mm and with high aspect ratios. With properly shaped tool electrodes it is possible to machine undercuts and freestanding elements into the material in one step.

Micromachining with ultrashort voltage pulses is demonstrated for the local etching of copper, silicon, and stainless steel. The machining proceeds without inducing mechanical or thermal stress. Therefore, during etching, the material properties and the microcrystalline composition remain unchanged. In addition to local etching, the local deposition of copper structures is possible.