Laserabtrag für die Dünnschicht-Strukturierung

Viele neuartige Produkte basieren auf dünnen Schichten aus leitenden, halbleitenden oder isolierenden Materialien. Sie werden auf Glas oder Folie abgeschieden und weisen Dicken im Nano- und Mikrometerbereich auf. Aus Mehrschichtsystemen werden Bildschirme für Smartphones, flache Beleuchtungselemente oder biegsame Solarmodule hergestellt. Die Funktionalität solcher Bauteile wird durch zweidimensionale Strukturen bestimmt, die flexibel und günstig mittels Laserstrahlung erzeugt werden können. Das Fraunhofer ILT entwickelt industrietaugliche Verfahren zur hochauflösenden Strukturierung dünner Schichten sowie die erforderliche Prozesstechnik für hohen Durchsatz.

Dünne Schichten in der Halbleiterelektronik müssen im Wesentlichen elektrische und optische Funktionen erfüllen. Viele Bauteile, die unter Verwendung dünner Schichten hergestellt werden, bestehen aus zwei elektrisch leitenden Schichten mit einer dazwischen liegenden halbleitenden Schicht. Bei Solarzellen ermöglicht der Halbleiter die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom, während die elektrischen Leiter den Strom abführen. Eine der Elektroden muss dabei transparent sein. Die hierfür verwendeten transparent-leitfähigen Oxide weisen im Vergleich zu Metallen eine geringere Leitfähigkeit auf. Um den Stromfluss und damit die entstehenden ohmschen Verluste zu reduzieren, werden die Schichten am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT strukturiert und so eine Serienverschaltung aus schmalen Zellstreifen erzeugt. Dies erfordert Laserstrukturierungsprozesse, die an jede Schicht und jedes Material individuell angepasst sind. Die Verwendung von Ultrakurzpulslasern erlaubt physikalische Prozesse, welche mit größeren Pulsdauern nicht möglich sind. Dadurch eröffnen sich neue Prozessfenster und neue industrietaugliche Prozesse werden realisierbar.

Schichten mit Dicken unter hundert Nanometern sind äußerst empfindlich und können leicht degradieren oder ihre Funktion einbüßen. Gründe hierfür können Partikel und Rückstände aus Ablösungen bestrahlter Schichten, thermische Schädigung benachbarter Bereiche und anderer Schichten sowie die Erzeugung von Aufwürfen im Randbereich des Abtrags sein. Um eine ausreichend hohe Qualität zu erzielen, müssen daher bei der Prozessentwicklung Parameter wie Gasatmosphäre, räumliche und zeitliche Pulsform und nachträgliche Reinigung berücksichtigt oder Hybridprozesse wie thermochemische Ablation eingesetzt werden. Vor allem bei der Strukturierung des in vielen Bereichen eingesetzten transparenten, leitfähigen Indium-Zinn-Oxids (ITO) entstehen Randaufwürfe, die für nachfolgende Beschichtungen kritisch sind.

Das Fraunhofer ILT entwickelt Verfahren, die je nach Anforderungen der Anwendung die genannten Fehlerquellen signifikant reduzieren, beispielsweise durch Verwendung angepasster Wellenlängen, Pulsdauern und Abtragsstrategien.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) haben das Potenzial einer zukunftsweisenden Beleuchtungstechnologie durch herausragende Eigenschaften wie geringen Energieverbrauch, exzellente Farbbrillanz, geringes Gewicht und geringe Dicke. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Massenprodukt ist die Verbesserung der aktuell kurzen Lebensdauer der Bauelemente. Durch Kontakt mit der Luft degradieren die organischen Materialien. Daher ist eine technisch ausgereifte Einkapselung unter Verwendung von Barriereschichten nötig. Zur elektrischen Kontaktierung müssen diese Barriereschichten mittels Laserstrahlung lokal und selektiv entfernt werden. Dabei dürfen die Eigenschaften der transparenten Elektrode, die ähnliche optische Eigenschaften aufweist wie die Barriereschicht, durch den Abtrag nicht verändert werden. Eine weitere Schwierigkeit bei der Realisierung großflächiger OLEDs ist die homogen verteilte Leuchtdichte. Da die verwendeten dünnen transparenten Schichten vergleichsweise geringe Leitfähigkeiten aufweisen, verringert sich die Leuchtkraft mit Entfernung zum Kontakt. Deshalb wird auf der leitfähigen, transparenten Schicht ein feines Netz aus Metallleiterbahnen aufgebracht, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Eine weitere Möglichkeit, eine homogene Leuchtdichte zu erreichen, ist die monolithische Serienverschaltung der OLEDs.

Eine konkurrenzfähige Prozesstechnik für die Produktion organischer Elektronik erfordert hohe Geschwindigkeiten mit Flächenraten von einigen mm²/min, Strukturgrößen kleiner als 10 μm und die Anwendbarkeit auf Formate bis in den m²-Bereich. Strukturiertes Drucken bei hohen Geschwindigkeiten erlaubt Strukturgrößen bis ca. 10 μm. In Kombination mit der Laserstrukturierung lässt sich die Auflösung und die Produktivität deutlich verbessern. Die Erzeugung komplexer Strukturen bei hohen Flächenraten, z. B. für die Realisierung von elektronischen Schaltungen, erfordert innovative Ansätze zur Strahlführung und -formung. Am Fraunhofer ILT werden unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung der Prozesseffizienz verfolgt: Die Entwicklung eines Polygonscanners, der die zweidimensionale Strukturierung dünner Schichten mit extrem hohen Geschwindigkeiten von einigen Hundert Metern pro Sekunde zulässt, als auch die Möglichkeit der Mehrfachstrahlteilung durch Verwendung von diffraktiv optischen Elementen.

• 10 ps bis 100 W, Wellenlängen 1064/532/355 nm
• 200 fs, bis 10 W, Wellenlängen 1028/514/343 nm
• 100 ns, bis 1,5 kW, Wellenlänge 1064 nm, 600 μm Faser
• 10 - 500 ns, bis 70 W, Wellenlänge 1064 nm
• Excimer Laser, Wellenlängen 193/248 nm