Im Rahmen mehrerer Projekte mit Industriepartnern hat die Rossendorfer BlitzLab-Projektgruppe erfolgreich Millisekundentemperprozesse mittels FLA als hochattraktive Technik für die Funktionalisierung von ITO-Schichten auf Glas und PET [1,2] sowie von Kupfer- und Silberpaste, die im Siebdruckverfahren auf papierähnlichen Medien mit niedrigem Wärmebudget zur Verpackungsetikettierung verwendet wird [unveröffentlichte Ergebnisse], demonstriert.
Der Einfluss der FLA-Parameter (Pulsdauer, Energiedichte) auf das Substratverhalten sowie auf die Mikrostruktur und das elektrische Verhalten der geblitzten Schichten wurde untersucht. Es wurde eine signifikante Abnahme des Schichtwiderstands der FLA-behandelten Schichten im Vergleich zu den ungeblitzten Schichten beobachtet. Da die FLA eine selektive, oberflächennahe Erwärmung ermöglicht, wurde eine Beschädigung der empfindlichen Substrate vermieden.
Abb. 1.: Veranschaulichung der Beziehung zwischen den angewendeten Temperbedingungen, der Entwicklung der Mikrostruktur der Probe und dem resultierenden Schichtwiderstand: Cu-Folie/PET, Nr. A) Unbehandeltes Material, B) geblitzt, ED = 1,4 J/cm2, C) geblitzt, ED = 1,75 J/cm2 und D) geblitzt, ED = 2,2 J/cm2. Die Pulsdauer betrug 600 μs.
Auch die Mikrostruktur der Kupferpaste vor und nach der FLA wurde untersucht. Abb.1 zeigt die Korrelation zwischen den erzielten Schichtwiderstandswerten und der entsprechenden Mikrostruktur der Kupferpastenschichten. In Abb.2 (links) ist beispielhaft an ITO-Glass der positive
Effekt von FLA hinsichtlich einer Verbesserung der optischen Eigenschaften hin zu transparenteren Schichten durch den Übergang von amorphen in polykristalline ITO-Schichtstrukturen zu sehen, was ebenso mit geringeren Flächenwiderstandswerten Abb.2 (rechts) einhergeht.
Abb. 2.: Veranschaulichung des FLA-Effektes in Bezug auf die optischen (links) und elektrischen (rechts) Eigenschaften an ITO-Glassschichten hin zu transparenteren und leitfähigeren Schichtstrukturen (Übergang: amorph zu polykristallin) bei gleichzeitig signifikant kürzeren Prozesszeiten (ms@FLA vs. min@Ofenausheilung), was mit einem energieeffizienteren Herstellungsansatz einhergeht. [3]
In naher Zukunft werden sich unsere Entwicklungslinien auch auf die thermische Behandlung von flexiblen oder großflächigen Substraten durch gepulste Temperung (FLA oder Sinterung mit intensiv gepulstem Licht (IPL) oder photonische Aushärtung) fokussieren. Flexible Substrate erfordern mitunter ein Rolle-zu-Rolle-Transportsystem und haben teilweise andere Anforderungen an das Pulstempersystem. In der Regel werden flexible Substrate in größeren Anlagen verarbeitet, die mehrere Prozessschritte wie Abscheidung, Strukturierung und Aushärtung umfassen. Daher wird die Pulstempereinheit als Modul in die Prozesslinie integriert, siehe Abb. 3a [3].
Je nach gewünschter Bestrahlungsart kann das photonische Pulstempern im kontinuierlichen oder Kameramodus durchgeführt werden [1]. Im kontinuierlichen Modus (Abb. 3b) wird der gesamte Bereich getempert, aber zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blitzen gibt es eine kleine Überlappungszone, in der die FLA zweimal angewendet wurde. Wenn dies nicht akzeptabel ist, kann die FLA im Kameramodus (Abb. 3c) durchgeführt werden, bei den zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen durch einen schmalen, aber unbehandelten Streifen getrennt sind.
Abb. 3: Grundschema einer FLA-Anlage für Rolle-zu-Rolle-Prozesse (a), FLA-Betrieb im kontinuierlichen (b) und im Kameramodus (c). [3]
Literatur:
[1] T. Gebel, L. Rebohle, R. Fendler, W. Hentsch,W. Skorupa, M. Voelskow,W. Anwand, R.A. Yankov
Millisecond annealing with flash lamps: tool and process challenges, Proc. 14th IEEE Int. Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors, 2006, pp. 47–55.
[2] W. Skorupa, et al.
Millisecond beyond chip technology: from electronics to photonics, Proc. 15th IEEE Int. Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors, 2007, pp. 47–55.
[3] S. Weller, M. Junghähnel
Flash lamp annealing of ITO thin films on ultra-thin glass, Vakuum in Forschung und Praxis 27 (2015) 29–33.
