DE102015115030A1

DE102015115030A1 - Verfahren zum Entfernen einer Schicht von einem Substrat und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102015115030A1
Application number: DE102015115030.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Burghart
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Ablösen einer auf einem transparenten Substrat 1 aufgebrachten Schicht 2 und die Verwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von strukturierten Leiterbahnen. Um ein Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Entfernung einer Schicht 2 oder von Teilbereichen einer Schicht 2 von einem Substrat 1 anzugeben, wird ein Verfahren zum zumindest teilweisen Entfernen einer auf einem transparenten Substrat 1 aufgebrachten Schicht 2 vorgeschlagen, indem in eine zwischen dem Substrat 1 und der Schicht 2 liegende Absorptionsschicht 3 umfassend ein Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxinitrid oder Metallcarbid, wobei das Metall ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Chrom, Molybdän, Titan, Zirkonium und Tantal, Energie mittels elektromagnetischer Strahlung durch das Substrat 1 hindurch derart eingetragen wird, dass die Schicht 2 unter Ablösen und/oder Zersetzung der Absorptionsschicht 3 im bestrahlten Bereich 4 vom Substrat entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Ablösen einer auf einem transparenten Substrat aufgebrachten Schicht und die Verwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von strukturierten Leiterbahnen.
Die Strukturierung dünner metallischer Schichten erfolgt nach dem Stand der Technik mittels lithographischer Methoden, Siebdruck von Dickschichtpasten oder Laserablation.
Nachteile der Laserablation sind dabei der geringe Durchsatz in Kombination mit hohen Kosten sowie die Re-Deposition der abgetragenen Schichten.
Alternative Verfahren wie das Ätzen unter Zuhilfenahme eine Maske aus einem Fotolack sind aufgrund der großen Anzahl der Prozessschritte nur bei bestimmten Produkten kostendeckend einsetzbar.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Behandlung von beschichteten Substraten mittels Blitzlampenbestrahlung bekannt. So wird beispielsweise in der DE 10 2011 007 544 A1 die thermische Behandlung von Substraten unter Nutzung eines RTP-Prozesses („Rapid Thermal Processing“, „schnelle thermische Bearbeitung“) beschrieben, wobei als Strahlungsquelle u. a. Blitzlampen eingesetzt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Entfernung einer Schicht oder von Teilbereichen einer Schicht von einem Substrat sowie eine Möglichkeit zur effizienten Herstellung von strukturierten Leiterbahnen anzugeben.
Insbesondere soll eine hochauflösende Strukturierung dünner leitfähiger, insbesondere metallischer, Schichten auf einem transparenten Substrat ermöglicht werden.
Zur Lösung der Aufgabenstellung werden ein Verfahren zum Ablösen einer Schicht von einem Substrat sowie eine Verwendung dieses Verfahrens angegeben.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine auf einem transparenten Substrat aufgebrachte Schicht teilweise oder vollständig entfernt. Dazu befindet sich zwischen dem Substrat und der zu entfernenden Schicht eine Absorptionsschicht, die ein Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxinitrid oder Metallcarbid umfasst oder aus einem solchen besteht. Das Metall ist dabei ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Chrom, Molybdän, Titan, Zirkonium und Tantal.
In die Absorptionsschicht, welche gleichzeitig haftvermittelnde Eigenschaften aufweist, wird Energie mittels elektromagnetischer Strahlung durch das Substrat hindurch eingetragen, indem die Strahlung absorbiert wird. Bevorzugt werden mindestens 50 %, weiter bevorzugt mindestens 75 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % der von der Strahlungsquelle ausgesandten elektromagnetischen Strahlung absorbiert. Der Energieeintrag erfolgt so, dass die Schicht unter Ablösen und/oder Zersetzung der Absorptionsschicht im bestrahlten Bereich vom Substrat entfernt wird.
Unter einem transparenten Substrat wird vorliegend ein Substrat verstanden, dass im Wellenlängenbereich der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, ausreichend Strahlung für die Absorption in der Absorptionsschicht passieren lässt, um ein Ablösen und/oder eine Zersetzung derselben zu ermöglichen. Bevorzugt beträgt die Transmission zumindest 50 %, weiter bevorzugt 80 % und besonders bevorzugt 95 %. Als Substrat kommen sowohl starre als auch flexible Materialien in Frage, beispielsweise Glas oder Kunststofffolien, wie z. B. Polyethylenterephthalat(PET)-Folien.
Die elektromagnetische Strahlung wird in der Absorptionsschicht absorbiert. Dies führt zu einer Änderung der Haftungseigenschaften und/oder zu einer Zersetzung der Absorptionsschicht.
Die genannten Materialien der Absorptionsschicht zeichnen sich durch vergleichsweise milde Bedingungen, unter denen eine Änderung der Haftungseigenschaften oder eine Zersetzung erfolgt, aus. Diese Bedingungen ermöglichen es, eine (teilweises) Entfernen der Schicht vorzunehmen, ohne das Substrat, etwaige verbleibende Schichtbereiche oder die Anlage, in der das Verfahren ausgeführt wird, z. B. eine Vakuumbeschichtungsanlage, negativ zu beeinträchtigen.
Die eigentliche Schicht wird entweder zusammen mit der Absorberschicht vom Substrat gelöst oder sie verliert die Haftung zum Substrat durch Zersetzung der zwischenliegenden Absorptionsschicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für die teilweise Entfernung einer Schicht geeignet, indem die darunterliegende Absorptionsschicht nur stellenweise ihre Haftungseigenschaften ändert oder zersetzt wird. In diesem Fall erfolgt die Entfernung der Schicht in lateraler Richtung, d. h. senkrecht zu den beiden Hauptausdehnungsrichtungen des Substrats, insbesondere durch mechanischen Abriss der entsprechenden Schichtbereiche aus der verbleibenden Schicht.
Die Schichtdicke der Schicht, bis zu welcher ein solch teilweises Entfernen möglich ist, ist insbesondere von deren Material und der Struktur abhängig. Schichten mit einer Schichtdicke von ca. 100 nm lassen sich im Allgemeinen problemlos teilweise entfernen.
Die zu entfernende Schicht kann insbesondere ein Metall oder ein transparentes, elektrisch leitfähiges Oxid umfassen oder aus einem solchen Material bestehen. Auch Polymerschichten können vom Substrat mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entfernt werden.
Die zu entfernende Schicht stellt eine separate Schicht dar. Entsprechend weist das auf dem Substrat abgeschiedene Schichtsystem zumindest zwei Schichten, nämlich die Absorptionsschicht und die zu entfernende Schicht auf. Optional kann das Schichtsystem weitere Schichten, beispielsweise zwischen dem Substrat und der Absorptionsschicht, umfassen. Auch die zu entfernende Schicht kann aus mehreren Teilschichten bestehen oder es können sich oberhalb der Schicht weitere Schichten befinden. Absorptionsschicht und die zu entfernende Schicht folgen jedoch unmittelbar aufeinander.
Im Unterschied zu der beispielsweise aus der sog. Flash Mask Transfer Lithography (FMTL-Verfahren) bekannten Verfahrensweise wird die Absorptionsschicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im bestrahlten Bereich vollständig entweder durch Zersetzung oder Ablösen entfernt, wohingegen beim FMTL-Verfahren lediglich oberhalb der Absorptionsschicht abgeschiedenes Material verdampft wird, die Absorptionsschicht selbst hingegen auf dem Substrat verbleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, eine Schicht von einem Substrat – insbesondere auch nur teilweise – zu entfernen. Beispielsweise sind keine giftigen Chemikalien notwendig und die entfernten Schichtbestandteile können einfach abgesaugt werden. Somit lässt dich das Verfahren leicht in ein Vakuumbehandlungsverfahren, z. B. zur Herstellung komplexer, ggf. strukturierter Schichtsysteme, integrieren. Auch ein Entfernen kompletter Folien von einem Substrat ist möglich.
Eine Möglichkeit der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine Absorptionsschicht mit einem Absorptionsgrad größer als 50% einzusetzen. Unter dem Absorptionsgrad versteht man hierunter den Prozentsatz an Lichtintensität in dem hier interessierenden Wellenlängenbereich, der im Verhältnis zu der auf die Absorptionsschicht auftreffenden Intensität der Lichtstrahlung von der Absorptionsschicht absorbiert wird.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Energie derart lokal definiert in die Absorptionsschicht eingetragen, dass unterschiedliche Bereiche der Absorptionsschicht zur gleichen Zeit einem unterschiedlichen Energieeintrag ausgesetzt sind. Mit anderen Worten ist also zumindest für zwei Teilbereiche der Absorptionsschicht die Energieeintragsdichte, d. h. der Energieeintrag pro Fläche, verschieden.
Die Behandlung mit einem lokal definierten Energieeintrag beinhaltet dabei ein vorheriges Festlegen des notwendigen Energieeintrags für jede Position der Absorptionsschicht und eine Übertragung dieser so festgelegten „Energieeintragsstruktur“ in lokale Prozessparameter.
Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende lokale Variation der Leistung der Strahlungsquelle, z. B. einer Blitzlampe, während des Substrattransports in einem kontinuierlichen Verfahren, zeitliche Variation der Leistung der Strahlungsquelle, durch die Verwendung mehrerer Strahlungsquellen mit unterschiedlicher Leistung oder aber durch Nutzung zusätzlicher Hilfsmittel zum Fokussieren und/oder Ausblenden der Strahlung erreicht werden. Auch eine Kombination der genannten Optionen ist möglich.
Bevorzugt erfolgt der lokal definierte Energieeintrag durch Einbringen einer Schattenmaske zwischen die Strahlungsquelle und das Substrat, d. h. in den Strahlengang der Strahlung, indem die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung an den Stellen der Schattenmaske reflektiert und/oder absorbiert wird, an denen die Strahlung die Absorptionsschicht nicht treffen soll.
Eine derartige Schattenmaske, d. h. eine partiell transparente Maske, umfasst zumeist einen Grundkörper aus einem für die Strahlung zumindest im absorbierenden Wellenlängenbereich der Absorptionsschicht transparenten Material. Auf diesem ist bevorzugt substratseitig eine dünne strahlungsreflektierende und/oder -absorbierende Schicht derart aufgebracht und strukturiert worden, dass sie Öffnungen genau an den Positionen enthält, an denen die Strahlung auf die hinter der Schattenmaske befindliche Absorptionsschicht treffen soll. Für den Fall, dass die mechanische Stabilität der Maske auch ohne Grundkörper gewährleistet ist, kann auf diesen auch verzichtet werden, z. B. indem als Schattenmaske ein Blech mit entsprechenden Öffnungen eingesetzt wird. Die Schattenmaske enthält also die festgelegte „Energieeintragsstruktur“.
Das Einbringen der Schattenmaske kann vor der Bestrahlung oder aber zwischen verschiedenen Schritten der Bestrahlung erfolgen. Auch ein sukzessives Arbeiten mit mehreren Masken in verschiedenen Teilschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist möglich.
Eine Schattenmaske kann beispielsweise einen Grundkörper aus Quarzglas und eine strukturierte strahlungsreflektierende Schicht aus Edelstahl, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 1 mm, oder Aluminium, beispielsweise mit einer Schichtdicke von ca. 100 nm, umfassen. Auch andere reflektierende Materialien wie Silber sind als strahlungsreflektierende Schicht einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur hochauflösenden Strukturierung dünner Schichten, insbesondere von Metallschichten, eingesetzt werden. Im Gegensatz zu resistbasierter Lithographie sind hierbei deutlich weniger Prozessschritte nötig und es kann auf den Einsatz umweltschädlicher Prozesschemikalien verzichtet werden.
Als Strahlungsquelle können für das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise ein oder mehrere Blitzlampen verwendet werden.
Unter einer Blitzlampe ist eine Gasentladungslampe zu verstehen, die im gepulsten Modus betrieben wird. Die Dauer eines Blitzpulses kann dabei auch im Bereich von unter einer Zehntel Millisekunde liegen. Typischerweise beträgt die Pulsdauer eines Blitzes zwischen 0,05 Millisekunden und 5 Millisekunden.
Die Blitzlampe kann einen geradlinigen Lampenkörper umfassen. Dieser kann aus einem beidseitig mit Endkappen gasdicht verschlossenem Quarzglaskolben bestehen, der an beiden Enden mit Elektroden versehen ist. Die Länge des Lampenkörpers beträgt bevorzugt mehr als 500 mm, weiter bevorzugt mehr als 1000 mm. Besonders bevorzugt stimmt die Länge des Lampenkörpers mit der Länge einer Ausdehnungsrichtung des Substrats überein oder ist größer als diese, so dass innerhalb eines Blitzpulses die gesamte Ausdehnungsrichtung des Substrats behandelt werden kann. Im Falle eine Durchlauf-Substratbehandlungsanlage handelt es sich dabei um die Substratbreite, d. h. die Substratausdehnung senkrecht zur Substrattransportrichtung.
Im Gegensatz zu einer Laserbehandlung, die üblicherweise ein Abrastern des Substrats erforderlich macht, ermöglicht eine Blitzlampenbestrahlung die gleichzeitige Behandlung größerer Substratbereiche, z. B. von Bereichen mit einer Fläche von einigen dm². Somit lassen sich besonders gleichmäßige Behandlungsergebnisse erzielen.
Selbstverständlich kann die Bestrahlung auch von mehreren Blitzlampen aus erfolgen, welche beispielsweise parallel zueinander angeordnet sein können. Zudem können Reflektoren und Blenden für die Blitzlampenstrahlung vorgesehen sein, um den zu bestrahlenden Bereich des Substrats festzulegen.
Alternativ kann die Bestrahlung auch mittels lichtemittierender Dioden oder Laser, z. B. mittels eines Laserscanners, erfolgen. Die jeweilige Strahlungsquelle ist in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung, die durch die Absorptionsschicht absorbiert wird und der für eine Zersetzung oder ein Ablösen der Absorptionsschicht notwendigen Energie auszuwählen.
Vorzugsweise erfolgt die Zersetzung oder das Ablösen der Absorptionsschicht vom Substrat unter Gasbildung. So zersetzt sich Chromoxid ab einer Temperatur von ca. 400 °C stufenweise. Auch Chromnitrid kann unter Bildung von N₂ zersetzt werden. Die Zersetzung oder das Ablösen unter Gasbildung kann in einer Inertgasatmosphäre erfolgen, beispielsweise um eine Oxidation des Substratmaterials oder von Metallen zu verhindern. Eine Gasbildung trägt besonders vorteilhaft zum teilweisen Entfernen der Schicht bei, da durch das expandierende Gas eine größere Kraft zum Durchtrennen der Schicht in lateraler Richtung zur Verfügung steht.
Optional können das Substrat und/oder die Strahlungsquelle während der Behandlung derart translatorisch bewegt werden, dass eine Relativbewegung des Substrats gegenüber der Strahlungsquelle resultiert.
Beispielsweise kann es sich um ein kontinuierliches Verfahren handeln, was sich im Vergleich zu einem diskontinuierlichen Verfahren durch einen höheren Durchsatz auszeichnet. Insbesondere können auch Endlos-Substrate, z. B. in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, eingesetzt werden, die – sofern gewünscht – eine gleichmäßige Behandlung über ihre gesamte Länge erfahren können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung von strukturierten, metallischen oder auf einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid basierenden Leiterbahnen auf einem transparenten Substrat genutzt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnung zeigen in:
1 beschichtetes Substrat vor dem Entfernen der Schicht,
2 beschichtetes Substrat zusammen mit einer Schattenmaske,
3 teilweises Entfernen/Strukturierung der Schicht mittels Bestrahlung unter Ablösung und Zersetzung der Absorptionsschicht.
Gemäß Ausführungsbeispiel soll eine auf einem Glassubstrat 1 aufgebrachte Chromschicht 2 mit einer Schichtdicke von ca. 100 nm strukturiert, d.h. teilweise entfernt werden. Dies kann beispielweise der Erzeugung von Leiterbahnen auf dem Substrat dienen. Die auf dem Substrat 1 aufgebrachte Beschichtung umfasst hierzu eine Absorptionsschicht 3 bestehend aus Chromoxid mit einer Schichtdicke von ca. 50 nm, die zwischen dem Substrat 1 und der Schicht 2 angeordnet ist (1).
Um die Schicht 2 teilweise zu entfernen, wird zwischen Substrat 1 und Strahlungsquelle 6 eine Schattenmaske 5 positioniert. Als Schattenmaske 5 dient eine Glasplatte, die mit einer strukturierten reflektierenden Beschichtung versehen ist. Die Schattenmaske 5 befindet sich im direkten Kontakt zum Substrat 1 (2). Dabei lässt die Glasplatte Licht- insbesondere Wärmestrahlung im Bereich fehlender reflektierender Beschichtung durch und verhindert die Ausbreitung der Strahlung im Bereich ihrer strukturierten reflektierenden Beschichtung. Zum selektiven Entfernen der Schicht 2 erfolgt ein lokal definierter Energieeintrag in die Absorptionsschicht 3, indem ausgehend von einer Blitzlampe mit einer Energiedichte von ca. 4 J/cm² als Strahlungsquelle 6 Licht (dargestellt durch durchgezogene Pfeile) durch die nicht reflektierenden Bereiche der Schattenmaske 5 und das Substrat 1 hindurch in die Absorptionsschicht 3 eingestrahlt und dort absorbiert wird. Das auf die reflektierenden Bereiche der Schattenmaske 5 treffende Licht wird reflektiert (dargestellt durch dünne gestrichelte Pfeile).
Wie in 3 gezeigt, kommt es aufgrund des Energieeintrags in der Absorptionsschicht zu einer Temperaturerhöhung auf ca. 400 °C und damit zu einer Zersetzung unter Gasbildung sowie einem Ablösen der Absorptionsschicht 3 im bestrahlten Bereich 4 (dargestellt durch gepunktete Pfeile). Zusammen mit der Absorptionsschicht 3 werden die darüber liegenden Bereiche der Schicht 2 vom Substrat entfernt, sodass eine Strukturierung der Schicht 2 resultiert. Dabei hat es sich gezeigt, dass der laterale Zusammenhalt der Schicht 2 zwischen den verbleibenden Teilen der Schicht 2 und den abzulösenden Teilen der Schicht 2 nicht so groß ist, dass er eine Ablösung behindert.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Schicht
3: Absorptionsschicht
4: bestrahlter Bereich
5: Schattenmaske
6: Strahlungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011007544 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum zumindest teilweisen Entfernen einer auf einem transparenten Substrat (1) aufgebrachten Schicht (2), indem in eine zwischen dem Substrat (1) und der Schicht (2) liegende Absorptionsschicht (3) umfassend ein Metalloxid, Metallnitrid, Metalloxinitrid oder Metallcarbid, wobei das Metall ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Chrom, Molybdän, Titan, Zirkonium und Tantal, Energie mittels elektromagnetischer Strahlung durch das Substrat (1) hindurch derart eingetragen wird, dass die Schicht (2) unter Ablösen und/oder Zersetzung der Absorptionsschicht (3) im bestrahlten Bereich (4) vom Substrat entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Absorptionsschicht mit einem Absorptionsgrad größer als 50% eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energie derart lokal definiert eingetragen wird, dass unterschiedliche Bereiche der Absorptionsschicht (3) zur gleichen Zeit einem unterschiedlichen Energieeintrag ausgesetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Energie durch Einbringen einer Schattenmaske (5) zwischen eine Strahlungsquelle (6) der elektromagnetischen Strahlung und das Substrat (1) lokal definiert eingetragen wird, indem die von der Strahlungsquelle (6) ausgesandte Strahlung an den Stellen der Schattenmaske (5) reflektiert und/oder absorbiert wird, an denen die Strahlung die Absorptionsschicht (3) nicht treffen soll.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Strahlungsquelle (6) Blitzlampen, lichtemittierende Dioden oder Laser verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schicht (2) ein Metall oder ein transparentes, elektrisch leitfähiges Oxid umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Absorptionsschicht (3) unter Gasbildung zersetzt oder ablöst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) und/oder die Strahlungsquelle (6) während des Energieeintrags derart translatorisch bewegt werden, dass eine Relativbewegung des Substrats (1) gegenüber der Strahlungsquelle (6) resultiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Absorptionsschicht (3) mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 75 %, weiter bevorzugt mindestens 90 %, der von der Strahlungsquelle (6) ausgesandten elektromagnetischen Strahlung absorbiert.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung von strukturierten, metallischen oder auf einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid basierenden Leiterbahnen auf einem transparenten Substrat (1).