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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dazu verwendbare Vorrichtung zur lokal differenzierbaren Bedampfung von Substraten, insbesondere mit hochschmelzenden Materialien.
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Lokal differenzierbare Bedampfung erfolgt durch die Übertragung von Strukturen des abzuscheidenden Materials von einer Maske auf ein Substrat, indem die herzustellenden Strukturen zunächst auf der Maske abgebildet und dann mit Hilfe der Maske auf ein Substrat übertragen werden. Dabei erfolgt die Ausbildung der Strukturen auf dem Substrat durch additive, d. h. Material hinzufügende Verfahren.
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Die Verwendung von Masken ist für verschiedene Verfahren bekannt, bei denen eine auf dem Substrat abgeschiedene Schicht durch subtraktive Verfahren unter Verwendung von Masken nachträglich strukturiert wird. In der Halbleitertechnologie wird die Fotolithografie sehr umfangreich genutzt, um durch eine Belichtung von maskierten Substraten die Maskenstrukturen auf dem Substrat abzubilden. Eine alternative Methode, bei der Masken für einen lokal differenzierten Energieeintrag in ein Substrat verwendet werden, ist die Verwendung von Schattenmasken. Die Bearbeitung der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht erfolgt bei einer über oder auf der Beschichtung angeordneten Schattenmaske unterschiedlich für die beschatteten und die unbeschatteten Bereiche.
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Aus der
DE 10 2009 041 324 A1 ist ein additives Verfahren zur lokalen Bedampfung eines Substrats mittels einer Transfermaske bekannt. In diesen Verfahren wird ein transparenter Zwischenträger verwendet, um eine lokale Verdampfung von organischem Beschichtungsmaterial von dem Zwischenträger auf das Substrat vorzunehmen. Zur Bedampfung wird das Beschichtungsmaterial vollflächig auf der Transfermaske abgeschieden, anschließend jedoch nur an den gewünschten Orten verdampft. Dazu weist die Transfermaske auf ihrem Zwischenträger reflektierende und absorbierende Bereiche in einer erforderlichen Struktur auf. Ist die Transfermaske über oder auf dem Substrat positioniert, so erfolgt ein Energieeintrag durch Energiestrahlung und damit eine Verdampfung nur in den Bereichen, in denen das Beschichtungsmaterial infolge der Reflektor- und Absorberstruktur der Transfermaske ausreichend Energie aufnimmt um zu verdampfen. Aufgrund der bei diesem Verfahren abzuscheidenden Schichtdicken im Bereich einiger 100 nm ist ein impulsartiger Energieeintrag ausreichend für die Verdampfung organischen Materialien. Die Bedampfung des Substrats erfolgt in der
DE 10 2009 041 324 A1 im Rahmen eines kontinuierlichen Durchlaufverfahrens.
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Die dort beschriebenen Schichtaufbauten der Transfermaske und ebenso die Verfahren zur Energieeintragung sind für die Verdampfung von hochschmelzenden Materialien und insbesondere von hochschmelzenden Metallen aufgrund deren Verdampfungstemperaturen und deren thermischen Ausdehnungsverhaltens nicht geeignet. Als hochschmelzend werden Metalle bezeichnet, deren Schmelzpunkt TE über 2000K bzw. über dem Schmelzpunkt von Platin (TE-Platin = 2045K = 1772°C) liegt. Dazu gehören die Edelmetalle Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium und Metalle der Gruppen IVB des PSE (Zirconium, Hafnium), VB (Vanadium, Niob, Tantal), VIB (Chrom, Molybdän, Wolfram) und VIIB (Technetium, Rhenium). Durch die höheren Temperaturen ist ein höherer Energieeintrag erforderlich, der sich wiederum auf die Wärmeausbreitung und die thermische Ausdehnung in den verschiedenen Materialien der Transfermaske auswirkt. Schichtspannungen, Diffusions- und Reaktionsprozesse sind beispielsweise die Folge. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu verdampfenden Schicht und den Materialkombinationen auf der beschichteten Transfermaske können solche Effekte auch bei anderen als metallischen Materialien auftreten.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazu verwendbare Vorrichtung anzugeben, womit auch höher schmelzende Materialien, z. B. Metalle, lokal differenziert mittels Bedampfung von einer Transfermaske abgeschieden werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein Bedampfungsverfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen von Verfahren und Vorrichtung werden durch die jeweils davon abhängigen Ansprüche beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird die Strahlung der Strahlungsquelle, die in der Transfermaske der lokalen Verdampfung der Verdampfungsschicht dienen soll, mittels eines Konzentrators gebündelt, so dass die höhere Energiedichte, d. h. Energieeintrag pro Flächen, im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen erzielbar ist. Die höhere Energiedichte erlaubt es, höhere Temperaturen in der Absorberschicht zu erzielen und ergänzend oder alternativ eine kleinere Dimensionierung der Strahlungsquelle mit deren Komponenten, wie z. B. deren Elektronik zum Betrieb der Strahlungsquelle einzusetzen.
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Entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird eine Strahlungsquelle verwendet, die eine gleichmäßige Strahlung ohne bevorzugte Richtung aussendet, und die Bündelung mittels Sammellinsen realisiert. Damit steht ein einfaches und preiswertes System zur Verfügung.
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Zudem gestattet eine solche Bündelung auf einfache Weise, den Fokus und damit die beleuchtete Fläche der Transfermaske und/oder die eingetragene Energiedichte zu variieren. Wird der Fokus so gewählt, dass die beleuchtete Fläche die gesamte Transfermaske umfasst, kann die Struktur der Transfermaske als Ganzes übertragen werden. Wird der Fokus hingegen so gewählt, dass nur ein Teil der Transfermaske beleuchtet wird, z. B. bei größeren Transfermasken und Substraten und/oder höheren Energiedichten, wird die Maskenstruktur durch ein Abrastern der Transfermaske mit der Strahlungsquelle in mehreren Schritten übertragen.
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Strahlung mit einer gleichmäßigen Verteilung ist entsprechend einer Ausgestaltung von Verfahren und Vorrichtung unter Verwendung von gewölbten Reflektoren in Verbindung mit Blitz- oder CW-Lampen zu erzielen. Beide Lampentypen sind Hochenergielampen mit linienförmigen Quellen, die hinsichtlich des Wellenlängenbereichs für viele Absorbermaterialien geeignet sind. Je nach Größe der auf der Transfermaske zu bestrahlenden Fläche können eine oder mehr Blitz- oder CW-Lampe angeordnet werden oder es wird ein Lampenfeld verwendet, das aus einer Mehrzahl von regelmäßig zueinander angeordneten Lampen (Lampen-Array) aufgebaut ist.
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Zur Erzeugung der gleichmäßigen Strahlung wird jeder Lampe ein gewölbter Reflektor zugeordnet, der hinter, d. h. der dem Zwischenträger abgewandten Seite, der Lampe mit der Lampe im Brennpunkt des Reflektors angeordnet ist, so dass das aus der Strahlungsquelle austretende Licht in der Ebene des Konzentrators eine homogene Intensitätsverteilung aufweist. Die Reflektoren können z. B. aus Aluminium bestehen, das ein hohes Reflexionsvermögen aufweist. Auch andere, z. B. beschichtete Reflektoren sind geeignet.
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Eine für die Erfindung verwendbare, bekannte Transfermaske weist auf einem Zwischenträger einen Absorber, alternativ auch eine ergänzende Reflektorschicht in einer erforderlichen Struktur auf, so dass aufgrund des Energieeintrags in die Absorberschicht der Transfermaske eine Verdampfung nur in den Bereichen erfolgt, in denen das Beschichtungsmaterial infolge der Schichtstrukturen von Absorber- bzw. Reflektorschicht ausreichend Energie aufnimmt und an die Verdampfungsschicht überträgt, um das Verdampfungsmaterial zu verdampfen.
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Wird eine reflektorlose Transfermaske verwendet, kann die eine strukturierte Reflektorschicht auch im Zwischenträger eingebettet sein. Eine solche Transfermaske wird in der
PCT/EP 2012/066798 beschrieben, auf die hier hinsichtlich des Aufbaus des Zwischenträgers mit Transfermaske und deren Herstellung Bezug genommen wird.
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Als Reflektorschicht einer Transfermaske wird allgemein solches Material verstanden, das eine ausreichend hohe Reflexion gegenüber der für die Verdampfung verwendeten Bestrahlung aufweist, um einen Energieeintrag in die Absorberschicht und darüber in das Verdampfungsmaterial soweit zu verringern, dass das darüber liegende Verdampfungsmaterial nicht verdampft wird. Im Gegensatz ist eine Absorberschicht die Schicht, die aufgrund ihrer Absorptionsfähigkeit genug Energie aufnimmt um das Verdampfungsmaterial zu verdampfen. Dass Reflektor- bzw. Absorberschicht dabei auch stets eine begrenzte Absorptions- bzw. Reflexionsfähigkeit aufweisen, steht dieser Begriffsbestimmung nicht entgegen.
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Als strukturiert soll eine Schicht im Gegensatz zur durchgehenden Schicht bezeichnet werden, wenn die Schicht in ihrer lateralen Ausdehnung Durchbrüche in einer gewünschten Anordnung aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind aufgrund der mit der Konzentration der Strahlung solche Energiedichten zu erreichen, die insbesondere für die Fälle benötigt werden, wo bereits das zu verdampfende Material aus sehr schwer zu verdampfenden und geringe Absorption aufweisenden, hochschmelzenden Materialien, insbesondere hochschmelzenden Metallen oder einer Legierung davon besteht, wie z. B. Refraktärmetallen (Chrom oder Titan). Als hochschmelzende Materialien sollen hier in Anlehnung an hochschmelzende Metalle solche Materialien verstanden sein, deren Schmelzpunkt TE über 2000K liegt.
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Typische Absorber, die in einem weiten Spektralbereich gute Absorptionsfähigkeit aufweisen, sind z. B. Oxide, Nitride, Oxinitride, Carbide oder Silicide von Refraktärmetallen oder Siliziumdioxid. Da jedoch für die Verdampfung von Metallen sehr hohe Temperaturen notwendig sind, muss der Absorber eine sehr hohe thermische Stabilität besonders gegen thermischen Schock aufweisen. Mit der Verwendung von metallischem Absorbermaterial, dessen Schmelztemperatur mindestens 20%, bevorzugt mindestens 25% über der Siedetemperatur des Verdampfungsmaterials liegt, wird ein genügend hoher thermischer Kontrast erzeugt und eine ausreichende Temperaturfestigkeit der Transfermaske für das Verdampfungsverfahren gewonnen. In Abhängigkeit vom Verdampfungsmaterial können das bevorzugt hochschmelzende Materialien sein, wie z. B. Wolfram, Molybdän und Tantal, Chrom, Titan, Hafnium, die zu den Refraktärmetallen zählen oder Nickel oder Legierungen davon. Auch Verbindungen davon oder Nitride, Oxide und Carbide von z. B. Chrom, Titan, Hafnium oder anderen Metallen haben sich als günstig erwiesen, da sie sämtlich gute Absorptionseigenschaften im betreffenden Wellenlängenbereich aufweisen. Für Verdampfungsmaterialien mit niedrigerem Siedepunkt kommen auch Materialien mit etwas niedrigerem Schmelzpunkt in Betracht, wie z. B. Silber, Gold, Aluminium, Magnesium, Kalzium oder Legierungen davon.
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Eine metallische Absorberschicht hat zudem den Vorteil, dass sie die laterale Trennung des Energieeintrags und der Wärmeausbreitung unterstützt, was insbesondere bei einem hohen Energieeintrag für höher siedende Verdampfungsmaterialien günstig ist und was darüber hinaus eine höhere Auflösung der Strukturen ermöglicht.
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Die verwendeten Materialien für ein Absorber-/Reflektor-System hängen im Wesentlichen von der jeweiligen Anwendung und dem abzuscheidenden Verdampfungsgut sowie von der verwendeten Strahlungsquelle für den Energieeintrag ab. Erstere bestimmen die oben dargelegten thermischen Bedingungen und damit auch die Anforderungen an die Materialzusammenstellung. Die Absorptionseigenschaften und damit die Anwendbarkeit der Transfermaske sind über die oben beschriebenen Optionen zur Gestaltung der Schichtstruktur der Transfermaske in weitem Rahmen zu beeinflussen. Auch die Absorptions- und Reflexionseigenschaften der verwendeten Materialien können gezielt eingesetzt werden, um die gewünschte Verdampfungsenergie zu erzielen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
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1 die Beschichtung eines Substrats mittels einer Transfermaske,
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2 eine alternative Ausgestaltung einer Transfermaske und
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3 den Strahlengang einer Strahlungsquelle mit Lampen- und Reflektor-Array auf eine Transfermaske.
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Die Bedampfung eines Substrats 20 mittels einer Transfermaske wird in 1 dargestellt. Dazu wird die mit einer Verdampfungsschicht 12 belegte Oberfläche einer Transfermaske 1 relativ zu einem Substrat 20, im Proximity-Abstand (typisch für optische Lithographie, beispielsweise 30μm) oder im direkten Kontakt zum Substrat 20 platziert. Anschließend wird das Verdampfungsmaterial durch den transparenten Zwischenträger 2 der Transfermaske 1 mit Hilfe einer Strahlungsquelle 22, z. B. einem Blitzlampen-Array, belichtet. Ähnlich wie bei der optischen Lithographie kann über einen Shutter 9 die Strahlungsquelle 8 ein- bzw. ausgeschaltet werden.
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Die Transfermaske 1 gemäß der 1 weist eine strukturierte Absorberschicht 6, jedoch keine Reflektorschicht 4 auf.
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Die Ausführung nach 1 umfasst einen Zwischenträger 2, auf dessen Rückseite 14 ein Schichtstapel 13 abgeschieden ist. Als Rückseite 14 wird hier die Seite des Zwischenträgers 2 bezeichnet, die im Bedampfungsverfahren eines Substrats 20 dem Substrat 20 zugewendet ist. Als Material für den Zwischenträger sind z. B. Quarzglas, Weißglas und Saphirglas geeignet, die mechanisch und chemisch sehr beständig sind und zudem eine hohe Transmission aufweisen.
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Der Schichtstapel 13 umfasst eine mittels Sputtern abgeschiedene Absorberschicht 6 z. B. aus 85–500 nm dickem Wolfram. Diese wurde mittels Fotolithografie und nasschemischem Ätzen strukturiert, so dass nur die Bereiche stehen blieben, welche später auf einem Substrat 20 abgeschieden werden sollen.
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Abgedeckt wird die Maskenstruktur durch eine 10–200 nm dicke Deckschicht 10 z. B. aus SiC oder aus DLC (Diamond Like Carbon). Auch diese Schicht ist gesputtert. Über der Deckschicht 10 wird das zu verdampfende, z. B. metallische Material der Verdampfungsschicht 12 mittels thermischer Vakuumbedampfung aufgetragen. Sie besteht beispielsweise aus Aluminium.
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Auf der Vorderseite 15 des Zwischenträgers 2 ist eine einzelne Schicht als Antireflexbeschichtung 16 angeordnet. Sie besteht aus MgF und ist mittels Sputtern abgeschieden.
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Die alternative Ausgestaltung einer Transfermaske 1 gemäß 2 umfasst zur Absorberschicht 6 eine Reflektorschicht 4, die wie zu 1 beschrieben, abgeschieden und strukturiert wurde. Dies erfolgt jedoch direkt auf dem Zwischenträger 2. Erst danach wird eine Zwischenschicht 8 abgeschieden, so dass diese die Reflektorschicht 4 und den Zwischenträger 2 in den geätzten Bereichen der Reflektorschicht 4 überdeckt. Über der Zwischenschicht 8 wird konform die Absorberschicht 6 abgeschieden, so dass sie durchgehend ist und ihre Strukturierung in der wechselnden Höhe über dem Zwischenträger 2 besteht, die grundlegende laterale Strukturierung der Reflektorschicht 4 abbildend. Auch hier wird der Schichtaufbau, der gestapelt ausgeführt ist, durch eine Deckschicht 10 abgeschlossen, bevor die Verdampfungsschicht 12 aufgebracht wird.
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Die Verfahren zur Abscheidung und Strukturierung der einzelnen Schichten können den zuvor beschriebenen entsprechen. In Abhängigkeit von den zu erzielenden Schichten und Schichteigenschaften und von dem gewünschten Anlagen- und Kostenaufwand können auch andere der oben genannten Verfahren zur Anwendung kommen.
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Mit beiden Ausführungsformen der Transfermasken 1 erwärmt sich durch den Energieeintrag von der Strahlungsquelle 22 nur die Absorberschicht 6 entsprechend ihrer eigenen Struktur (1) oder invers zur Struktur der Reflektorschicht 4 (2) ausreichend stark, sodass das Material der Verdampfungsschicht 12 ausschließlich an diesen Stellen verdampft wird und sich auf jenen Bereichen der Oberfläche des Substrats 20 als strukturierte Beschichtung 26 niederschlägt, welche der erwärmten Absorberschicht 6 gegenüber liegen. Je kleiner der Abstand zwischen strukturierte Oberfläche der Transfermaske 1 und dem Substrat 22 ist, desto geringer sind die Streudampfanteile, d. h. die Menge an Verdampfungsmaterial, welches an nicht beabsichtigten Stellen kondensiert. Üblich sind Abstände im Bereich zwischen 0 (kontakt) und 100µm.
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Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Absorberschicht 6 kann die Erhitzung auf Verdampfungstemperaturen im Millisekunden-Bereich erfolgen. Nach der Abschaltung der Strahlungsquelle 22 durch den Shutter 24 erfolgt eine rasche Abkühlung der Absorberschicht 6 durch die thermische Anbindung an den Zwischenträger 2, welcher eine relativ hohe Wärmekapazität hat. Mit diesem Verfahren können Strukturen kleiner als 10 µm-Bereich von der Transfermaske 1 auf das Substrat 20 zu übertragen werden.
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3 stellt eine Strahlungsquelle 22 dar, die lediglich beispielhaft drei Blitzlampen 30 darstellt, der Längsausdehnung sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt. Jeder Blitzlampe 30 ist auf ihrer der Transfermaske 1 abgewendeten Seite durch einen Reflektor 32 umgeben, wobei Krümmung der Reflektoren 32 so angepasst ist, dass eine homogene Intensitätsverteilung des Lichts in der Ebene des Konzentrators 32 erreicht wird.
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Das von den Blitzlampen 30 ausgesendete Licht (durch Pfeile dargestellt) wird an der Innenfläche des Reflektors 32 reflektiert. Dann tritt es durch einen Konzentrator 34, im Ausführungsbeispiel einer Sammellinse, die solch einen Fokus f aufweist, dass gerade die gesamte Transfermaske 1 beleuchtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transfermaske
- 2
- Zwischenträger
- 4
- Reflektorschicht
- 6
- Absorberschicht
- 8
- Zwischenschicht
- 10
- Deckschicht
- 12
- Verdampfungsschicht
- 13
- Schichtstapel
- 14
- Rückseite
- 15
- Vorderseite
- 16
- Antireflexionsbeschichtung
- 20
- Substrat
- 22
- Strahlungsquelle
- 24
- Shutter
- 26
- Beschichtung
- 30
- Lampe
- 32
- Reflektor
- 34
- Konzentrator
- f
- Fokus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009041324 A1 [0004, 0004]
- EP 2012/066798 [0014]
