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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht, durch die ein oder mehrere Schichtbereiche der Schicht elektrisch isoliert werden, wobei die Schicht zwischen und/oder neben den zu isolierenden Schichtbereichen mit energetischer Strahlung bestrahlt wird.
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Die Dünnschichtelektronik, insbesondere die organische Elektronik, basiert auf dünnen Schichten elektrisch leitender, halbleitender oder isolierender Materialien. Typische Schichtdicken liegen zwischen einigen 10 Nanometern und wenigen Mikrometern. Besonders bei organischen Leuchtdioden, Dünnfilmtransistoren für LCDs oder bei der Dünnfilmphotovoltaik werden transparente Elektroden benötigt, um Licht aus- bzw. einzukoppeln. Hierzu werden meist transparente, elektrisch leitfähige Oxide (TCO) verwendet. Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Transparenz wird sehr häufig Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Elektrodenmaterial eingesetzt. Auch transparente organische, elektrisch leitfähige Materialien werden verwendet. Beispiele hierfür sind PEDOT:PSS (Poly-3,4-ethylendioxythiophen : Polystyrolsulfonat) oder Graphen.
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Die transparenten Elektroden müssen entsprechend ihrer Anwendung strukturiert und voneinander elektrisch isoliert werden. Auch halbleitende Schichten müssen zwischen den einzelnen Bauelementen isoliert werden, um den sog. Cross-Talk zwischen den Bauelementen zu vermeiden. In allen Fällen ist somit eine Strukturierung einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht erforderlich, durch die mehrere Schichtbereiche der Schicht elektrisch voneinander isoliert werden.
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Stand der Technik
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Die Strukturierung transparenter Elektroden erfolgt derzeit in der Regel durch lokale Entfernung der elektrisch leitfähigen Schicht. Mittels aufwändiger nasschemischer Verfahren wird hierzu das TCO-Material lokal durch Ätzen entfernt. Hierbei muss die TCO-Schicht mittels Fotolack und Lithographie vorbereitet werden, bspw. durch geeignete Maskierung.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine amorphe TCO-Schicht in bestimmten Bereichen gezielt in eine polykristalline Schicht umzuwandeln, die die erforderliche elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die verbleibende amorphe Schicht lässt sich dann mit einem Ätzprozess entfernen. Nach dem Ätzprozess müssen Reinigungsschritte durchgeführt werden. So zeigt bspw. die US 2010 / 0 105 196 A1 ein Verfahren zur Strukturierung einer ITO-Schicht, bei dem zunächst eine amorphe ITO-Schicht aufgebracht und anschließend durch Bestrahlung mittels eines Laserstrahls in den gewünschten Bereichen in polykristallines ITO umgewandelt wird. Das verbleibende amorphe ITO wird dann weggeätzt. Aufgrund der selektiven Entfernung der amorphen Schicht während des Ätzprozesses bleiben die polykristallinen Bereiche unbeeinflusst. Mit diesem Verfahren wird somit eine strukturierte, polykristalline ITO-Schicht erzeugt.
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Eine weitere bekannte Technik zur Strukturierung einer TCO-Schicht ist der direkte Abtrag von Schichtbereichen mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung. So zeigt bspw.
EP 1 589 579 A2 die ein Verfahren zur Strukturierung einer ITO-Elektrode auf einem Passiv-Matrix-Display. Das auf OLEDs basierende Passiv-Matrix-Display wird dabei in einem Schritt strukturiert, indem die ITO-Schicht bereichsweise zusammen mit den darüber liegenden, organischen Schichten gezielt abgetragen wird. Hierzu wird Laserstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 248 nm und 355 nm mit Pulsdauern im Pikosekunden- bis Nanosekunden-Bereich eingesetzt.
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Bei den Abtragsverfahren mittels Laserstrahlung werden benachbarte Schichten geschädigt. Außerdem können Aufwürfe am Rand der abgetragenen Bereiche auftreten, die mehrere 10 nm hoch sind, sowie unerwünschte Ablagerungen von Abtragsprodukten (Debris) auf der unbearbeiteten Schicht. Die Dicke der nachfolgenden halbleitenden Schicht liegt oftmals in der gleichen Größenordnung, so dass die leitfähigen Randaufwürfe oder der Debris die halbleitende Schicht durchstechen. Dies kann zu Kurzschlüssen und Bauteilversagen führen. Die Randaufwürfe müssen daher bei diesen Verfahren durch die Wahl geeigneter Prozessfenster vermieden werden. Der Debris muss durch Reinigungsprozesse entfernt werden.
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Aus E.Itoh, I.Torres, C. Hayden, D.M. Taylor: „Excimer-laser micropatterned photobleaching as a means of isolating polymer electronic devices“, In: Synthetic Metals, 156 (2006) 129-134 ist bekannt, eine Poly(3-hexylthiophen)-Schicht (P3HT) mit gepulster Laserstrahlung im UV-Bereich zu bestrahlen, um die elektrische Leitfähigkeit der Schicht lokal herabzusetzen.
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US 2002 / 0 058 366 A1 offenbart die Bestrahlung einer Siliziumschicht mit gepulster Laserstrahlung, wobei die Anzahl der Defekte in der Schicht verringert und so die Qualität der Siliziumschicht verbessert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Strukturierung einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht anzugeben, das keine Randaufwürfe oder Ablagerungen von Abtragsprodukten verursacht und sich in einfacher Weise ohne Notwendigkeit anschließender Reinigungsprozesse durchführen lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Strukturierung einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht, durch die ein oder mehrere Schichtbereiche der Schicht elektrisch isoliert werden, wird die Schicht zwischen und/oder neben den zu isolierenden Schichtbereichen mit energetischer Strahlung, vorzugsweise mit Laserstrahlung, bestrahlt. Für die Bestrahlung der Schicht mit der energetischen Strahlung wird eine Strahlintensität unterhalb der Abtragsschwelle des Schichtmaterials gewählt, bei der die Schicht zwischen und/oder neben den zu isolierenden Schichtbereichen durch eine Modifikation des Schichtmaterials elektrisch isolierende Eigenschaften erhält. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schicht während der Bestrahlung einer Gasatmosphäre oder einem Gasfluss eines Prozessgases ausgesetzt wird, durch das mittels thermischer Diffusion bei einer n-leitenden Schicht Elektronenfänger oder bei einer p-leitenden Schicht Elektronendonatoren in die Schicht eingebracht werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren basiert somit auf der lokalen Modifikation des Schichtmaterials mittels energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung. Hierzu wird die elektrisch leitende oder halbleitende Schicht, bspw. eine organische Schicht oder eine TCO-Schicht, unterhalb ihrer Abtragsschwelle bestrahlt, so dass kein Materialabtrag durch die Bestrahlung erfolgt. Durch eine durch die Bestrahlung verursachte Veränderung in den bestrahlten Bereichen der Schicht werden die elektrische Leitfähigkeit oder die Halbleitereigenschaften zerstört. So lassen sich einzelne Bereiche elektrisch voneinander isolieren, ohne die ursprünglich leitfähige oder halbleitende Schicht abzutragen. Der hierzu erforderliche Energieeintrag hängt vom Schichtmaterial ab und kann durch Vorversuche mit unterschiedlichen Energien bzw. Intensitäten des energetischen Strahls und Bestrahlungsdauern ohne weiteres ermittelt werden. Vorzugsweise wird für die Bestrahlung gepulste Laserstrahlung eingesetzt, wobei die lokale Modifikation sowohl mit einem einzelnen Laserpuls als auch mit einer Folge von Laserpulsen erfolgen kann. Die Pulsdauern liegen vorzugsweise im Nanosekundenbereich oder bei noch kürzeren Pulsdauern. Es können aber auch längere Pulse oder cw-Laserstrahlung eingesetzt werden.
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Unter einer Strukturierung wird somit bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Erzeugung kleinerer elektrisch leitender oder halbleitender Bereiche aus einem größeren Schichtbereich einer elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Schicht verstanden, die über elektrisch isolierende Bereiche voneinander getrennt sind. Das Verfahren lässt sich dafür einsetzen, mehrere elektrisch leitende oder halbleitende Schichtbereiche voneinander zu isolieren. Auch eine elektrische Isolation nur eines einzigen Schichtbereiches ist möglich. Unter einer Modifikation des Schichtmaterials wird eine Veränderung in der Festkörperstruktur und/oder der chemischen Zusammensetzung des Schichtmaterials verstanden. Die Abtragsschwelle bezeichnet die Grenz-Intensität des energetischen Strahls, ab der ein Abtrag des Schichtmaterials durch den Strahl auftritt. Die Wellenlänge der vorzugsweise für die Bestrahlung eingesetzten Laserstrahlung liegt vorzugsweise im ultravioletten Strahlbereich, besonders bevorzugt bei einer Wellenlänge ≤ 300 nm, kann aber auch bei anderen Wellenlängen, d.h. im sichtbaren oder infraroten Wellenlängenbereich liegen. Die Wellenlänge wird dabei abhängig von dem jeweiligen Schichtmaterial so gewählt, dass sie die Schicht trotz erforderlicher Absorption noch vollständig durchdringt, um die elektrisch isolierenden Eigenschaften über die gesamte Schichtdicke mit der Bestrahlung zu erzeugen. Unter elektrisch isolierenden Eigenschaften wird eine elektrische Leitfähigkeit von ≤ 0,004 S/cm verstanden.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich bei Wellenlängen ≤ 300 nm besonders vorteilhaft für die Strukturierung von ITO-Schichten oder PEDOT:PSS-Schichten einsetzen. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diese Schichtmaterialien oder auf transparente Schichten bzw. Elektroden begrenzt. Auch die Halbleitereigenschaften organischer Halbleiter können durch die vorgeschlagene Bestrahlung unterhalb der Abtragsschwelle zerstört werden. Mit der verwendeten Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung im tiefen ultravioletten Spektralbereich, werden die für die Halbleitereigenschaften verantwortlichen π-Elektronensysteme zerstört. Einzelne Bereiche einer organischen Halbleiterschicht werden so voneinander isoliert, wodurch der unerwünschte Cross-Talk vermieden wird. Abhängig von der jeweiligen halbleitenden oder elektrisch leitfähigen Schicht werden bei der Modifikation Bindungen aufgebrochen, Molekülteile dissoziieren und entweichen der Schicht. Besonders bei anorganischen Schichten findet eine Dislokation der für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlichen Dotanden statt. Erfindungsgemäß wird die Modifikation durch Verwendung von geeigneten Prozessgasen verstärkt. So lassen sich erfindungsgemäß in eine n-leitende Schicht Elektronenfänger oder in eine p-leitende Schicht Elektronendonatoren durch thermische Diffusion während der Bestrahlung aus der Gasphase in die Schicht einbringen.
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In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann die Bestrahlung auch mit Laserstrahlung unterschiedlicher Laser bzw. Wellenlängen gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander erfolgen. Auch hierdurch kann die elektrische Leitfähigkeit zur Bildung der isolierenden Eigenschaften reduziert werden.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren wird eine Materialmodifikation in der elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht erzeugt, durch die elektrisch leitfähige oder halbleitende Schichtbereiche voneinander isoliert werden können, ohne hierzu Material entfernen oder abtragen zu müssen. Da die Strukturierung mittels Modifikation nicht auf dem Abtrag der Schicht basiert, entstehen auch nicht die mit dem Abtrag verbundenen Nachteile. So werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl Randaufwürfe als auch Debris vermieden, der aus Abtragsprodukten besteht. Hierdurch kann auf einen nachfolgenden Reinigungsschritt verzichtet werden. Da die Strukturierung mittels Modifikation unterhalb der Abtragsschwelle des Schichtmaterials durchgeführt wird, ist eine geringere Pulsenergie als für den Abtrag der Schicht erforderlich. Dies bietet den Vorteil, dass die vorgeschlagene Modifikation mittels energetischer bzw. Laserstrahlung deutlich schneller erfolgen kann als ein Abtrag mittels Laserstrahlung. So kann die Schicht bspw. hochgradig parallel bearbeitet werden, indem Laserpulse hoher Pulsenergie durch diffraktive optische Elemente in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgespalten werden, durch die dann eine gleichzeitige Modifikation unterschiedlicher Schichtbereiche erfolgen kann. In einer weiteren Ausgestaltung lässt sich auch die Technik der Maskenprojektion einsetzen, bei der große Flächen mittels einzelner Laserpulse strukturiert werden können. So wird insbesondere bei der Verwendung von Excimerlaserstrahlung die Fläche, die mit einem einzelnen Puls strukturiert werden kann, durch das vorgeschlagene Verfahren der reinen Modifikation um mehr als den Faktor 10 gegenüber der Fläche vergrößert, die für einen Abtrag der entsprechenden Bereiche erforderlich wäre. Die Skalierung der Fläche ist durch eine einfache Veränderung des Abbildungsverhältnisses bei der Maskenprojektion möglich. Weiterhin lässt sich auch die Auflösung der erzeugten Strukturen durch Maskenabbildungs- und Maskenprojektionsverfahren erhöhen. Durch die im Vergleich zu einem Abtrag geringe Pulsenergie, die zur Modifikation benötigt wird, sinkt auch die Gefahr, umliegendes Material oder benachbarte Schichten zu schädigen.
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Prinzipiell kann beim vorgeschlagenen Verfahren auch anders geartete energetische Strahlung als Laserstrahlung eingesetzt werden. So kann die Modifikation bspw. auch mittels Elektronenstrahlbearbeitung erreicht werden. Allerdings muss diese Bearbeitung im Gegensatz zur Bearbeitung mit Laserstrahlung im Vakuum durchgeführt werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich vor allem in der Dünnschichtelektronik, insbesondere bei der großflächigen, organischen Elektronik einsetzen. In diesen Bereichen der Elektronik werden einzelne dünne Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften genutzt. Die einzelnen Schichten müssen entsprechend ihrer Anwendung strukturiert werden. Entsprechende Anwendungsbeispiele sind in der Beschreibungseinleitung bei der Beschreibung des technischen Anwendungsgebietes genannt. Selbstverständlich ist das vorgeschlagene Verfahren jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Bestrahlung einer elektrisch leitfähigen Schicht gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
- 2 ein Vergleich der Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht mittels a) Laserabtrag und mittels b) dem vorgeschlagenen Verfahren; und
- 3 eine schematische Darstellung eines entsprechend strukturierten Bereichs einer elektrisch leitfähigen Schicht in Draufsicht.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine elektrisch leitfähige oder halbleitende Schicht so strukturiert, dass elektrisch leitfähige Bereiche einer bestimmten Geometrie, bspw. Leiterbahnen oder der Anwendung entsprechend geformte Elektroden, gebildet werden, die durch elektrisch isolierende Bereiche voneinander getrennt sind. 1 zeigt hierzu stark schematisiert ein Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. In der Figur ist ein Substrat 2 zu erkennen, bspw. ein Glassubstrat, auf dem eine entsprechende elektrisch leitfähige Schicht 1 aufgebracht ist. Bei dieser Schicht kann es sich bspw. um eine ITO-Schicht oder eine PEDOT:PSS-Schicht handeln, die elektrisch leitfähig und transparent ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird diese Schicht 1 im vorliegenden Beispiel mit einem Laserstrahl 3 eines Lasers 4 bestrahlt, der über eine Scaneinrichtung 5 über die zu bestrahlenden Bereiche geführt wird. Die entsprechenden Optiken, insbesondere die Fokussieroptik für den Laserstrahl 3, sind hierbei nicht dargestellt. Bei der Bestrahlung besteht auch die Möglichkeit, eine größere Fläche über eine Maskenprojektion gleichzeitig oder durch Aufspaltung des Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen mehrere Bereiche parallel zu modifizieren. Die Laserintensität wird dabei jeweils so gewählt, dass kein Materialabtrag erfolgt, das Schichtmaterial jedoch so modifiziert wird, dass die elektrische Leitfähigkeit oder die Halbleitereigenschaften der Schicht 1 in den bestrahlten Bereichen zerstört werden.
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So wird die elektrische Leitfähigkeit in einer ITO-Schicht, bspw. einer Schichtdicke von 100 nm, durch Bestrahlung mit einzelnen Laserpulsen im ultravioletten Spektralbereich um mehr als fünf Größenordnungen reduziert. Hierbei können bspw. Pulse mit 30 ns Pulsdauer bei den Wellenlängen 193 nm, 248 nm oder 266 nm bei einer Pulsenergie im Bereich von 10-500 mJ/cm2 zum Einsatz kommen. Die Modifikation geht mit einem vernachlässigbaren Anstieg der Rauigkeit einher. Bei Verwendung von Laserstrahlung längerer Wellenlängen führen Multiphotonenwechselwirkungen oder lokale thermische Prozesse zur Unterbindung der elektrischen Leitfähigkeit. Auch kann die Kombination aus Elektronenanregung mittels ultravioletter Strahlung geringer Intensität und der anschließenden thermischen oder linearen Anregung mittels längerer Wellenlängen zur gewünschten Modifikation führen.
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In einem weiteren Beispiel wird die elektrische Leitfähigkeit einer Schicht des organischen Leiters PEDOT:PSS durch die Bestrahlung mittels Einzelpulsen von Wellenlängen kleiner 300 nm unterhalb der Abtragsschwelle so modifiziert, dass sie zerstört wird. Die optische Eindringtiefe der Strahlung muss dabei größer als die Schichtdicke sein, damit die Schicht in ihrer vollständigen Dicke modifiziert wird. Bei einer 100 nm dicken PEDOT:PSS-Schicht lässt sich dies bspw. mit Laserpulsen einer Wellenlänge von 248 nm realisieren. Bei einer Pulsenergie von 330 mJ/cm2 kann dabei die elektrische Leitfähigkeit der Schicht in den bestrahlten Schichtbereichen vollständig zerstört werden.
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2 zeigt in schematischer Darstellung einen Vergleich der bekannten Laserstrukturierung mittels Materialabtrag in Teilabbildung a) mit dem vorgeschlagenen Verfahren in Teilabbildung b), bei dem die Laserstrukturierung mittels Materialmodifikation erfolgt. Aus der Figur ist ersichtlich, dass bei der bisherigen Technik der Laserstrukturierung mittels Materialabtrag an den Rändern der isolierten elektrisch leitfähigen Bereiche 6 unerwünschte Randaufwürfe 8 auftreten. Weiterhin werden unerwünschte Ablagerungen von Debris 7 auf der Oberfläche der elektrisch leitfähigen Bereiche 6 verursacht. Demgegenüber werden beim vorgeschlagenen Verfahren weder Abtragungsprodukte noch Randaufwürfe erzeugt. Vielmehr wird durch das vorgeschlagenen Verfahren lediglich ein modifizierter Schichtbereich 9 zwischen den elektrisch leitfähigen Schichtbereichen 6 erzeugt, der elektrisch isolierend ist. Somit erfolgt keinerlei Schichtabtrag und auch keinerlei Entfernung des Schichtmaterials zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen 6, bspw. durch Ätzen.
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3 zeigt ein Beispiel für eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines entsprechend strukturierten Schichtbereiches, bspw. zur Erzeugung von parallel verlaufenden, elektrisch transparenten Elektroden auf einem Glassubstrat. In der Figur sind die elektrisch leitfähigen Bereiche 6 zu erkennen, die die Elektroden bilden und durch die entsprechend modifizierten Schichtbereiche 9 elektrisch voneinander isoliert sind. Eine derartige Bearbeitung paralleler Bereiche kann bspw. durch Maskenprojektion einer entsprechenden Belichtungsstruktur oder durch parallele Bearbeitung mit mehreren Teilstrahlen eines Lasers erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrisch leitfähige Schicht
- 2
- Substrat
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Laser
- 5
- Scaneinrichtung
- 6
- elektrisch leitfähige Bereiche
- 7
- Debris
- 8
- Randaufwurf
- 9
- modifizierter Schichtbereich
