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Die Erfindung betrifft allgemein die Beschichtung von Substraten durch die Übertragung des abzuscheidenden Materials von einer Transfermaske auf ein Substrat mittels Bedampfung, indem die Strukturen der herzustellenden Schicht zunächst auf der Transfermaske abgebildet und von dort durch Strahlung lokal verdampft und auf ein Substrat übertragen werden. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Transfermaske, die in einem solchen Verfahren verwendbar ist.
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Die Verwendung von Masken ist für verschiedene subtraktive und additive Verfahren bekannt. Während bei den subtraktiven Verfahren, z.B. in der Fotolithografie, eine auf dem Substrat vollflächig abgeschiedene Schicht durch verschiedene Verfahren unter Verwendung von Masken nachträglich strukturiert wird, eignen sich Transfermasken zur additiven, d. h. Material hinzufügenden Ausbildung der Strukturen auf dem Substrat. Aufgrund der mit diesen Verfahren abzuscheidenden Schichtdicken im Bereich einiger 100 nm ist ein impulsartiger Energieeintrag häufig ausreichend für die Verdampfung. Die Bedampfung mittels Transfermasken ist auch im Rahmen eines kontinuierlichen Durchlaufverfahrens möglich.
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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 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.
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Alternativ zu Transfermasken mit strukturierten Reflektor- und/oder Absorberschichten ist es auch bekannt, den Energieeintrag in die Absorber mittels Schattenmasken lokal differenziert vorzunehmen, bei denen nur an den unbeschatteten Bereichen die Absorberschicht ausreichend erwärmt wird, um dort das Material der Verdampfungsschicht zu verdampfen.
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Bei verschiedenen mit diesem Verfahren hergestellten Schichten wurden Inhomogenitäten im Materialgefüge der abgeschiedenen Schicht festgestellt. So wurden bei Schichten aus schlecht wärmeleitenden, z.B. organischen aber auch verschiedenen metallischen, Materialien Fragmente und damit verknüpfte Lücken festgestellt. Derartige Fragmente des Beschichtungsmaterials sind durch thermische Inhomogenitäten innerhalb der Verdampfungsschicht von der Transfermaske auf das Substrat übertragen und in der sich abscheidenden Schicht eingelagert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die strukturierte Bedampfung mittels Transfermaske und eine dazu verwendbare Transfermaske zu gestalten, dass derartige Schichtfehler in der abgeschiedenen Schicht vermieden werden können.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Transfermaske nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 8 vorgeschlagen. Die jeweils darauf bezogenen abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Transfermaske und des Verfahrens.
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Die vorgeschlagene Transfermaske führt zu einer Verbesserung der Gefügestruktur der abgeschiedenen Schicht, da sich überraschenderweise gezeigt hat, dass eine Transfermaske, welche durch Wärme speichernde und damit zeitlich gedehnte Wärmeübertragung von der Absorberschicht auf die Verdampfungsschicht zu einer Reduzierung der Fragmentierung der Verdampfungsschicht führt.
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Die Ursache der Verbesserung der Gefügestruktur ist die durch die höhere Wärmekapazität der Wärme aufnehmenden Schichten bedingte Pulsformung des Wärmeflusses. In 1 ist der Wärmefluss mit Wärmespeicher (Kurve II) und ohne Wärmespeicher (Kurve I) in der Transfermaske dargestellt. Die in der Transfermaske bereit gestellte höhere Wärmekapazität wirkt als thermischer Speicher und führt in Verbindung mit der Lage des Wärmespeichers, zumindest abschnittsweise, über einer Absorberschicht, d.h. zwischen Absorber- und Verdampfungsschicht zu einer langsameren Anstiegszeit und einer längeren Abfallzeit. Die Lage des Wärmespeichers über einer Absorberschicht und unter der Verdampfungsschicht schließt die mögliche Anordnung weiterer Schichten, auch weiterer Absorberschichten, über dem Wärmespeicher ein. Das Integral unter beiden Kurven I und II ist ideal gleich. In der Realität ist das Integral unter der Kurve II mit dem Wärmespeicher durch Wärmeverluste bedingt geringer.
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Als Wärmespeicher sind solche Wärme aufnehmenden Schichten oder Strukturen anzusehen, die die Wärmekapazität in den Verdampfungsbereichen der Transfermaske mindestens fünffach erhöhen, im Vergleich mit der Transfermaske ohne Wärmespeicher. Dies kann durch Schichtdicke oder eine höhere spezifische Wärmekapazität erfolgen. Als Verdampfungsbereich werden jene Abschnitte der Transfermaske bezeichnet, in denen aufgrund der Struktur der Absorberschicht und/oder der Reflektorschicht Strahlung in dem Maß absorbiert wird, dass eine Verdampfung der darüber liegenden Bereiche der Verdampfungsschicht erfolgt.
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Erfindungsgemäß weist die Transfermaske alternativ eine größere Schichtdicke der Absorberschicht oder eine ergänzende Wärmespeicherschicht auf oder beide Maßnahmen sind miteinander kombiniert. Welche der Maßnahmen die geeignete ist, hängt unter anderem von dem erforderlichen Temperaturhub in der Verdampfungsschicht und dem Material der Absorberschicht ab. So ist der Erhöhung der Schichtdicke der Absorberschicht durch die eigene Stabilität und Haftung eine Grenze gesetzt.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Transfermaske, in der die Absorberschicht aus einem hochschmelzenden Metall, beispielsweise aus Molybdän, besteht, zeigten sich bei Schichtdicken im Bereich von 74 nm bis 400 nm mit zunehmender Schichtdicke zunehmend defektärmere Gefügestrukturen in der abgeschiedenen Schicht. Weiter zunehmend dickere Schichten könnten dieses Ergebnis noch verbessern. Jedoch wurde festgestellt, dass Molybdän-Schichten ab Dicken von größer > 400 nm durch intrinsische Schichtspannungen nicht mehr stabil sind und zum Abplatzen vom Substrat neigen.
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Die Verwendung von relativ dicken Absorberschichten führt zudem zu einer Steigerung der lateralen Wärmeleitung, die bei einer durchgehenden, d.h. nicht durch Strukturen lateral oder vertikal unterbrochenen, Absorberschicht zu einer Reduzierung der Auflösung der herstellbaren Strukturen. Solche durchgehenden Absorberschichten werden beispielsweise bei Transfermasken verwendet, die eine strukturierte Reflektorschicht umfassen. Für solche Transfermasken ist die Verwendung einer ergänzenden Wärmespeicherschicht von Vorteil, insbesondere aus Material, das eine deutlich geringere laterale Wärmeleitung aufweist, als die Absorberschicht. Die Wärmespeicherschicht wird durch solche Materialien realisiert, die eine für die verwendbaren Materialien vergleichsweise hohe Wärmekapazität haben.
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Die Wärmespeicherschicht ist zwischen Absorberschicht und Verdampfungsschicht angeordnet und kann selbst strukturiert oder durchgehend ausgebildet sein. Die Strukturierung der Wärmespeicherschicht hat zur Folge, dass auch in dieser Schicht die Wärmeleitung in lateraler Richtung unterbunden und die Auflösung der abzuscheidenden Strukturen erhöht wird. Dieser Vorteil wird durch eine Ausgestaltung der Schichtanordnung der erfindungsgemäßen Transfermaske verstärkt, wenn bei einer strukturierten Reflektorschicht eine strukturierte Wärmespeicherschicht so angeordnet ist, dass die Wärmespeicherschicht, zumindest in der Draufsicht, nur in den reflektorlosen Bereichen angeordnet ist. Diese Schichtstrukturierung schließt sowohl einen vertikalen Versatz von Wärmespeicher- und Reflektorschicht als auch eine koplanare Anordnung beider Schichten ein.
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Je nach spezifischer Wärmekapazität kann die Wärmespeicherschicht unterschiedliche Dicken aufweisen. Wird eine Wärmespeicherschicht verwendet, kann die Absorberschicht vergleichsweise dünn sein, sollte dabei aber noch eine für die Verdampfung ausreichende Absorption, beispielsweise größer 50%, aufweisen. Eine solche Wärmespeicherschicht kann beispielsweise aus einem Metall bestehen, z.B. Aluminium oder Kupfer, oder aus keramischen Materialien wie Al2O3, AlN und andere.
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Die dargestellten miteinander kombinierbaren Variationen von Art und Gestaltung der verschiedenen Absorber- und Wärmespeicherschichten gestattet die Anwendung von verschiedenen Konzepten von Transfermasken. So sind Reflektoren enthaltende und reflektorlose Transfermasken verwendbar, ebenso wie Transfermasken, die Reflektoren im Zwischenträger aufweisen. Auch Transfermasken, die zur strukturierten Bedampfung Schattenmasken verwenden und dazu keine eigenen strukturierten Absorberschichten aufweisen, sind erfindungsgemäß zu gestalten.
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Um Wechselwirkungen mit der Verdampfungsschicht zu vermeiden kann in einer weiteren Ausgestaltung der Transfermaske eine weitere Absorberschicht oder eine andere Deckschicht aufgebracht sein. Die weitere Absorberschicht kann beispielsweise aus dem gleichen Material wie die erste Absorberschicht bestehen.
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Die erfindungsgemäße Transfermaske ist insbesondere auch für Bedampfungsverfahren anwendbar, deren Energieeitrag in die Transfermaske mittels RTP-Prozess erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Transfermaske wird, auch bei sehr kurzen Energieimpulsen, die Verdampfungsschicht in ihrer gesamten Dicke so gleichmäßig erhitzt wird, dass im thermischen Grenzbereich zur Verdampfung entstehende hohe Drücke innerhalb der Verdampfungsschicht vermieden werden können. Insbesondere eine mit dem hohen, blitzartigen, bis über die Verdampfungstemperatur erfolgenden Verdampfungseintrag der RTP-Behandlung nur in die untersten, der Absorberschicht zugewandten Bereiche der Verdampfungsschicht und eine dadurch mögliche Fragmentierung in der Verdampfungsschicht und der Transport der Fragmente zum Substrat wird durch die Wärmespeicherfähigkeit in der Transfermasken verhindert.
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Typischerweise sind sogenannte RTP-Verfahren (Rapid Thermal Processing) solche Verfahren zum Energieeintrag mittels Strahlung, bei denen besonders hohe Temperaturanstiegs- bzw. abkühlungsraten erreicht werden können. Um diese hohen Temperaturanstiegs- und Abkühlungsraten zu erreichen, werden Hochenergielampen, wie z. B. Halogenlampen oder Blitzlampen, zum Einsatz gebracht. Mit derartigen Strahlungsmitteln ist es prinzipiell möglich, bestrahlte und die Strahlung absorbierende Bereiche stark, z.B. mehrere hundert bis über tausend Grad Celsius, zu erhitzen und dabei darunter liegende Bereiche, häufig den Schichtträger, nur bis in eine Tiefe von wenigen Mikrometern zu erwärmen. Weiter in der Tiefe liegende Schichten bzw. Bereiche des Substrates bleiben aufgrund der Dauer der Einwirkungszeit und einer hohen Leistungsdichte dabei zumindest nahezu auf Ausgangstemperatur. Üblich sind RTP-Behandlungen mit Schaltzeiten mit einer Dauer von wenigen Sekunden oder kürzer, bevorzugt in der Größenordnung von 100 Millisekunde oder kleiner, bevorzugt kleiner 10 ms, weiter bevorzugt kleiner 1 ms.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt
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1 Wärmeflussdiagramm mit und ohne Wärmespeicher in der Transfermaske,
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2A bis 2C alternative Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Transfermaske mit Reflektorschicht,
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3A bis 3C Zwischenträger einer erfindungsgemäßen Transfermaske mit Absorberschicht bzw. Absorber- und Wärmespeicherschicht und
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4 eine strukturierte Bedampfung mittels einer Transfermaske gemäß 2A.
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Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Transfermaske 1 gemäß der 2A bis 2C weisen jeweils eine strukturierte Reflektorschicht 4 auf.
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Die Ausführung nach 2A 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 zu- und der Lichtquelle abgewendet 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 direkt auf dem Zwischenträger 2 eine mittels Sputtern abgeschiedene Reflektorschicht 4. Diese wurde strukturiert, so dass nur dort Bereiche stehen blieben, wo das Licht der Lichtquelle reflektiert und später auf einem Substrat 20 kein Verdampfungsmaterial abgeschieden werden soll. In den Bereichen, in denen das Licht nicht reflektiert wird, liegen die Verdampfungsbereiche 15.
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Über der Reflektorschicht 4 ist eine Zwischenschicht 8 abgeschieden, so dass diese die Reflektorschicht 4 und den Zwischenträger 2 in den geätzten Bereichen der Reflektorschicht 4 überdeckt. Eine solche Zwischenschicht 8 ist optional und wird beispielsweise zur Erhöhung der Auflösung eingefügt, indem die Zwischenschicht 8 als Isolationsschicht ausgebildet ist und die Reflektorschicht 4 thermisch von der Absorberschicht 6 trennt. Die Zwischenschicht 8 kann dazu beispielsweise aus SiO2 bestehen.
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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. Über der Absorberschicht 6 und im Ausführungsbeispiel unmittelbar angrenzend an die Absorberschicht 6, ist eine Wärmespeicherschicht 7 abgeschieden und strukturiert. Im Ausführungsbeispiel ist die Struktur invers zur Strukturierung der Reflektorschicht 4 ausgebildet. Alternativ kann die Zwischenschicht 8 auch entfallen, so dass Reflektorschicht 4 und Wärmespeicherschicht 7 durch die Absorberschicht 6 voneinander getrennt sind. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann auch die Wärmespeicherschicht 7 abweichend zur Reflektorschicht 4 oder nicht strukturiert sein. Letztere Variante vereinfacht die Herstellung.
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Abgedeckt wird die Maskenstruktur durch eine optionale 10–200 nm dicke Deckschicht 10. Auch diese Schicht ist gesputtert. Über der Deckschicht 10 ist das zu verdampfende, z. B. organische oder metallische Material der Verdampfungsschicht 12 mittels thermischer Vakuumbedampfung aufgetragen.
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Die alternative Ausgestaltung einer Transfermaske 1 gemäß 2B unterscheidet sich von jener der 2A durch eine weitere Absorberschicht 9, welche die erste Absorberschicht 6 und die darüber liegende strukturierte Wärmespeicherschicht 7 bedeckt. Diese weitere Absorberschicht 9 wird zum Schutz des Wärmespeichers oder der darüber liegenden Schicht, z.B. der Verdampfungsschicht 12 bei einem Schichtstapel 13 ohne Deckschicht, aufgebracht. Viele Materialien reagieren miteinander, was durch diesen Aufbau vermieden wird.
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Die alternative Ausgestaltung einer Transfermaske gemäß 2C umfasst im Vergleich zu der gemäß 2A keine Zwischenschicht und eine durchgehende, konform zur Absorberschicht 6 abgeschiedene Wärmespeicherschicht 7. Auch dieser Schichtstapel 13 wird durch eine Deckschicht 10 und eine Verdampfungsschicht 12 abgeschlossen. Die Verdampfungsbereiche 15 werden in den Ausführungsformen der 2B und 2C analog zu der der 2A durch die Struktur der Reflektorschicht 4 festgelegt.
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Die reflektorlosen Transfermasken 1 der 3A bis 3C weisen auf der Rückseite 14 eines transparenten Zwischenträgers 2 eine durchgehende Absorberschicht 6 mit einer deutlich größeren Dicke d als in den anderen Figuren dargestellt auf (3A). Im Gegensatz dazu ist die Dicke der Absorberschicht 6 in 3B deutlich reduziert und von einer durchgehenden Wärmespeicherschicht 7 abgedeckt, deren Dicke wiederum größer ist als die der Absorberschicht 6. In 3C ist die Wärmespeicherschicht 7 strukturiert, so dass die Verdampfungsbereiche 15 durch diese Strukturierung definiert werden, und Absorberschicht 6 sowie Wärmespeicherschicht 7 sind von einer weiteren Absorberschicht 9 überdeckt. Es ist selbstverständlich, dass diese Transfermasken 1, wie oben zu den 2A bis 2C beschrieben, zumindest eine Verdampfungsschicht und gegebenenfalls eine darunter liegende Deckschicht (beide Schichten nicht dargestellt) aufweisen. Die Übertragung des Verdampfungsmaterials in 3A und 3B erfolgt beispielsweise mittels einer Schattenmaske. Alternativ kann zur Übertragung des Verdampfungsmaterials eine reflektorlose Transfermaske mit einer strukturierten Absorberschicht eingesetzt werden. Somit ist eine zusätzliche Schattenmaske nicht erforderlich, da die Maskenstruktur selbst durch die strukturierte Absorberschicht ausgebildet ist.
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Als Verfahren zur Abscheidung und Strukturierung der einzelnen Schichten können in Abhängigkeit von den zu erzielenden Schichten und Schichteigenschaften und von dem gewünschten Anlagen- und Kostenaufwand verschiedene PVD-Verfahren angewendet werden.
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Die strukturierte Bedampfung eines Substrats 20 mittels einer Transfermaske gemäß 2A wird in 4 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 5 µm) 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, einem Blitzlampen-Array, belichtet. Ähnlich wie bei der optischen Lithographie kann über einen Shutter 24 die Strahlungsquelle 22 ein- bzw. ausgeschaltet werden. Das Blitzlampen-Array arbeitet im Blitzbetrieb zur Erwärmung der Verdampfungsschicht 12 zu dessen Verdampfung.
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Mit Ausführungsformen der Transfermasken 1 erwärmt sich durch den Energieeintrag von der Strahlungsquelle 22 die Absorberschicht 6 entsprechend ihrer eigenen Struktur oder einer Schattenmaskenstruktur (nicht dargestellt) oder invers zur Struktur der Reflektorschicht 4 (2A bis 2C) und durch Wärmeübertragung von dieser auf die Wärmespeicherschicht 7 auch Letztere lokal differenziert ausreichend stark, sodass das Material der Verdampfungsschicht 12 ausschließlich an den entsprechenden 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 20 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 100 µm.
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Nach der Abschaltung der Strahlungsquelle 22 durch den Shutter 24, im Falle, dass nicht pulsförmige Lichtquellen zum Einsatz kommen, erfolgt eine rasche Abkühlung der Absorberschicht 6 und der Wärmespeicherschicht 7 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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transfermaske
- 2
- Zwischenträger
- 4
- Reflektorschicht
- 6
- Absorberschicht
- 7
- Wärmespeicherschicht
- 8
- Zwischenschicht
- 9
- weitere Absorberschicht
- 10
- Deckschicht
- 12
- Verdampfungsschicht
- 13
- Schichtstapel
- 14
- Rückseite
- 15
- Verdampfungsbereich
- 20
- Substrat
- 22
- Strahlungsquelle
- 24
- Shutter
- 26
- Beschichtung
- d
- Dicke einer Schicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009041324 A1 [0003]
