DE102015011066B4

DE102015011066B4 - Substrat, insbesondere für den Aufbau einer dehnbaren Elektronik und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015011066B4
Application number: DE102015011066.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick Görrn
Original assignee: Bergische Universitaet Wuppertal
Current assignee: Bergische Universitaet Wuppertal
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: DE102015011066A1

Abstract

Substrat (S), insbesondere als Unterlage für den Aufbau einer dehnbaren Elektronik, umfassend ein dehnbares Material, dessen Oberfläche wenigstens einen härteren Flächenbereich (S1), insbesondere wenigstens einen zusammenhängenden härteren Flächenbereich (S1) aufweist, in welchem weichere Inselbereiche (S2, 3) angeordnet sind, die jeweils allseitig von härterem Flächenbereich (S1) umgeben sind, wobei wenigstens ein Teil dieser weicheren Inselbereiche (S2, 3) jeweils eine oder mehrere Spitzen (1) aufweist, wobei durch eine jeweilige Spitze (1) der Startort (1) eines bei Substratdehnung erzeugbaren Cracks (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im härteren Flächenbereich (S1) wenigstens ein sich von einer Spitze (1) eines der weicheren Inselbereiche (S2, 3) wegerstreckender Crack (5) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat, insbesondere als Unterlage für den Aufbau einer dehnbaren Elektronik, umfassend ein dehnbares Material, dessen Oberfläche wenigstens einen härteren Flächenbereich, insbesondere wenigstens einen zusammenhängenden härteren Flächenbereich aufweist, in welchem weichere Inselbereiche angeordnet sind, die jeweils allseitig von härterem Flächenbereich umgeben sind, wobei wenigstens ein Teil dieser Inselbereiche jeweils eine oder mehrere Spitzen aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Substrates.
Das Dokument DE 103 05 411 A1 kann aufgrund seiner bekannten Materialeigenschaften als ein Substrat im oben genannten Sinne verstanden werden.
Substrate für dehnbare Elektronik sind in der Regel Folien aus dehnbarem Material. Unter einem dehnbaren Material im Sinne der Erfindung wird auch eine dehnbare Mischung mehrerer Materialien verstanden oder dehnbare Materialcom posite.
Sie sind als solche auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge (also um einige 100%) ausdehnbar. Elektronik kann zwar durch Abscheiden funktionaler Dünnschichten auf der Oberfläche dieser bevorzugt folienförmigen Substrate erzeugt werden, allerdings sind solche funktionalen Dünnschichten typischerweise nur bis zu maximal 1 % dehnbar, bevor sie reißen.
Elektronische Bauelemente auf Basis dieser Dünnschichten werden in der Regel durch die bei Dehnungen entstehenden Risse zerstört. Im nachfolgenden werden aufgrund der üblichen Terminologie in diesem Bereich die Risse als Cracks bezeichnet.
Ziel der dehnbaren Elektronik ist es allerdings Strukturen (also Substrat und darauf abgeschiedene Dünnschichtelektronik) zu erzeugen, die bis mindestens 10% dehnbar sind. Deshalb ist es ein bisheriger Ansatz im Stand der Technik, die Entstehung von Cracks durch Dehnung möglichst zu vermeiden. Dabei kann die Ausdehnung in den Dünnschichten durch Mäander oder Falten oder andere Strukturen lokal reduziert werden.
Ebenfalls können auf einem dehnbaren Substrat, beispielsweise aus Polydimethylsiloxan (PDMS) Inseln angeordnet werden, die eine größere Härte (bzgl. Youngsches Modul) aufweisen, als die dehnbare Unterlage, um auf diesen härteren Inseln Elektronikstrukturen oder Elektronikkomponenten anzuordnen.
Zwischen den Inseln können dehnbare Verbindungen angeordnet sein, z.B. brückenartige oder mäanderförmige Leiter, um die Elektronik der jeweiligen Inseln miteinander zu verschalten.
Dehnungen der gesamten dehnbaren Anordnung von mehr als10% wirken sich somit überwiegend, wenn nicht ausschließlich auf die dehnbaren Bereiche zwischen den härteren Inseln aus, so dass die Elektronikstrukturen /komponenten, die häufig schon bei Dehnungen kleiner 1% Schaden nehmen würden, auf einer Insel der Dehnung nicht oder nur wenig ausgesetzt werden und die Dehnung üblicherweise schadlos überstehen.
Nachteilig bei diesem auch als „Rigid Island Approach“ bekannten Inselansatz ist es, dass die maximale lokale Ausdehnung genau an den Übergängen der dehnbaren Verbindungen zu den Inseln auftreten, so dass diese wie Sollbruchstellen wirken und eine Anwendung des Inselansatzes in der Praxis deutlich erschweren. Cracks an diesen Übergängen aber auch in den Inselbereichen oder den gedehnten Bereichen sind nicht kontrollierbar und führen zu Ausfällen. Des Weiteren müssen die Inselbereiche gegenüber den umgebenden Flächenbereichen eine vergleichsweise kleine Fläche ausmachen und schränken daher die für die elektronische Funktionalität nutzbare Fläche innerhalb der dehnbaren Gesamtfläche stark ein.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Substrat und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit zu stellen, mit denen der Flächenanteil für Elektronik auf dem Substrat erhöht werden kann und welche die Kontrolle entstehender Cracks ermöglichen.
Anders als der bisherige Stand der Technik stellt somit die Erfindung nicht auf die Vermeidung von Cracks ab, sondern darauf, die Crackentstehung kontrollierbar zu gestalten, insbesondere in dem Sinne, dass die Orte der Crackentstehung vorbestimmbar bzw. vorgebbar sind. Die Erfindung soll ermöglichen, den Verlauf bzw. die Anordnung von Elektronik um die vorbestimmten Crackentstehungsorte herum vorzunehmen.
Diese Aufgabe wird bei einem dehnbaren Substrat aus einem dehnbaren Material, wie z.B. einem Elastomer z.B. dem Silikon PMDS dadurch gelöst, dass dessen Oberfläche wenigstens einen härteren Flächenbereich, insbesondere wenigstens einen zusammenhängenden härteren Flächenbereich aufweist, in welchem weichere Inselbereiche angeordnet sind, die jeweils allseitig von härterem Flächenbereich umgeben sind, wobei wenigstens ein Teil dieser Inselbereiche, ggfs. auch alle jeweils eine oder mehrere Spitzen aufweist, wobei durch eine jeweilige Spitze der Startort eines bei Substratdehnung erzeugbaren Cracks gebildet ist und im härteren Flächenbereich wenigstens ein sich von einer Spitze eines weicheren Inselbereichs wegerstreckender Crack ausgebildet ist.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass ein bevorzugt zusammenhängender härterer Flächenbereich in der Fläche größer sein kann, als die Summe der Flächen aller weicheren Inselbereiche, die in dem bevorzugt zusammenhängenden Flächenbereich angeordnet sind.
Verglichen mit dem beschriebenen Inselansatz des Standes der Technik entfällt also typischerweise ein größerer Anteil der gesamten Substratfläche auf die für Elektronik nutzbare härtere Fläche. Vor allem aber ist diese härtere Fläche bevorzugt zusammenhängend, so dass die mechanisch instabileren Übergänge von härteren auf weichere Bereiche nicht erforderlich sind.
Die Erfindung sieht es somit vor, die Elektronik auf einem härteren, bevorzugt zusammenhängenden Flächenbereich anzuordnen, insbesondere der im Wesentlichen punktuell durch weichere Inselbereiche mehrfach durchsetzt ist. Die Elektronik kann z.B. als Dünnschichtelektronik aus verschiedenen funktionalen Dünnschichten aufgebaut werden. Unter Dünnschichten versteht man Schichten fester Stoffe im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich, insbesondere Schichten mit einer Dicke kleiner als 1 Mikrometer.
Sofern die Erfindungsbeschreibung von härter und weicher spricht, ist festzuhalten, dass diese Eigenschaften in Relation zueinander zu betrachten sind, also ein als härter bezeichneter Flächenbereich somit härter ist als ein als weicher bezeichneter Inselbereich, insbesondere unabhängig von der absoluten Härte.
Die Relation bezieht sich besonders auf den Vergleich der beiden Youngschen Module der zu vergleichenden Bereiche auf der jeweiligen Oberfläche bzw. einem oberflächennahen Bereich. Ein härterer Bereich hat somit einen größeren Youngschen Modul als ein weicherer Bereich. Beispielsweise kann in einem bevorzugt zusammenhängenden härteren Flächenbereich der Youngsche Modul des Oberflächenmaterials um den Faktor 10 größer sein als in einem weicheren Inselbereich.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einer möglichen Ausgestaltung vor, dass auf ein dehnbares Material, durch eine Maske hindurch eine die Oberfläche härtende Behandlung angewendet wird, wobei durch die Maske Inselbereiche von der Behandlung ausmaskiert, also nicht behandelt werden, so dass durch die Behandlung wenigstens ein bevorzugt zusammenhängender gehärteter Flächenbereich ausgebildet wird, in welchem weichere, ungehärtete Inselbereiche angeordnet sind, die jeweils von dem härteren, gehärteten Flächenbereich allseitig umgeben sind und wobei wenigstens ein Teil dieser Inselbereiche durch die Form der Ausmaskierung jeweils eine oder mehrere Spitzen aufweist, wobei durch eine jeweilige Spitze eines solchen Inselbereichs der Startort eines bei Substratdehnung erzeugten Cracks gebildet wird.
Die härtende Behandlung kann beispielsweise gebildet werden durch Beleuchtung der Oberfläche mit ultravioletter Strahlung (z.B. 170 nm) oder durch Einwirkung von Ozon auf die Oberfläche oder durch Einwirkung von Plasma auf die Oberfläche oder durch chemische Reaktion von Molekülen der Oberfläche mit Reaktionspartnern oder durch Beschuss der Oberfläche mit Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen oder durch Beleuchtung der Oberfläche mit Röntgen-, Gamma- oder sonstiger ionisierender Strahlung.
Unabhängig von der konkreten Art der härtenden Behandlung ist die verwendete Maske derart ausgebildet, dass diese zur Ausbildung wenigstens eines bevorzugt zusammenhängenden härteren Flächenbereiches überwiegend für die verwendete härtende Behandlung durchlässig ist und die Behandlung nur in solchen mehreren diskreten Bereichen blockiert, welche die späteren Inselbereiche ausbilden.
Am Beispiel der UV-Bestrahlung als härtender Behandlung kann eine solche UV-Maske z.B. durch eine mit Chrom beschichtete Saphirscheibe gebildet werden, welche kontaktierend oder zumindest nahe zum zu bestrahlenden dehnbaren Substrat angeordnet wird. Die blockierenden Bereiche der UV-Maske sind diejenigen, die mit Chrom beschichtetet wurden und haben dabei die Form der Inselbereiche. Die Maske kann gleichzeitig verwendet werden, um insbesondere im Außenbereich Positionierkreuze zu belichten, die nach Belichtung im Mikroskop erkennbar sind und zur Ausrichtung späterer Masken, z.B. für die nachfolgend noch beschriebene crackstruktursensitive Strukturierung genutzt werden.
Für die anderen genannten Behandlungsmethoden ist jeweils eine entsprechend geeignete Maskierung zu wählen, die sich im Allgemeinen von der hier beispielhaft beschriebenen Methode der UV-Maskierung unterscheiden wird und vom Fachmann anhand seines Fachwissens ausgewählt wird.
Bei dieser Ausbildung der Erfindung umfassen die härteren, also die durch die Behandlung gehärteten Flächenbereiche grundsätzlich dasselbe (Ursprungs-) Material, wie die weicheren nicht gehärteten Inselbereiche. Beide Bereiche werden von demselben Ursprungsmaterial, wie z.B. PMDS gebildet, weisen jedoch nach der Behandlung unterschiedliche Härten auf. Dieses wird durch erhöhte Oxidation, einen erhöhten Vernetzungsgrad oder andere chemische oder physikalische Modifikationen im Material verursacht. Insofern sieht es die Erfindung bei dieser Ausgestaltung bevorzugt vor, durch physikalische oder chemische Behandlungen härtbare Elastomere als Substratmaterial zu verwenden.
Bei dieser Ausführung wird auch erreicht, dass ein härterer (gehärteter) bevorzugt zusammenhängender Flächenbereich eine Oberfläche aufweist, welche zumindest nahezu exakt in derselben Ebene liegt, wie die Oberfläche aller weicheren bzw. nicht gehärteten Inselbereiche. Die Oberfläche eines solchen gehärteten Substrates bleibt also in der ursprünglichen Planarität zumindest weitgehend erhalten.
Die z.B. durch Maskierung strukturierte Härtung bereits bestehenden Materials durch chemische oder physikalische Prozesse hat aber auch mechanische Vorteile. UV-Strahlen oder andere Strahlen, oder meist gasförmige chemische Reaktionspartner dringen nicht beliebig tief unter die Oberfläche des dehnbaren Substrats. Ergebnis ist folglich eine mit zunehmender Tiefe allmählich geringer werdende Härte bis schließlich hin zur (geringen) Härte des völlig unbehandelten Substratmaterials. Diese graduelle Härtung führt - anders als bei einer abgeschiedenen härteren Schicht mit entsprechend abrupter Zunahme der Härte an der Schichtunterseite - zu einer hervorragenden Anhaftung der gehärteten Bereiche am Substrat.
Ebenfalls ist die Tiefe dieser graduellen Härtung der Oberfläche durch die Wahl des Prozesses und der Prozessparameter (z.B. genaue Wellenlänge der Strahlung, Art, Leistung und Hintergrunddruck des Plasmas) einstellbar. Die Tiefe kann von wenigen 10nm bis in den Mikrometerbereich reichen. Diese Tiefe gibt auch die Tiefe der später kontrollierten Cracks vor, die nicht zuletzt bestimmt, wieviel Ausdehnung ein einzelner Crack aufnehmen kann und damit wie groß die Dichte benötigter Cracks bei vorgegebener maximal zulässiger Ausdehnung sein muss.
Trotz dieser klaren Vorzüge der nachträglichen Härtung kann ein erfindungsgemäßes Substrat in einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens aber auch dadurch hergestellt werden, dass auf ein dehnbares Material mit einer vorgegebenen Härte eine Schicht aus einem härteren Material abgeschieden und strukturiert, insbesondere fotolithografisch strukturiert wird oder direkt strukturiert abgeschieden wird, wobei durch die Strukturierung Inselbereiche gebildet werden, in welchen das dehnbare Material unbeschichtet bleibt und die unbeschichteten Bereiche gegenüber der abgeschiedenen Schicht weichere Inselbereiche bilden, die jeweils von einem härteren Flächenbereich der abgeschiedenen Schicht allseitig umgeben sind, wobei wenigstens ein Teil dieser Inselbereiche durch die Strukturierung jeweils eine oder mehrere Spitzen aufweist und durch eine jeweilige Spitze eines solchen Inselbereichs der Startort eines bei Substratdehnung erzeugten Cracks gebildet wird.
Hier werden die härteren bevorzugt zusammenhängenden Flächenbereiche durch ein anderes, gegenüber dem Substratmaterial härteres Material ausgebildet, nämlich das Schichtmaterial und die weicheren Inselbereiche durch das Substratmaterial. Die Oberflächen vom bevorzugt zusammenhängenden Flächenbereich und den Inselbereichen liegen hier in unterschiedlichen Ebenen, beabstandet durch die Schichtdicke. Dennoch wird dies insgesamt als Oberfläche des erfindungsgemäßen dehnbaren Substrates verstanden.
Unabhängig davon, welche der vorgenannten Ausbildungen realisiert ist, beruht ein wesentlicher Kern der Erfindung darauf, die Crackbildung bei Dehnung zu kontrollieren. Dabei wird der Startort eines bei Substratdehnung erzeugten oder zumindest erzeugbaren Cracks durch eine Spitze an einem weicheren Inselbereich gebildet.
Diese Spitze weist in eine Richtung, die als Crackrichtung des jeweiligen Startortes bezeichnet wird. Bei einer Dehnung des Substrates in einer bestimmten Richtung, werden an denjenigen Startorten, deren Crackrichtung senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dieser Dehnungsrichtung des Substrates ist, Cracks gestartet.
Das liegt daran, dass die weicheren Inselbereiche stärker gedehnt werden als die gehärtete Umgebung und dass die Startorte bildenden Spitzen genau in Crackrichtung zeigen, also eine künstliche Crackspitze bilden, die wie eine Sollriss-Stelle zu einem Aufreißen oder anders ausgedrückt zu einer Crackausbreitung in gewünschter Richtung führt. Mit zunehmender Ausdehnung des Substrates sind z.B. im Mikroskop zunächst immer mehr an den Startorten entstehende Cracks zu beobachten, die sich immer weiter ausbreiten. Die Spitze eines Cracks ist dabei weiterhin eine Sollriss-Stelle, die als solche unter weiterer Ausdehnung instabil ist.
Deshalb gehört zur Kontrolle der Crackbildung im Sinne der Erfindung in bevorzugter Ausbildung das Hineinlaufen des Cracks in einen zweiten weicheren Inselbereich, der für diesen Crack als Endort wirkt.
Anders als bei dem den Startort umfassenden Inselbereich muss der einen Endort vorgebende Inselbereich keine Spitze ausweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Inselbereich, der einen Endort für einen Crack vorgibt, eine zu der Crackrichtung entgegengesetzte Spitze aufweist. Beim kontrollierten Cracken startet ein jeweiliger Crack an beiden benachbarten Inselbereichen, wobei sich diese Cracks im Zwischenbereich zwischen den Inselbereichen vereinen oder nebeneinander in die gegenüberliegenden Inselbereiche laufen und somit die weitere Crackausdehnung beendet wird. In diesem Sinne gibt ein solcher Inselbereich mit entgegengesetzter Spitze auch einen Endort vor, insbesondere da ein Crack durch den entgegenlaufenden Crack ebenso nicht über den Inselbereich hinausläuft.
Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, dass ein Inselbereich, welcher einen Endort eines Cracks vorgibt, wenigstens eine Spitze in eine andere Crackrichtung und somit in die Richtung zu einem anderen weicheren Inselbereich aufweist. Ein solcher Inselbereich kann somit den Endort für einen Crack einer ersten Crackrichtung und durch wenigstens eine in andere Richtung weisende Spitze einen Startort für einen Crack einer anderen Crackrichtung bilden.
Statt in einem durch einen Inselbereich vorgegebenen Endort kann ein Crack auch in einem anderen Crack, bevorzugt unterschiedlicher Crackrichtung enden oder am Substratrand bzw. außerhalb des für die Elektronik verwendeten Flächenbereiches.
Ist ein Crack vom Startort bis in den für ihn vorgesehenen Endort hineingelaufen, so ist der als kontrolliertes Cracking bezeichnete Prozess in dieser Crackrichtung abgeschlossen. Es können je nach Ausführung der Erfindung noch Ausdehnungen des Substrates in andere Richtungen erfolgen, bis das kontrollierte Cracking vollständig (in alle Richtungen) abgeschlossen ist. Nach diesem Abschluss ist zwischen jedem Startort und dem ihm zugeordneten Endort ein Crack vorhanden, offene Spitzen (Startorte oder noch nicht in den Endort gelaufene Cracks) existieren nicht mehr. Jeder Crack nimmt lokal Verspannungen in zu seiner Crackrichtung senkrechten Richtung auf. Bei Ausdehnungen bis zu einer konzipierten Maximalausdehnung entstehen keine weiteren (unkontrollierten) Cracks.
Dieses Konzept, insbesondere die Zuordnung von Startorten und Endorten zueinander, kann durch verschiedene Geometrien ausgeführt werden.
Im einfachsten Fall liegen Inselpaare (eine Menge von Inselpaaren) aus jeweils genau zwei weicheren Inselbereichen vor, die jeweils aus einem Inselbereich mit genau einer einen Crackstartort bildenden Spitze und einem Inselbereich bestehen, der einen Endort vorgibt. Der den Endort vorgebende Inselbereich ist in einem festen Abstand zum Inselbereich mit dem Startort angeordnet. Letzterer zeigt dabei mit seiner Spitze genau in Richtung des Endortes des zweiten Inselbereiches des Inselpaares. Diese Richtung legt die entsprechende Crackrichtung des jeweiligen Inselpaares fest.
Es sind Inselpaare verschiedener Crackrichtungen möglich. Über die beschriebenen Inselpaare hinaus können einzelne Inseln mehrere Startorte aufweisen, die in verschiedene Crackrichtungen zeigen können. Gleichzeitig können die Inselbereiche auch als Endorte für Cracks aus verschiedenen Crackrichtungen wirken.
Der Startort eines Inselpaares von welchem genau ein Crack nur in einer Richtung ausgehen soll, kann somit nur in der einen gewünschten Crackrichtung eine Spitze aufweisen, bzgl. aller anderen Richtungen jedoch spitzenlos ausgebildet sein, insbesondere eine gerundete Außenkontur aufweisen.
So kann ein Inselbereich z.B. einer Tropfenform oder im Wesentlichen einer Kreisfläche entsprechen, von deren äußeren Umfang sich eine, bei anderen Ausführungen wenigstens eine Spitze in radialer Richtung wegerstreckt.
Soll ein Inselbereich hingegen eine Crackbildung in mehrere Richtungen gezielt initiieren, so weist der Inselbereich in jeder dieser gewünschten Richtungen eine Spitze auf, die also in die jeweilige Richtung weist, in welcher ein benachbarter Inselbereich angeordnet ist, der für einen ausgelösten Crack dieser betrachteten Crackrichtung einen Endort bildet. Mehrere Spitzen eines Inselbereiches können gerundet verbunden sein.
Beispielsweise kann ein solcher Inselbereich zwei gegenüberliegende Spitzen aufweisen, die durch eine gerundete Kontur verbunden sind, insbesondere wenn eine Crackbildung in zwei entgegengesetzte Richtungen unterstützt werden soll.
Ein Inselbereich kann ebenso einer geometrischen mehreckigen Grundform entsprechen, insbesondere einem Dreieck oder Viereck oder einer Karo-Form entsprechen.
Das definitive Enden in einem benachbarten Inselbereich, der einen Endort bilden soll, kann bevorzugt sichergestellt werden dadurch, dass ein solcher Endort in welchen ein Crack einmündet in der Crackrichtung betrachtet und gegenüberliegend dem Startort des den Crack initiierenden Inselbereiches spitzenlos, bevorzugt stumpf ausgebildet ist, insbesondere gerundet ausgebildet ist.
Wesentlich für die Crackkontrolle ist bei der Erfindung, dass ein Crack immer zwischen einem Startort eines wenigstens eine Spitze aufweisenden weicheren Inselbereiches und einem Endort eines bevorzugt anderen weicheren Inselbereiches entsteht, wenn eine Dehnung des Substrates senkrecht zur Crackrichtung zwischen dem entsprechenden Startort und dem Endort auftritt.
Eine Zuordnung von Startort und Endort zueinander ist immer bereits dadurch gegeben, dass die den Startort bildende Spitze eines Inselbereiches in Richtung zum Endort weist, insbesondere was dadurch erfolgt, dass sich der Flächenbereich eines Inselbereiches in die Richtung zu einem benachbarten Inselbereich unter Bildung der genannten Spitze verkleinert bzw. verjüngt.
Die erfindungswesentliche Wirkung liegt nun darin, dass bei einer Substratdehnung Cracks zumindest überwiegend, bevorzugt vollständig nur zwischen den dafür vorgesehenen Startorten und Endorten entstehen, die sonstigen bevorzugt zusammenhängenden Flächenbereiche jedoch frei von weiteren unkontrollierten Cracks bleiben, insbesondere zumindest solange, bis die konzipierte Maximalausdehnung überschritten wird.
Durch geeignete unten beispielhaft erklärte Fertigungsmethoden kann eine zerstörerische Wirkung der beschriebenen kontrollierten Cracks auf die Elektronikstrukturen deshalb verhindert werden, weil die Position dieser Cracks relativ zu einer vorgegebenen Maskengeometrie genau bekannt ist.
In, d.h. insbesondere auf den bevorzugt zusammenhängenden Flächenbereichen realisierte Elektronikstrukturen oder -komponenten können auftretende Dehnungen somit schadlos überstehen, da die kontrollierten Cracks für die Elektronik unschädlich bleiben, allerdings mechanische Verspannungen aufnehmen, so dass die Elektronik selbst großflächig bevorzugt zusammenhängend und dennoch lokal ungedehnt bleibt also makroskopisch dehnbar erscheint.
Ein erfindungsgemäßes Substrat liegt bereits dadurch vor, dass durch das Anlegen einer Zugspannung und somit einer Dehnung die Cracks zwischen einander zugeordneten Startorten und Endorten entstehen können, wenngleich solche Cracks noch nicht vorhanden sind. Ein solches Substrat kann demnach zur Weiterverarbeitung bei der Herstellung dehnbarer Elektroniken eingesetzt werden und ein Vorprodukt in der Herstellungskette bilden.
Es wird bei der jeweiligen Herstellung genau zu prüfen sein, zu welchem Zeitpunkt, eventuell sogar erst nach vollständigem Aufbringen der Elektronik das kontrollierte Cracking durch äußere Dehnung des Substrates in eine oder nacheinander oder gleichzeitig in mehrere Richtungen ausgeführt wird.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass ein erfindungsgemäßes Substrat bereits vorgebildete Cracks aufweist, insbesondere dadurch, dass im härteren Flächenbereich zwischen Startorten und zugehörigen Endorten ein jeweiliger Crack in der durch die Richtung der Spitze eines Startortes definierten Crackrichtung ausgebildet ist, insbesondere dessen Verlauf senkrecht ist zu einer Richtung, in der das Substrat zur Bildung der Cracks gedehnt wurde und weiterhin dehnbar ist. Dabei kann jeder Crack erzeugt sein durch Dehnung des Substrates senkrecht zur Crackrichtung.
Sofern verschiedene Inselbereiche Startorte bildende Spitzen aufweisen, die in verschiedene Richtungen weisen oder Inselbereiche jeweils mehrere Startorte bildende Spitzen aufweisen, die in verschiedene Richtungen weisen, kann es vorgesehen sein zum Zweck des kontrollierten Crackings das Substrat jeweils in der dazu senkrechten Richtung zu dehnen, um das entsprechende kontrollierte Cracking zu initiieren.
Es können also mehrfache Dehnungen in verschiedene Richtungen, z.B. nacheinander oder auch gleichzeitig vorgenommen werden. Auch kann eine Dehnung in einer Richtung vorgenommen werden, die vektoriell in zwei Richtungskomponenten zerlegt werden kann, wobei jede Komponente senkrecht zu einer Crackrichtung zugeordneter Startorte und Endorte liegt.
Ein derart vorbehandeltes Substrat bildet ebenso ein Substrat gemäß der Erfindung, dass zur Weiterverarbeitung, insbesondere für den Aufbau dehnbarer Elektronik eingesetzt werden kann. Der bevorzugte Schritt dieser Vorbehandlung zum kontrollierten Cracking hat den Vorteil, dass ein vorbehandeltes Substrat hinsichtlich der erfolgreich gebildeten kontrollierten Cracks geprüft werden kann, somit also eine Qualitätssicherung ermöglicht.
Die Herstellung kann z.B. in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess (R2R) erfolgen, insbesondere als quasi endloses Substratband. Dafür kann von einer Rolle ein Substrat aus einem elastomeren Film, z.B. PMDS abgezogen und durch eine Maske (z.B. in R2R-typischer Walzengeometrie) härtend bestrahlt werden. Nach der Bestrahlung wird durch Ziehen mittels einer Walze in Förderrichtung eine Zugspannung erzeugt, durch welche Cracks senkrecht zur Förderrichtung entstehen. Auch ein Ziehen senkrecht zur Förderrichtung in einem R2R-Prozess ist beispielsweise durch außen am elastomeren Substratband angreifende Ziehmittel mechanisch lösbar.
Nach dem mit der mechanischen Ausdehnung einhergehenden kontrollierten Cracking kann das gecrackte Substrat direkt aufgespult oder nach Beschichtung mit einem Elektroden-Schichtmaterial aufgespult werden. Wie beschrieben kann je nach Prozess auch ein mechanisches Dehnen erst nach der Abscheidung einzelner, mehrerer oder aller funktionaler Schichten der entsprechenden Dünnschichtelektronik erfolgen.
Gemäß der Erfindung kann die Menge aller Inselbereiche eines bevorzugt zusammenhängenden härteren Flächenbereiches durch die beschriebenen Inselpaare gebildet werden. Solche Inselpaare von Inselbereichen können in einer besonders bevorzugten Ausführung in wenigstens einer Richtung versetzt zueinander angeordnet sein, insbesondere in parallelen Reihen und versetzt zueinander angeordnet sein.
Bei Dehnung entstehen demnach Cracks, die eine ebenso reihenförmig versetzte Anordnung aufweisen. Ein derart ausgebildetes Substrat verhält sich bei Anlegen einer Zugspannung senkrecht zu den bereits gebildeten oder ggfs. erst noch zu bildenden Cracks ähnlich wie ein Streckgitter, mit dem Vorteil, dass Elektroniken, die zwischen den Cracks angeordnet sind praktisch dehnungsfrei bleiben, insbesondere sich allenfalls in der Ebene der Substratoberfläche zueinander versetzten.
Die Menge aller Inselbereiche kann weiterhin wenigstens eine Gruppe von Inselpaaren aufweisen, wobei die Crackrichtungen der Inselpaare innerhalb einer Gruppe parallel sind.
Bei Vorhandensein von mehr als einer Gruppe können jedoch die Crackrichtungen der Paare verschiedener Gruppen unterschiedlich sind.
Beispielsweise können drei Gruppen von Paaren von zugeordneten Inselbereichen vorgesehen sein und die Crackrichtungen verschiedener Gruppen zueinander unter jeweils 50 bis 70 Grad, bevorzugt 60 Grad orientiert sein. Hierdurch ergibt sich ein kontrolliertes Cracking in drei verschiedenen Richtungen (bevorzugt 0°, 60° und 120°, ggfs. mit jeweiligen leichten Abweichungen).
Eine bei allen möglichen Ausführungen bevorzugte Weiterbildung kann vorsehen, dass die Oberfläche des Substrates mit verschiedenen funktionalen Dünnschichten beschichtet wird, die einerseits elektronische Dünnschichtbauelemente bilden können gleichzeitig aber auch elektrische Verbindungen elektronischer Bauelemente zu komplexeren Schaltungen und Netzwerken bilden können.
Letztere elektronische Bauelemente können neben abgeschiedenen Dünnschichtbauelementen wie Dünnschichtsolarzellen, organischen Leucht-, oder Fotodioden auch klassische elektronische Bauelemente auf Basis kristalliner Halbleiter (Chips, Transistoren, LEDs, oder sogar komplette intergierte Schaltungen) sein.
Natürlich benötigen Leiterbahnen und elektronische Bauelemente Strukturierungen in typischerweise allen funktionalen Schichten. Diese Strukturierungen können durch Schattenmasken bei der Abscheidung der Schichten, durch Drucken, Laserstrukturierung, Lithographie oder andere Methoden realisiert werden.
Zusätzlich zu diesen für die elektronische Funktionalität notwendigen Strukturierungen können im Sinne der Erfindung Strukturierungen vorgenommen werden, die der Tatsache Rechnung tragen, dass Schichten, deren Aufreißen zu einem Ausfall oder einer Beeinträchtigung der Elektronik führen würde in der Regel nicht über die weicheren Inselbereiche selbst und auch nicht über die Bereiche zwischen einem Startort eines Cracks und dessen Endort laufen dürfen, damit die Elektronik zerstörungsfrei bleibt. Beide Bereiche müssen mit genügenden Abstand, typischerweise einiger zehn Mikrometer ausgespart werden. Diese Strukturierung wird im Rahmen dieser Beschreibung als crackstruktursensitive Strukturierung bezeichnet.
Liefe beispielsweise eine Leiterbahn ihrem Querschnitt nach vollständig durch den Bereich zwischen einem Startort und dem ihm zugeordneten Endort, so würde diese nach dem kontrollierten Cracking keine leitfähige Verbindung mehr bilden. Dieses gilt weitgehend unabhängig davon, ob das kontrollierte Cracking vor oder nach der Abscheidung und Strukturierung der Leiterbahn erfolgt. Entsprechend kann eine crackstruktursensitive Strukturierung durchgeführt werden.
Bei den ohnehin zu strukturierenden Schichten, wie z.B. den beschriebenen Leiterbahnen, ist es nicht nötig, die crackstruktursensitive Strukturierung gesondert zur funktionalen Strukturierung durchzuführen. Es können bei der Planung der Geometrien zur Strukturierung einfach die Bereiche auf dem Substrat berücksichtigt werden, die von den strukturierten Schichten nicht bedeckt werden dürfen. Die Strukturierung selbst kann dann mit einer der oben genannten Methoden erfolgen (Schattenmasken bei der Abscheidung der Schichten, durch Drucken, Laserstrukturierung, Lithographie oder andere). Die Ausrichtung zur crackstruktursensitiven Strukturierung kann z.B. bezüglich der oben beschriebenen mit der härtenden Behandlung ebenfalls erzeugten Positionierkreuze oder sonstiger Positioniermarkierungen erfolgen.
Die Erfindung kann auch vorsehen, die crackstruktursensitive Strukturierung in solchen Fällen vorzunehmen, wenn das entsprechende starre elektronische System auf einem starren Substrat ohne eine Strukturierung auskäme.
Hier wird beispielhaft die organische Leuchtdiode (OLED) als mögliche Anwendung der Erfindung diskutiert. OLEDs sind großflächige Leuchtquellen, die z.B. als Leuchtkacheln über große Leuchtflächen hinweg unstrukturiert sind (Strukturierung ist nur randseitig zur getrennten Kontaktierung der Elektroden notwendig). Diese großflächig homogene Lichterzeugung wäre gerade auch in dehnbarer Ausführung technisch interessant, da so echte 3D Lichtquellen möglich würden. Beleuchtungselemente können auf gekrümmte Oberflächen laminiert werden. Zu diesem Zweck darf die große, bevorzugt zusammenhängende OLED bei Dehnung nicht zerstört werden. Da der Schichtaufbau der OLED eine transparente untere Elektrode, einen Stack aus insbesondere nur geringfügig leitfähigen Injektions-, Transport- und Emitterschichten aus oxidischen und organischen Materialien und eine Topelektrode umfasst, besteht der typische Ausfallmechanismus beim Aufreißen einer OLED im Verbinden der beiden Elektroden (der äußeren Schichten), der zu einem Kurzschließen des gesamten Bauelementes führt.
Man könnte für jede einzelne Schicht der OLED eine crackstruktursensitive Strukturierung durchführen, die derart ausgeführt ist, dass die jeweils nächste Schicht immer einen etwas größeren Abstand zu den genannt kritischen Bereichen (weiche Inseln und kontrollierte Cracks) lässt als die unter ihr liegende Schicht, um sicherzustellen, dass keine der Schichten am Rand Kontakt zu einer anderen als ihrer bzw. ihren direkten Nachbarschicht(en) hat. Natürlich würde diese Methode der crackstruktursensitiven Strukturierung funktionieren, wäre aber mit enorm hohem technischem Aufwand verbunden. Insbesondere die oxidischen und organischen Schichten der OLED lassen sich mit herkömmlichen Methoden nur schwer strukturieren. Auf elastomeren Substraten ist eine solche Strukturierung besonders anspruchsvoll.
Um Kosten der Strukturierung zu mininieren kann es vorgesehen werden, die insbesondere wenig leitfähigen Schichten zwischen den Elektroden unstrukturiert zu belassen, sofern ihr Reißen für die OLED unschädlich bleibt. Um einen Kurzschluss der OLED zu vermeiden kann es auch vorgesehen sein, lediglich eine der Elektroden zu strukturieren. Um den Aufwand der crackstruktursensitive Strukturierung der dehnbaren OLED weiter zu minimieren, kann die Erfindung allgemein (auch bei anderen Anwendungen als OLED) vorsehen, eine Abscheidung einer Schicht genau um die auszuschließenden Bereiche (ein Umgebungsbereich um ein Inselpaar und um den sie verbindenden Crack) herum zu unterbinden. Diese Art der Abscheidung wird hier als selbstorganisierte crackstruktursensitive Strukturierung bezeichnet und im Folgenden kurz beschrieben.
Bei bestimmten Abscheidungen beispielsweise aus der Flüssigphase ist die Wachstumsrate stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Substrates abhängig.
Kürzlich wurde am Beispiel von Silber gezeigt, dass dessen Abscheiderate durch ELD (electroless deposition) aus der Flüssigphase sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit des Elastomers PDMS abhängig ist (A. Polywka, T. Jakob, L. Stegers, T. Riedl, and P. Görrn: „Facile preparation of highperformance elastically stretchable interconnects“ Adv. Mater. 27, 3755, 2015). Bei einem geeigneten Prozess scheidet sich das Material, z.B. Silber nur auf den hydrophilen gehärteten Bereichen des PDMS ab. Die im Zusammenhang mit dieser Erfindung beschriebenen weicheren Inselbereiche werden dabei nicht beschichtet. Es ist bestens bekannt, dass Cracking zu einer Wiederherstellung der hydrophoben Oberfläche führt. Deshalb ist zu beobachten, dass nach dem kontrollierten Cracking nicht nur auf den Inseln sondern auch in einiger Entfernung zu den Cracks keine Abscheidung von Silber stattfindet. Es wird vermutet, dass diese selbstorganisierte crackstruktursensitive Strukturierung auch auf andere Materialien und Abscheideverfahren übertragbar ist. Insofern kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, diese Art der Strukturierung für jegliches, zumindest für sich als geeignet erweisendes Material vorzunehmen.
Eine mit einem derartigen für die Oberflächenbeschaffenheit selektiven Verfahren nach dem kontrollierten Cracking abgeschiedene Elektrode oder sonstige funktionale Schicht wird also ohne weitere Kontrolle von außen, genau an den Stellen nicht abgeschieden, die für die spätere Dehnbarkeit auch nicht beschichtet werden sollten. Entsprechend wird bei einer Beschichtung nach der Crackbildung somit keine Maskierung benötigt.
Ein derart vorgefertigtes Substrat kann ebenso ein Vorprodukt bei der Herstellung dehnbarer Elektroniken darstellen.
Dabei werden unter einer Elektronik im Sinne der Erfindung nicht nur aktive Elektronikelemente, wie z.B. Transistoren oder Prozessoren verstanden, sondern auch passive, wie z.B. bei Solarzellen oder Leuchtdioden.
Ein solches Substrat kann jedoch auch in anderen Anwendungen Einsatz finden, in denen bei Zugbeanspruchung Cracks an genau definierten Stellen erzielt werden sollen. So wurden kürzlich Nanostrukturen bei Abscheidung verschiedener Materialien (Silber, Zinkoxid) mit sowohl chemischen als auch physikalischen Abscheidemethoden entdeckt, die unmittelbar an entstehende Cracks geknüpft sind. Bei Abscheidung auf gehärtetem Elastomer unter wiederholter eindimensionaler Ausdehnung und Entspannung entstehen nanoskalige brückenartige Gebilde über die Cracks hinweg. Die Nanokristallite können neue Impulse für elektronische Bauelemente geben, da die Position entstehender Cracks mit dem hier beschriebenen Verfahren kontrollierbar ist.
Weiterhin können die Cracks zur scharfkantigen Abgrenzung von Bereichen auf einem dehnbaren Substrat dienen. Dieses ist unter anderem zur Herstellung hochgeordneter Faltenstrukturen vielversprechend. Da sich die Falten dabei genau senkrecht zu den Cracks ausrichten, ermöglichen Sie eine Dehnbarkeit in Crackrichtung, also genau in der Richtung, in der die Cracks selbst nicht wirksam werden.
So kann die Erfindung vorsehen auf einem Substrat mit Hilfe von Inselpaaren mit nur einer Crackrichtung, die in eben dieser Crackrichtung hintereinander angeordnet sind, parallele Cracks zu erzeugen. Dehnt man dieses Substrat in dieser Crackrichtung vor, bevor man eine Schicht oder mehrere Schichten oder ein ganzes Dünnschichtbauelement abscheidet und erfolgt sodann die Abscheidung der wenigstens einen Schicht auf die gecrackte Oberfläche unter der Wirkung der in Crackrichtung an das Substrat angelegten Zugspannung, so wird durch Relaxation des Substrates nach der Abscheidung eine Faltenstruktur oder Wellenstruktur in der wenigstens einen abgeschiedenen Schicht gebildet. Nach Entspannung ist die wenigstens eine Schicht oder das Bauelement in beliebige Richtungen ausdehnbar. In Crackrichtung wird dies durch die sich glättenden Faltenstrukturen erreicht. In dazu senkrechter Richtung übernehmen dies die sich öffnenden Cracks.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Die 1 zeigt eine Härtungsmaske, die definiert, welche Bereiche des dehnbaren Substrates gehärtet werden sollen. Bei einer unter Anwendung der Maske strukturierten Härtung des Filmes entsteht somit ein gehärteter zusammenhängender Flächenbereich, entsprechend dem Maskenbereich M1, in welchem mehrere diskrete Inselbereiche, entsprechend den Maskierungsbereichen M2 angeordnet sind, welche keine Härtung erfahren haben, also nach der Härtung weicher sind als der Bereich M1.
Sofern als härtender Prozess eine Bestrahlung mit UV-Licht gewählt wird, kann die Härtungsmaske beispielhaft als UV-Belichtungsmaske ausgeführt sein, durch welche hindurch das dehnbare Substrat mit UV-Licht von z.B. 170 nm beleuchtet werden kann. Die hier dunkel dargestellten Bereiche M2 sind undurchlässig für das UV-Licht, beispielsweise aufgrund einer metallischen Beschichtung, z.B. durch Chrom. In den Bereichen M2 wird also kein UV-Licht zum Substrat dringen, welches infolge dessen nicht gehärtet wird. In den hell dargestellten Bereichen M1 ist die Maske durchlässig für UV-Licht. Dieses wird also hier auf die Substratoberfläche treffen.
In dem Strukturbeispiel in 1 ist erkennbar, dass die Maskierungsbereiche M2 eine mögliche Ausgestaltung der oben beschriebenen Inselbereiche bzw. von Inselpaaren definieren, wobei letztere genau zwei weichere Inselbereiche aufweisen, die jeweils aus einem Inselbereich mit genau einer, einen Crack-Startort definierenden Spitze und einem, einen Crackendort vorgebenden Inselbereich bestehen. Die Struktur, die die einander zugeordneten Inselbereiche eines einzelnen Inselpaares erzeugt, ist im unteren Teil der 1 vergrößert dargestellt.
Die 2 verdeutlicht diese Inselpaare 3. 2 zeigt nämlich ein erfindungsgemäßes Substrat S nach Härtung unter Anwendung der Maske aus 1. Hierdurch entstehen die Inselpaare 3, die im unteren Bereich vergrößert dargestellt sind. Die linke Insel besitzt eine einen Crackstartort definierende Spitze 1, die in Richtung +x weist. In dieser Crackrichtung des Paares weist der Startort auf die zweite Insel, deren linker, dem Crackstartort zugewandter abgerundeter Bereich 2 den Crackendort darstellt.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat S nach der Härtung gemäß 2, nachdem an dieses gehärtete Substrat S bereits eine Zugspannung in Richtung des Pfeiles 4 (realisiert durch gleichgroße Kräfte in Richtung +y und - y) angelegt wurde oder in einer geringfügig abweichenden Richtung. Hierdurch sind Cracks 5 entstanden, die sich zwischen den zugeordneten Inselbereichen 3 erstrecken.
4 zeigt eine Beschichtung des Substrates gemäß der 2 oder der 3 also vor oder nach dem kontrollierten Cracking mit einer gegen unkontrolliertes Cracking zu schützenden hier schwarz dargestellten Dünnschicht, z.B. einem Metall oder Halbleiter oder Dielektrikum. Die Beschichtung liegt derart vor, dass in einem Umgebungsbereich um die Inselbereiche 3 und die Cracks 5 herum keine Schicht vorhanden ist. Die Positionierung dieses von der Schicht freien Bereiches 6 ist im unteren Teil des Bildes visualisiert. Inselbereich 3 und Crack 5 sind dabei durch Karo- bzw. Strichmuster visualisiert. Die Realisierung des von der Schicht freien Bereiches 6 wird als crackstruktursensitive Strukturierung bezeichnet. Dies kann durch klassische Strukturierung (Schattenmasken bei der Abscheidung der Schicht, Drucken, Laserstrukturierung, Lithographie oder andere Methoden) erfolgen oder durch die beschriebene selbstorganisierte crackstruktursensitive Strukturierung.
Der in der 4 dunkel dargestellte zusammenhängende Flächenbereich der zu schützenden Dünnschicht kann mit Elektronik-Strukturen, z.B. in Dünnschichttechnologie weiter beschichtet sein und bleibt bei späterer Dehnung des Substrates crackfrei und damit schadenfrei.
Innerhalb eines solchen zusammenhängenden Elektrodenbereiches können vereinzelt angeordnete Elektronikbereiche auch problemlos untereinander verbunden werden.
In den 1 bis 4 kamen nur Inselpaare einheitlicher Crackrichtung (x) zum Einsatz. Entsprechend ist die so erzeugte Dünnschicht (4) bzw. die auf Basis dieser Cracks erzeugte Elektronik nur in Richtung y dehnbar.
Bild 5 zeigt eine Struktur einer Härtungsmaske (vgl. 1), die zur Bildung von Inselpaaren mit zwei senkrecht zueinander stehenden Crackrichtungen führt. Typische Werte für d₁ liegen bei 20... 50µm, d₂ ist üblicherweise etwa 1,1 d₁ ...1,4 d₁, a_x liegen üblicherweise zwischen 50... 150µm. Der Abstand der Cracks ist maßgeblich entscheidend für die konzipierte Maximalausdehnung. Je stärker ein Substrat in eine Richtung dehnbar sein soll (je höher die konzipierten Maximalausdehnung), desto kleiner muss der Abstand der zu dieser Richtung senkrechten Cracks sein, bzw. desto höher ist die benötigte Dichte an kontrollierten Cracks. Bei erwartet isotroper mechanischer Beanspruchung ist a_y gleich oder zumindest ähnlich groß wie a_x zu wählen.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat nach Härtung unter Anwendung der Maske aus 5 und nach Ausdehnung des Substrates in Richtung y (realisiert durch gleichgroße Kräfte in Richtung +y und -y, vergleiche Dehnung in 3). Nur diejenigen Inselpaare mit der dazu senkrechten Crackrichtung x wurden dabei kontrolliert gecrackt.
7 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat nach 6 und nach anschließender Ausdehnung des Substrates in Richtung x (realisiert durch gleichgroße Kräfte in Richtung +x und -x). Nach dieser zweiten Ausdehnung sind auch diejenigen Inselpaare mit der dazu senkrechten Crackrichtung y kontrolliert gecrackt. Das kontrollierte Cracking ist damit abgeschlossen.
Das Substrat bzw. die gehärtete Oberfläche sowie später erfindungsgemäß aufgebrachte Schichtungen und Anordnung sind, insbesondere bis zur konzipierten Maximalausdehnung, in beliebige Richtungen dehnbar. Die gehärtete Oberfläche bleibt hier zusammenhängend, insbesondere da jeder Ort auf dem Substrat mit einem anderen Ort verbunden werden kann. Bevorzugt gibt es nach Abschluss des kontrollierten Crackings keine ungecrackten Spitzen oder nicht in den Endort gelaufene Crackspitzen mehr.
8 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Substrates nach Abschluss des kontrollierten Crackings, welches 3 Paare von einander zugeordneten Inselbereichen aufweist, deren Crackrichtungen um 60° verschieden sind.
9 zeigt die Struktur einer Härtungsmaske (vgl. 1), die zur Bildung von Crackstartorten und Crackendorten mit senkrecht zueinander stehenden Crackrichtungen führt. Anders als bei den Bildern 1-8 ist hier nicht die Variante der Inselpaare ausgeführt, sondern hier gibt ein kreisrunder Inselbereich 3a 4 Crackendorte vor, wobei der Inselbereich 3a jeweils 4 Inselbereichen 3b mit je einer, einen Crackstartort definierenden Spitze zugeordnet ist. Analog sind auch ungepaarte Zuordnungen möglich bei der Inselbereiche mehrere Crackstartorte (Spitzen) aufweisen (siehe auch Beispiel unten in 11). Auch können Inseln gleichzeitig mehrere Crackstartorte definieren und mehrere Crackendorte vorgeben.
10 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat nach Härtung unter Anwendung der Maske aus 9 und nach Abschluss des kontrollierten Crackings, welches eine Ausdehnung in Richtung x (realisiert durch gleichgroße Kräfte in Richtung +x und -x) und in Richtung y (realisiert durch gleichgroße Kräfte in Richtung +y und -y) beinhaltet, die nacheinander oder gleichzeitig erfolgt sein können.
11 zeigt Beispiele möglicher Ausgestaltungen von Spitzen zur Herstellung der Crackstartorte. Entscheidend ist eine in Crackrichtung (+x) im Querschnitt enger werdende, zulaufende Struktur. Wird beispielsweise (erste Zeile) die ursprüngliche Breite da auf eine Linie der kleineren Breite d_min überführt, so sollte d_min für eine wirksame Spitze wesentlich kleiner sein als da, insbesondere kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 10%, weiter bevorzugt kleiner als 5% Entsprechend würde sich von d_min,1 zu d_min,3 hin eine spitzere und damit bevorzugte Struktur ergeben.
Gleiches gilt für einen Krümmungsradius r_min an der Spitze (2. Zeile). Er muss bevorzugt mit kleiner 20%, weiter bevorzugt kleiner 10% und besonders bevorzugt kleiner 5% wesentlich kleiner sein als der sonstige Radius der jeweiligen Insel r₀, der als solcher nicht zum Crackstart führen würde und entsprechend beispielsweise als Crackendort nutzbar wäre. Entsprechend würde sich von r_min,1 zu r_min,3 hin eine spitzere und damit bevorzugte Struktur ergeben.
Bei einem zulaufenden Winkel (3. Zeile) ist der kleinere (spitzere) Winkel zu bevorzugen. Entsprechend würde sich von α₁ zu α₃ hin eine spitzere und damit bevorzugte Struktur ergeben. Winkel und Radien an der Spitze sind kombinierbar (4. Zeile). Die Verjüngungen zur eigentlichen Spitze hin können verschiedene Krümmungen aufweisen (5. Zeile), dabei kann auch von der Spiegelsymmetrie abgesehen werden (5. Zeile, Mitte). Unten in 11 ist gezeigt, wie verschiedene Crackstartorte an einem Inselbereich außenseitig angeordnet werden können.
12 zeigt die mikroskopische Aufnahme eines Substrates nach kontrolliertem Cracking und Abscheidung einer Goldschicht. In diesem Beispiel sind Inseln mit jeweils einem Crackstartort und einem Crackendort mit einheitlicher Crackrichtung y direkt aneinander gereiht worden, wodurch sich hier abweichend von der bevorzugten Ausführung der Erfindung eine nicht zusammenhängende gehärtete Schicht ergibt. Gleiches gilt für die anschließend abgeschiedene Goldschicht. Stromfluss ist in dieser Schicht hier also nur in Richtung y möglich. Da die Goldschicht unter Vorspannung in y aufgedampft wurde, sind hier nach Entspannung Falten erzeugt worden, die senkrecht auf den Cracks (im Bild von oben nach unten verlaufend, oben 12, unten 4 Cracks) stehen. Durch die Cracks sind die Falten hochgeordnet und bewirken gemeinsam mit den Cracks eine Dehnbarkeit in beliebige Richtungen.
13 zeigt die beschriebenen kürzlich entdeckten Nanostrukturen bei Abscheidung auf gehärtetem Elastomer unter wiederholter eindimensionaler Ausdehnung und Entspannung. Im Bild sind durch ELD abgeschiedene Silberbrücken zu sehen, die links und rechts des Cracks leitfähig mit den durch den Crack elektrisch getrennten Silberelektroden verbunden sind. Ähnliche Strukturen konnten auch bereits mit ZnO hergestellt werden. Sie könnten als bereits kontaktierte Kanäle (in Source und Drain) in einer neuen Art von Dünnschichttransistoren mit nanoskaligem halbleitendem Kanal Anwendung finden und setzen dabei aber die genaue technologische Kontrolle der Position entstehender Cracks voraus, die Gegenstand dieser Erfindung ist.

Claims

Substrat (S), insbesondere als Unterlage für den Aufbau einer dehnbaren Elektronik, umfassend ein dehnbares Material, dessen Oberfläche wenigstens einen härteren Flächenbereich (S1), insbesondere wenigstens einen zusammenhängenden härteren Flächenbereich (S1) aufweist, in welchem weichere Inselbereiche (S2, 3) angeordnet sind, die jeweils allseitig von härterem Flächenbereich (S1) umgeben sind, wobei wenigstens ein Teil dieser weicheren Inselbereiche (S2, 3) jeweils eine oder mehrere Spitzen (1) aufweist, wobei durch eine jeweilige Spitze (1) der Startort (1) eines bei Substratdehnung erzeugbaren Cracks (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im härteren Flächenbereich (S1) wenigstens ein sich von einer Spitze (1) eines der weicheren Inselbereiche (S2, 3) wegerstreckender Crack (5) ausgebildet ist.
Substrat (S) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Spitzen (1) von weicheren Inselbereichen (S2, 3) in die Verbindungsrichtung zu jeweils einem benachbarten weicheren Inselbereich (S2, 3) weisen.
Substrat (S) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer der benachbarten weicheren Inselbereiche (S2, 3), insbesondere durch den ein Endort (2) eines Cracks (5) vorgegeben ist, a. selbst keine Spitze aufweist oder b. eine zu der Verbindungsrichtung entgegengesetzte Spitze (1) aufweist und/oder c. wenigstens eine Spitze (1) in eine andere Verbindungsrichtung zu einem anderen der weicheren Inselbereiche (S2, 3) aufweist.
Substrat (S) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Crack (5) im härteren Flächenbereich (S1), insbesondere auch in wenigstens einer darauf abgeschiedenen Schicht einer Elektronik, zwischen zwei benachbarten der weicheren Inselbereiche (S2, 3) ausgebildet ist, von denen zumindest ein weicherer Inselbereich (S2, 3) eine in die Verbindungsrichtung zum anderen weicheren Inselbereich (S2, 3) weisende Spitze (1) aufweist.
Substrat (S) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils genau zwei der weicheren Inselbereiche (S2, 3) ein Inselpaar (3) bilden, das aus einem der weicheren Inselbereiche (S2, 3) mit einer einzigen, einen Crack-Startort (1) bildenden Spitze (1) und einem der weicheren Inselbereiche (S2, 3) besteht, durch den ein Crack-Endort (2) gebildet oder zumindest vorgegeben ist, wobei der Crack-Endort (2) in der Crackrichtung des Crack-Startortes (1) liegt.
Substrat (S) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mehreren Inselpaaren (3) in wenigstens einer Richtung, insbesondere in jeder Richtung ein Versatz liegt, insbesondere wodurch ein anfänglich zusammenhängender härterer Flächenbereich (S1) auch nach Crackerzeugung zusammenhängend ist.
Substrat (S) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Oberfläche mit einer oder mehreren, insbesondere funktionalen Schichten, insbesondere Dünnschichten beschichtet ist, insbesondere worauf Elektronikkomponenten oder Elektronikstrukturen realisierbar sind, wobei ein jeweiliger Umgebungsbereich um die weicheren Inselbereiche (S2, 3) und um die Verbindungslinien oder um bereits erzeugte Cracks (5) zwischen den Crack-Startorten (1) und zugehörigen Crack-Endorten (2) benachbarter weicherer Inselbereiche (S2, 3), insbesondere von Inselpaaren (3), beschichtungsfrei ist.
Substrat (S) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der weicheren Inselbereiche (S2, 3), der wenigstens einen Crack-Startort (1) umfasst, eine Fläche bildet, die sich in wenigstens eine Crackrichtung in ihrer Form verjüngt unter Ausbildung einer in der Verjüngungsrichtung liegenden, den wenigstens einen Crack-Startort (1) bildenden Spitze (1), insbesondere eine Form aufweist, die a. einer Tropfenform gleicht oder ähnelt oder b. einer Kreisfläche entspricht, von deren äußeren Umfang sich wenigstens eine Spitze in radialer Richtung wegerstreckt oder c. einer geometrischen mehreckigen Grundform entspricht, insbesondere einem Dreieck oder Viereck oder d. einer Karo-Form entspricht.
Substrat (S) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusammenhängenden härteren Flächenbereich (S1) der Youngsche Modul des Oberflächenmaterials um mindestens den Faktor 10 größer ist als in einem der weicheren Inselbereiche (S2, 3).
Verfahren zur Herstellung eines Substrates (S), insbesondere als Unterlage für den Aufbau einer dehnbaren Elektronik, bei dem auf ein dehnbares Material durch eine Maske (M1, M2) hindurch eine die Oberfläche härtende Behandlung angewendet wird, wobei durch die Maske (M1, M2) Inselbereiche (S2, 3) von der Behandlung ausmaskiert werden, so dass durch die Behandlung wenigstens ein bevorzugt zusammenhängender gehärteter Flächenbereich (S1) ausgebildet wird, in welchem weichere, ungehärtete Inselbereiche (S2, 3) angeordnet sind, die jeweils von dem härteren, gehärteten Flächenbereich (S1) allseitig umgeben sind und wobei wenigstens ein Teil dieser weicheren Inselbereiche (S2, 3) durch die Form der Ausmaskierung jeweils eine oder mehrere Spitzen (1) aufweist, wobei durch eine jeweilige Spitze (1) eines solchen weicheren Inselbereichs (S2, 3) der Startort (1) eines bei Substratdehnung erzeugten Cracks (5) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die härtende Behandlung gebildet wird durch a. Beleuchtung der Oberfläche mit ultravioletter Strahlung oder b. Einwirkung von Ozon auf die Oberfläche oder c. Einwirkung von Plasma auf die Oberfläche oder d. chemische Reaktion von Molekülen der Oberfläche mit Reaktionspartnern oder e. Beschuss der Oberfläche mit Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen oder f. Beleuchtung der Oberfläche mit Röntgen-, Gamma- oder sonstiger ionisierender Strahlung.
Verfahren zur Herstellung eines Substrates (S), insbesondere als Unterlage für den Aufbau einer dehnbaren Elektronik, bei dem auf ein dehnbares Material mit einer vorgegebenen Härte eine Schicht aus einem härteren Material abgeschieden und strukturiert, insbesondere fotolithografisch strukturiert wird, wobei durch die Strukturierung Inselbereiche (S2, 3) gebildet werden, in welchen das dehnbare Material unbeschichtet bleibt und die unbeschichteten Bereiche gegenüber der abgeschiedenen Schicht weichere Inselbereiche (S2, 3) bilden, die jeweils von einem härteren Flächenbereich (S1) der abgeschiedenen Schicht allseitig umgeben sind, wobei wenigstens ein Teil dieser weicheren Inselbereiche (S2, 3) durch die Strukturierung jeweils eine oder mehrere Spitzen (1) aufweist und durch eine jeweilige Spitze (1) eines solchen weicheren Inselbereichs (S2, 3) der Startort (1) eines bei Substratdehnung erzeugten Cracks (5) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anlegen einer Zugspannung an das Substrat (S) in wenigstens einer Zugrichtung im härteren Flächenbereich (S1), insbesondere auch in wenigstens einer darauf abgeschiedenen Schicht Cracks (5) in einer zur Zugrichtung senkrechten Crackrichtung erzeugt werden, wobei die jeweiligen Cracks (5) ausgehen von einer einen jeweiligen Crack-Startort (1) bildenden Spitze (1) eines der weicheren Inselbereiche (S2, 3), insbesondere die in Crackrichtung weist, und insbesondere wobei die Cracks (5) sich in der Crackrichtung ausbreiten und enden, indem diese hineinreichen in a. einen in Crackrichtung liegenden der weicheren Inselbereiche (S2, 3), der einen Crack-Endort (2) bildet oder b. einen anderen Crack (5), insbesondere einen quer zur Crackrichtung verlaufenden, bereits bestehenden Crack (5) oder c. eine Grenze des für die Elektronik genutzten härteren Flächenbereiches (S1).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anlegen einer Zugspannung in wenigstens einer Richtung an das Substrat (S) erfolgt, bis dass von jeder einen Crack-Startort (1) definierenden Spitze (1) der weicheren Inselbereiche (S2, 3) ein Crack (5) ausgeht und dieser Crack (5) endet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erzeugung von Cracks (5) wenigstens eine Schicht auf die gecrackte Oberfläche des Substrates (S) abgeschieden wird, welche eine Grundlage oder einen Teil einer auf dem Substrat (S) aufzubauenden Elektronik bildet, insbesondere wobei eine Umgebung um die weicheren Inselbereiche (S2, 3) und erzeugte Cracks (5) beschichtungsfrei bleibt, insbesondere durch Strukturierung oder Selbstorganisation der Abscheidung.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht auf die gecrackte Oberfläche, insbesondere die in nur einer Crackrichtung gecrackte Oberfläche bei einer in Crackrichtung an das Substrat (S) angelegten Zugspannung abgeschieden wird, insbesondere wobei durch Relaxation des Substrates (S) nach der Abscheidung eine Faltenstruktur oder Wellenstruktur in der wenigstens einen abgeschiedenen Schicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugspannung während der Abscheidung geändert wird, insbesondere zeitlich wiederholend geändert wird zwischen einem maximalen Zugspannungswert und einem minimalen Zugspannungswert oder Null.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Menge aller einen Crack-Startort (1) bildenden Spitzen (1) von weicheren Inselbereichen (S2, 3) und die Richtungen von den Spitzen (1) auf dem Substrat (S) n verschiedene Crackrichtungen definiert werden mit n>=2, insbesondere wobei sich die Crackrichtungen um 180°/n unterscheiden, und das Substrat (S) senkrecht zu den definierten Crackrichtungen für alle Crackrichtungen gleichzeitig oder für jede Crackrichtung separat und nacheinander gedehnt wird.