DE102016105796A1 - Verfahren zur Abscheidung von Mikrostrukturen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Mikrostrukturen (355) auf ein Substrat (120) mittels einer Transfermaske (200). Dazu wird in einem ersten Prozessschritt ein ganzflächig auf der Transfermaske (200) aufgebrachtes Material (150) partiell durch einen ersten Energieeintrag (160) entfernt (253). In einem zweiten Prozessschritt wird das auf der Transfermaske (200) verbliebene Material (255) auf ein Substrat (120) durch einen zweiten Energieeintrag (360) übertragen (355).
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Bedampfung von Substraten für die Herstellung von Strukturen mit einer minimalen Breite unterhalb hundert Mikrometer im Vakuum. Anwendung findet dieses Verfahren bei der Herstellung von organischen Halbleiterbauelementen wie z.B. organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Transistoren für den Einsatz in OLED-Mikrodisplays, OLED-Fernseher oder auch organische Dünnschichtelektronik.
- Für das Verfahren werden Transfermasken zur Übertragung von Strukturen auf ein Substrat verwendet. Aus der
WO 2011 032 938 A1 ist ein Verfahren zur lokalen Bedampfung eines Substrats mittels einer Transfermaske bekannt. In diesem Verfahren wird eine Transfermaske verwendet, um eine lokale Verdampfung von organischem Beschichtungsmaterial von der Maske auf das Substrat vorzunehmen. Hier erfolgt die Ausbildung der Strukturen auf dem Substrat durch ein additives, d.h. Material hinzufügendes Verfahren. Zur lokalen Bedampfung wird das Beschichtungsmaterial zuerst ganzflächig auf der Transfermaske abgeschieden, anschließend jedoch nur an den gewünschten Orten verdampft. Dazu weist die Transfermaske lichtreflektierende oder lichtabsorbierende Bereiche oder beides in einer erforderlichen Struktur auf. Ist die Transfermaske über oder auf dem Substrat positioniert, so erfolgt ein Energieeintrag durch Lichtstrahlung und damit eine Verdampfung nur in den Bereichen, in denen das Beschichtungsmaterial ausreichend Energie aufnimmt, um zu verdampfen. Aufgrund der bei diesem Verfahren abzuscheidenden Schichtdicken im Bereich von zehn bis einige 100 Nanometer ist ein impulsartiger Energieeintrag, z.B. durch eine Blitzlampe, für die Verdampfung organischer Materialien ausreichend. -
1 zeigt einen Querschnitt für eine Anordnung (100 ) mit einem typischen Aufbau einer Transfermaske, welche hinsichtlich des Volumens hauptsächlich aus einem für Licht transparenten Trägermaterial (110 ) wie Quarzglas besteht. Auf das Trägermaterial (110 ) wird ein lichtreflektierendes Material (130 ) – im Folgenden Reflektor genannt – wie Aluminium zunächst ganzflächig aufgebracht. Eine bevorzugte Beschichtungsmethode ist dabei das Magnetron-Sputtern aufgrund der damit erreichbaren hohen Haftfestigkeit und Dichte von Filmen. Anschließend wird der Reflektor mittels Fotolithographie und einem Ätzschritt mikrostrukturiert gemäß gängiger Prozessschritte der Halbleitertechnologie. Auf den mikrostrukturierten Reflektor wird ganzflächig ein lichtabsorbierendes Material (140 ) – im Folgenden Absorber genannt – wie Chromnitrid abgeschieden. Auch hier wird ein Magnetron-Sputterprozess zur Abscheidung des Absorbers bevorzugt. Typische Schichtdicken von Reflektor oder Absorber sind 50 bis 300 Nanometer. Mit dem zuletzt genannten Prozessschritt ist die Herstellung der Transfermaske komplett und kann für das Verfahren zur Mikrostrukturierung verwendet werden. - Für das Verfahren zur Mikrostrukturierung wie in
1 dargestellt (Stand der Technik) wird nun die lokal zu transferierende Schicht (150 ), z.B. ein organisches Material wie Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) ganzflächig auf den Absorber mittels eines konventionellen, thermischen Aufdampfverfahrens im Vakuum aufgebracht. Typische Schichtdicken des partiell zu transferierenden Materials (150 ) sind zehn bis wenige hundert Nanometer. Wird nun die Rückseite der Transfermaske mit gepulstem Licht hoher Intensität (160 ), z.B. Licht einer Blitzlampe oder eines Lasers beleuchtet, so erwärmt sich der Absorber (140 ) im Wesentlichen nur im Bereich (145 ) innerhalb von Mikrosekunden bis wenige Millisekunden so stark, dass das organische Material (150 ) in dem Bereich des Absorbers (145 ) verdampft. Das verdampfte organische Material kondensiert (155 ) auf einem Substrat (120 ), welches in einem lichten Abstand d1 auf der Frontseite der Transfermaske angebracht ist. Im Bereich des Reflektors (130 ) hingegen wird das Licht (160 ) überwiegend reflektiert und führt somit nur zu einer sehr geringen Erwärmung des darauf abgeschiedenen organischen Materials bzw. die Temperatur bleibt deutlich unter der Verdampfungstemperatur des organischen Materials. Der Abstand d1 zwischen Transfermaske und dem Substrat beträgt typischerweise null bis in etwa 100 Mikrometer und kann durch auf dem Substrat oder der Transfermaske aufgebrachte Abstandshalter (nicht skizziert) eingestellt werden. - Der Abstandshalter kann beispielsweise zylinderförmig sein, einen Durchmesser von einem Millimeter bei einer Höhe von einem Mikrometer haben zur Einstellung eines Abstands d1 von einem Mikrometer. In diesem Fall kann der Abstandshalter zum Beispiel durch Abscheidung von Siliziumdioxid aus der Dampfphase im Vakuum mittels einer Lochmaske auf der Transfermaske hergestellt werden.
- Das Substrat (
120 ) ist beispielsweise ein Wafer aus Silizium mit integrierten Transistoren oder eine Glasplatte mit elektrischen Leiterbahnen zur Ansteuerung des Displays. - Zwischen dem Material (
150 ) und dem Absorber (140 ) kann eine Schutzschicht (nicht skizziert), z.B. aus Siliziumdioxid zur Vermeidung von chemischen Reaktionen aufgebracht sein. Es können auch Absorber (140 ) und Reflektor (130 ) miteinander vertauscht sein. Zusätzliche Schichten zur Optimierung der Transfermaske können eingebracht sein wie sie beispielsweise inDE 10 2011 082 956 B4 oderDE 10 2013 108 315 A1 beschrieben sind. - In verschiedenen Veröffentlichungen wurde gezeigt, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren funktionstüchtige OLED-Displays sowie organische Transistoren hergestellt werden können, z.B. Herold, R., Zakhidov, A., Vogel, U., Richter, B., Fehse, K. and Burghart, M. (2013), "Sub-pixel Structured OLED Microdisplay" (SID Symposium Digest of Technical Papers, 44: 330–333).
- Auf den Seiten 88 ff der Dissertation von Burghart, M. „Herstellung von organischen mikroelektronischen Bauelementen mittels Flash-Mask-Transfer-Lithografie" (Technische Universität Dresden, 2015) wird allerdings von Hohlräumen in den abgeschiedenen Schichten (
155 ) des in1 beschriebenen Verfahrens berichtet. Die Hohlräume und die aus dem Verfahren resultierende relativ große Oberflächenrauigkeit der abgeschiedenen Schicht (155 ) führen zu einer Verringerung der Stromeffizienz sowie zu einer geringeren Lebensdauer der hergestellten OLEDs bzw. Transistoren im Vergleich zu mit konventionellen Aufdampfverfahren hergestellten Bauelemente. Die Verdampfung von organischem Material aus beheizten Tiegeln im Vakuum gehört zu den konventionellen Verfahren. - In thermischen Simulationen, welche mit Monte-Carlo Simulationen verknüpft wurden hat sich folgendes herausgestellt: Aufgrund der Wärmeleitung zwischen lichtabsorbierenden und lichtreflektierenden Bereichen muss die Erwärmung des Absorbers und damit die Verdampfung des organischen Materials rasch erfolgen. Beispielsweise wird eine Belichtungszeit der Transfermaske von unter 100 Mikrosekunden benötigt, um Strukturen (
155 ) mit einer Größe von kleiner als 10 Mikrometern auf dem Substrat abscheiden zu können. Prinzipiell gilt für einen bestimmten Parameterbereich, dass bei einer kürzeren Belichtungszeit kleinere Strukturen, d.h. weniger Breite Bereiche (145 ) hergestellt werden können. Die daraus resultierenden Aufdampfraten sind daher um den Faktor von ungefähr 5E + 6 höher im Vergleich zu Aufdampfraten konventioneller Verfahren. Im Volumen, welches sich aus dem Abstand d1 plus der Dicke des Reflektors (130 ), der Breite von (145 ) und einer angenommenen Tiefe x senkrecht zur Blattebene in1 ergibt, bildet sich während des Verdampfungsprozesses gemäß des idealen Gasgesetzes ein mehrere Atmosphären hoher Druck aus, sodass es zu vielen Stoßprozesses zwischen den Molekülen in der Dampfphase kommt und eine anschließende Kondensation auf dem Substrat nicht ungestört abläuft bzw. zu Hohlräumen oder Vergrößerung der Oberflächenrauigkeit von (155 ) führt. - Ziel der Erfindung ist es die Hohlräume sowie große Oberflächenrauigkeiten in der abgeschiedenen Schicht (
155 ) zu verhindern bzw. Stromeffizienzen und Lebensdauern bei OLEDs bzw. Transistoren zu erzielen wie sie mit konventionellen Aufdampfverfahren erreicht werden. - Gemäß der Erfindung wird auf der Transfermaske (
200 ) der Lichtabsorber (240 ) strukturiert und darauf der Lichtreflektor (230 ) abgeschieden wie in2 skizziert. Folglich sind Absorber und Reflektor miteinander vertauscht im Vergleich zu1 . In einem ersten Prozessschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das organische Material (150 ) an den Stellen (245 ) mittels einer gepulsten Lichtquelle hoher Intensität (160 ), z.B. mit einer Blitzlampe verdampft wie dies bereits in1 (Stand der Technik) beschrieben wurde. Allerdings kondensiert das verdampfte Material (253 ) nicht auf einem Substrat, sondern wird verworfen bzw. auf einer Oberfläche mit großem Abstand zur Transfermaske (200 ) aufgefangen und in einem separaten, nicht skizzierten Prozess der Wiederverwendung zugeführt. Nach dem ersten Prozessschritt bleibt daher nur das organische Material im Bereich (255 ) auf der Oberfläche der Transfermaske (200 ) übrig. - In
3 ist der eigentliche Transferprozess als zweiter Prozessschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Anstelle eines gepulsten Lichteinfalls mit hoher Intensität (160 ) wird die Transfermaske (200 ) zeitlich gesehen um mehrere Größenordnungen längerer belichtet, z.B. zwischen 0,1 bis 10 Sekunden bei einer wesentlich geringeren Lichtintensität einer zweiten Quelle (360 ) bis die Temperatur zur Verdampfung des organischen Materials (255 ) erreicht ist. Die Quelle (360 ) kann eine Halogenlampe oder eine kontinuierlich betriebene Gasentladungslampe, wahlweise in Kombination mit einer mechanisch betriebenen Blende sein. Es ist auch möglich eine Blitzlampe als kontinuierlich leuchtende Gasentladungslampe mit geringer Lichtintensität zu betreiben. Aufgrund der Wärmeleitung wird nun die gesamte Oberfläche der Transfermaske (200 ), also sowohl alle Bereiche des Reflektors, als auch alle Bereiche des Absorbers nahezu gleichmäßig erwärmt, sodass in den Bereichen (335 ) das im ersten Prozessschritt übrig gebliebene organische Material verdampft und auf dem Substrat (120 ) im Bereich (355 ) kondensiert. Der Verdampfungsprozess im zweiten Prozessschritt zur Übertragung des organischen Materials auf das Substrat ist um etwa drei bis fünf Größenordnungen langsamer im Vergleich zum ersten Prozessschritt bzw. zum Stand der Technik. Somit sind auch die Anzahl der gleichzeitig in der Dampfphase befindlichen Moleküle und die Stoßwahrscheinlichkeit der Moleküle untereinander wesentlich geringer. Die Bildung von Hohlräumen in der abgeschiedenen Schicht (355 ) und die einhergehende Erhöhung der Oberflächenrauigkeit werden vermieden. - Um eine übermäßige Erwärmung des Substrats (
120 ) zu unterbinden muss der lichte Abstand d2 größer als null sein, aber typischerweise nicht größer als 100 Mikrometer analog zu d1. Aufgrund des Abstands d2 gibt es keine Wärmeleitung von der Transfermaske (200 ) zum Substrat, da alle Prozess im Vakuum stattfinden. Die Wärmestrahlung ist aufgrund der geringen Temperatur bei der Verdampfung von organischen Materialien vernachlässigbar. - Die für den lichten Abstand d2 erforderlichen und zuvor beschriebenen Abstandshalter können gegebenenfalls durch relativ große Abstände auf der beschichteten Seite der Transfermaske (
200 ) zu lichtabsorbierenden Bereichen, z.B. ein bis mehrere Millimeter vor einer zu starken Erwärmung geschützt werden. Damit wird eine übermäßige Erhitzung des Substrats durch Wärmeleitung über die Abstandshalter verhindert. Dies ist insbesondere wichtig, wenn bereits weitere organische Schichten auf dem Substrat vorhanden sind. - Idealerweise ist die Differenz der Absorptionsgrade hinsichtlich der eingebrachten Lichtenergie zwischen dem Reflektor (
230 ) und dem Absorber (240 ) möglichst groß für den in2 beschriebenen ersten Prozessschritt für eine minimale Strukturgröße und möglichst klein oder bevorzugt negativ für den zweiten, in3 beschriebenen Prozessschritt zur Erwärmung der Bereiche (335 ). Dies kann durch geeignete Auswahl der Materialien für Reflektor (230 ) und Absorber (240 ) in Kombination mit geeigneter Auswahl der Energiequellen (160 ) und (360 ) erfolgen. Beispielsweise wird als erste Energiequelle (160 ) eine Blitzlampe gewählt, deren maximale Lichtemission bei einer Wellenlänge von ungefähr 450 nm liegt und eine Halogenlampe, deren maximale Lichtemission bei ungefähr 900 nm Wellenlänge liegt. Titannitrid hat einen Absorptionsgrad von ca. 80 % bei einer Wellenlänge von 450 nm und einen Absorptionsgrad von ca. 20 % bei einer Wellenlänge von 900 nm und ist daher als Absorber (240 ) gut geeignet. Als Reflektor (230 ) zeichnet sich Aluminium hinsichtlich der optischen Eigenschaften aus, da es einen Absorptionsgrad von unter 8% bei 450nm hat, der bei 900 nm auf über 12 % ansteigt. - Verfahren zur Abscheidung von Mikrostrukturen.
- Bezugszeichenliste
-
- 100
- Anordnung für ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik
- 110
- Trägermaterial der Transfermaske
- 120
- Substrat
- 130
- Lichtreflektor auf der Transfermaske
- 140
- Lichtabsorber auf der Transfermaske
- 145
- Stark erhitzter Bereich des Lichtabsorbers
- 150
- Material, welches partiell transferiert werden soll
- 155
- Auf dem Substrat kondensiertes Material
- 160
- Energieeintrag mit hoher Intensität
- 200
- Transfermaske gemäß der Erfindung
- 230
- Lichtreflektor auf der Transfermaske gemäß der Erfindung
- 240
- Lichtabsorber auf der Transfermaske gemäß der Erfindung
- 245
- Stark erhitzter Bereich des Lichtabsorbers im ersten Prozessschritt gemäß der Erfindung
- 253
- Aus dem Bereich (
245 ) des Absorbers (240 ) im ersten Prozessschritt verdampftes Material - 255
- Auf der Transfermaske nach dem ersten Prozessschritt verbleibendes Material
- 300
- Anordnung für einen zweiten Prozessschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung
- 335
- Bereich des Reflektors (
230 ), welcher im zweiten Prozessschritt erhitzt wird gemäß der Erfindung - 355
- Auf dem Substrat kondensiertes Material gemäß der Erfindung
- 360
- Energieeintrag mit niedriger Intensität
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2011032938 A1 [0002]
- DE 102011082956 B4 [0007]
- DE 102013108315 A1 [0007]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Herold, R., Zakhidov, A., Vogel, U., Richter, B., Fehse, K. and Burghart, M. (2013), “Sub-pixel Structured OLED Microdisplay“ (SID Symposium Digest of Technical Papers, 44: 330–333) [0008]
- Seiten 88 ff der Dissertation von Burghart, M. „Herstellung von organischen mikroelektronischen Bauelementen mittels Flash-Mask-Transfer-Lithografie“ (Technische Universität Dresden, 2015) [0009]
Claims (7)
- Verfahren zur lokal differenzierten Abscheidung eines Materials (
150 ) auf ein Substrat (300 ) von einer Transfermaske (200 ), die ein für Licht transparentes Trägermaterial (110 ), eine lichtabsorbierende Schicht (240 ) und eine lichtreflektierende Schicht (230 ) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Prozessschritt das auf der Transfermaske (200 ) ganzflächig aufgebrachte Material (150 ) mittels eines ersten Energieeintrags (160 ) partiell durch Verdampfung (253 ) entfernt wird und in einem zweiten Prozessschritt das auf der Transfermaske (200 ) verbliebene Material (255 ) mittels eines zweiten Energieeintrags (360 ) auf ein Substrat (120 ) übertragen wird. - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Energieeintrag (
160 ) im ersten Prozessschritt zeitlich kürzer als zehn Millisekunden, bevorzugt kürzer als eine halbe Millisekunde ist und der zweite Energieeintrag (360 ) zeitlich länger als 100 Millisekunden, bevorzugt länger als 500 Millisekunden ist. - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Energieeintrag (
160 ) im ersten Prozessschritt durch Blitzlampen erfolgt. - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Energieeintrag (
360 ) im zweiten Prozessschritt durch Blitzlampen erfolgt, die kontinuierlich betrieben werden. - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Energieeintrag (
360 ) im zweiten Prozessschritt durch thermische Strahler, bevorzugt Halogenlampen erfolgt. - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Material (
150 ) ein organisches Material ist. - Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das organische Material zur Herstellung von organischen Halbleiterbauelementen verwendet wird.
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| DE (1) | DE102016105796A1 (de) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011032938A1 (de) | 2009-09-15 | 2011-03-24 | Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur lokalen abscheidung eines materials auf einem substrat |
| DE102013108315A1 (de) | 2013-08-01 | 2015-02-05 | Von Ardenne Gmbh | Beschichtungsvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Beschichtungsvorrichtung |
| DE102011082956B4 (de) | 2011-09-19 | 2015-10-15 | Von Ardenne Gmbh | Transfermasken zur lokalen Bedampfung von Substraten und Verfahren zu deren Herstellung |
-
2016
- 2016-03-30 DE DE102016105796.7A patent/DE102016105796A1/de active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2011032938A1 (de) | 2009-09-15 | 2011-03-24 | Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur lokalen abscheidung eines materials auf einem substrat |
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| Seiten 88 ff der Dissertation von Burghart, M. „Herstellung von organischen mikroelektronischen Bauelementen mittels Flash-Mask-Transfer-Lithografie" (Technische Universität Dresden, 2015) |
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