DE102007052969A1

DE102007052969A1 - Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Dünnschichtleitbahnen auf organischem Träger

Info

Publication number: DE102007052969A1
Application number: DE102007052969A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Zimmer; Rico Dr. Böhme; Alexander Dr. Braun
Original assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Dünnschichtleitbahnen auf polymerer Folie. Es ist die Aufgabe gestellt, die elektrische Kontaktierung durch das Einbringen von Öffnungen in die Polymerschicht zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gelöst, indem in einem zweistufigen Prozess mit gepulstem Laserstrahl rückseitige Öffnungen in der Polymerschicht der Dünnschichtleitbahnen erzeugt werden, welche über Leitkleber direkten Kontakt zur Metallschicht ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kontaktöffnungen in Trägern von Dünnschichtleitbahnen und zur Herstellung von elektrischen Verbindungen durch derartige Kontaktöffnung von den auf der Vorderseite aufgebrachten Schicht(en) auf die Rückseite des Trägers der Dünnschichtleitbahnen.
Mit Erhöhung der Funktionalität von elektrischen, elektronischen oder optoelektronischen Schaltungen besteht die Notwendigkeit, die Verdrahtung der Bauelemente in mehreren Ebenen zu führen. Dies ist aus der Mikroelektronik sowie der Leiterplattentechnik bekannt.
Andererseits werden die oben erwähnten Bauelemente zunehmend auch im Rolle- zu-Rolle-Verfahren hergestellt, wobei dünne Schichten als Funktions- und Leitbahnelemente auf die flexiblen, dünnen Folien aufgebracht werden. Folglich besteht auch hier mit steigendem Integrationsgrad bzw. höherer Komplexität die Notwendigkeit der Führung von Verbindungsleitungen auch auf der Rückseite bzw. in mehreren Ebenen.
Es ist bekannt, dass die Laserbestrahlung von Materialien zu einem Materialabtrag führen kann. Insbesondere führt die Bestrahlung von Polymeren mit gepulster Laserstrahlung ausreichender Intensität zum Abtrag organischen Materials. Dieser Prozess wird als Laserablation bezeichnet und ist durch eine materialspezifische Abtragsschwelle gekennzeichnet. Besonders Polymere mit einem hohem Absorptionskoeffizient lassen sich gut abtragen. Durch den Abtrag der Materialien lassen sich auch Öffnungen – Durchgangsbohrungen oder Sacklöcher – in Materialien oder Schichten einbringen. Auch andere Materialien, also Metalle, Halbleiter usw., lassen sich durch Laserablation abtragen, wobei jeweils material-, laser- und geometriespezifische Faktoren, also chemische Zusammensetzung, Struktur, Laserwellenlänge, Pulsdauer, Schichtdicke, Oberflächenrauheit usw., den Schwellenwert der Bestrahlungsstärke bestimmen, der zum Abtrag führt. Es ist bekannt, dass der Schwellenwert der Energiedichte, die den Abtrag von Materialien bewirkt von der Schichtdicke abhängig ist [E. Matthias, M. Reichling, J. Siegel et al., "The influence of thermal-diffusion an laser-ablation of metal-films", Appl. Phys. A 58 (1994) 129]. Bei Metallen verringert sich die Schwellenfluenz mit sinkender Schichtdicke. Oberhalb einer bestimmten Metallschichtdicke ist die Schwellenenergie konstant.
Die Schwellenenergiedichte und die Abtragsrate von dielektrischen Materialien also auch Polymeren hängen von der Wellenlänge der Laserstrahlung ab. Eine Ursache hierfür ist die unterschiedliche Laserstrahlungsabsorption bei den einzelnen Laserstrahlungwellenlängen. Im Allgemeinen verringert sich die Schwellenfluenz des Materialabtrags von Polymeren bei kürzeren Wellenlängen [S. Köper, J. Brannon, K. Brannon, "Threshold behavior in polyimide photoablation – single-shot rate measurements and surface-temperature modeling", Appl. Phys. A 56 (1993) 43.].
Prinzipiell lassen sich zwei Wirkungsmechanismen der Zersetzung und des Abtrages bei Laserbestrahlung unterscheiden: dies sind der photochemische bzw. der photothermische Mechanismus. Beruht der photothermische Mechanismus auf der Wärmewirkung der Laserstrahlung, so spielt beim photochemischen Mechanismus die direkte Spaltung von Molekülen des Polymers die entscheidende Rolle. Schlussfolgernd hieraus ist festzustellen, dass bei der photochemischen Zersetzung/Ablation die Photonenenergie von besonderer Bedeutung ist, so dass mit geringerer Laserwellenlänge dieser Mechanismus tendenziell zunimmt.
Durch den explosionsartigen Abtrag bei der Laserablation können hohe Drücke im Bereich des laserbestrahlten Bereiches entstehen. Der Druck hängt u. a. von der Menge des abgetragenen Materials und der Energiedichte des Laserstrahles ab. [F. Weisbuch, V. N. Tokarev, S. Lazare et al., "Ablation with a single micropatterned KrF laser pulse: quantitative evidence of transient liquid microflow driven by the plume Pressure gradient at the surface of Polyesters" Appl. Phys. A 76 (2003) 613].
Lasergestützte Verfahren eignen sich gut zur Bearbeitung dünner Schichten und Materialien mit geringer Dicke, beispielsweise Folien, da der Werkzeugeingriff kraftlos erfolgt. Darüber hinaus werden aufgrund der guten Automatisierbarkeit zunehmend Laserprozesse in der Fertigungstechnik angewandt.
Die Herstellung von Öffnungen in dünnen Schichten zur Herstellung elektrischer Verbindungen ist bekannt und wird umfangreich im Bereich der Halbleiterbauelementfertigung angewendet. Auch die Herstellung von Durchkontaktierungen durch das Substrat von Halbleiterbauelementen ist bekannt. Häufig werden für diese anorganischen Materialien sogenannte Trockenätzprozesse angewandt.
Die Herstellung von Öffnungen mit dem Ziel der Kontaktierung von inneliegenden Leiterbahnen oder der Durchkontaktierung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von Vorder- und Rückseite für Leiterplatten ist ebenfalls bekannt. Um derartige Sack- bzw. Durchgangsöffnungen in Leiterplatten herzustellen, werden Laserstrahlen angewendet. Neben üblichen gepulsten CO₂- und Nd:YAG-Lasern werden auch ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern von kleiner 1 ns angewendet [ DE 10020559 A1 ].
Weiterhin wird die Anwendung von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge zum Bohren der Kupferschicht und des Polymerträgers vorgeschlagen [ GB 228 67 87 A ]. Die Steuerung der Laserstrahlanwendung kann auch mit Hilfen von Sensoren so erfolgen, dass der Materialabtrag an der Metallschicht angehalten werden kann [ JP 002007157900 AA ]. Darüber hinaus wird für die Entfernung von Harzschichten von Kupferleitbahnen von gedruckten Leiterkarten durch gepulste Laserstrahlung die Anwendung von zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Energiedichte vorgeschlagen [ DE 10149559 A1 ].
Diese technischen Lösungen beziehen sich auf die Herstellung von Sackbohrungen für gedruckte Leiterplatten. Die für diese Anwendung minimale Schichtdicke der Kupferleitbahnen beträgt ca. 7 μm und ist damit größer als die Wärmediffusionslänge des Kupfers bei der Verwendung üblicher Pulslaser mit ns-Pulsdauer. Darüber hinaus wird das Trägermaterial von Leiterplatten in der Regel mit Glasfasern verstärkt, so dass sich Beschränkungen bei der Verwendung von Laserstrahlung ergibt. Ein interessanter Effekt ist das Auftreten von Restschichten von 0,2 bis 3 μm, die auf die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Harz und Kupferleitbahn zurückzuführen sind. Folglich ist davon auszugehen, dass der Abtrag eher thermisch stimuliert ist, also photothermischer Natur ist. Zur Charakterisierung der Energiedichten zur Durchführung des Verfahrens wird eine sogenannte Zerfallsenergie definiert, die zum Einleiten von Ablations-, Schmelz- und Verdampfungsprozessen geeignet ist.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Öffnungen in dielektrischen Materialien für gedruckte Schaltungen unter Anwendung von Laserstrahlung sind nicht für Dünnschichtschaltungen auf polymeren Trägern anwendbar, da die verwendeten Leitbahnschichtdicken im Bereich von 0,1 bis kleiner 2 μm deutlich geringer sind, wodurch die Wärmekapazität, die mechanische Stabilität usw. deutlich vermindert sind. Darüber hinaus sind oftmals komplizierte Anlagen zur Realisierung der vorgeschlagenen Verfahren erforderlich, die die Anwendung mehrerer Wellenlängen, ultrakurzer Laserpulse oder zusätzlicher Steuerelemente erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Öffnungen in polymere Träger von Dünnschichtschaltungen dergestalt zu schaffen, dass eine Beschädigung der dünnen Metallleitbahnen verhindert und einfach durchführbar ist. Darüber hinaus hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Rückseitenkontaktierung von Dünnschichtschaltung auf polymeren Trägern bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Anwendung von kurzwelliger, gepulster Laserstrahlung entsprechend den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Hierbei wird der Abtrag des polymeren Trägers in mindestens zwei Schritten erfolgen. Im ersten Schritt werden die Parameter der verwendeten Laserstrahlung so eingestellt, dass ein vergleichsweise hoher Abtrag erreicht wird und dass durch die Laserablation keine Oberflächemikrotopographien mit Abmessungen im Mikrometerbereich – diese werden in der englischsprachigen Literatur auch als cones bezeichnet – entstehen, die zu einer unebenen Oberfläche führen. Im zweiten Schritt des Abtrags der polymeren Trägerfolie werden die Parameter der Laserstrahlung so verändert, dass die Abtragsrate so gering ist, dass die Kräfte auf die dünne Schicht durch den Rückstoß der Ablationsprodukte so gering sind, dass die dünne Schicht nicht beschädigt wird.
Dabei sind zur Wahl der Eigenschaften der Laserstrahlung folgende Gesichtspunkte zu beachten:
Mit Verringerung der Wellenlänge der Laserstrahlung steigt üblicherweise die Absorption in Materialien. Gleichzeitung wird der Reflexionsgrad von Materialien beeinflusst. Mit geringer werdender Schichtdicke von Metallschichten sinkt tendenziell die Schwelle der Beschädigung von Metallschichten.
Der Druck auf die dünnen Schichten durch den explosionsartigen Abtrag des polymeren Materials steigt mit der Geschwindigkeit des Abtrages, der auch als Rate bezeichnet wird, und der verwendeten Energiedichte der Laserstrahlung. Darüber hinaus wurden in Experimenten unterschiedliche Muster des abgelagerten Materials um die Öffnungsstelle beobachtet, die auf die Ausbildung von spezifischen dreidimensionalen Expansionswolken des abgetragenen Material hindeutetet, die u. a. auch von der Form des laserbestrahlten Bereiches abhängen. Hieraus kann geschlussfolgert werden, dass die äußere Form des Laserspots die Expansionsdynamik der Ablationswolke beeinflusst und damit der Druck in der Wolke beeinflusst wird. Nicht nur der Druck, sondern auch die Größe der bestrahlten Fläche bestimmen die Kraftwirkungen in der dünnen Schicht, der schon aus der Beschreibung des Druckes p als Quotient von Kraft F und Fläche a hervorgeht. Folglich kann geschlussfolgert werden, dass die Kräfte auf die dünne Schicht neben dem Druck durch die Laserablation auch durch die Größe und die Form des laserbestrahlten Bereiches bestimmt werden. Darüber hinaus ist zu beachten, dass sekundäre Effekte, beispielsweise die Erwärmung der dünnen Schichten, die Widerstandsfähigkeit der dünnen Schichten beeinflussen können.
In Experimenten wurde dieser Sachverhalt überprüft. Dabei wurde ermittelt, dass bei bestimmten Parametern das Trägersubstrat einer dünnen Schicht bei kleinen Größen der Öffnungen vollständig entfernt werden kann, jedoch mit Erhöhung der Laserstrahlgröße die dünne Schicht ab einer bestimmten Fläche beschädigt wurde. Diese Beschädigung waren u. a. Risse in der Schicht und das vollständige Ausstanzen der Schicht im bestrahlten Bereich.
Darüber hinaus wurde in Experimenten ermittelt, dass es ausreicht, wenn in einer Richtung von rechteckigen Öffnungen eine spezifische durch die Material- und Bearbeitungsparameter festgelegte spezifische Ausdehnung unterschritten wird, um die Beschädigung der dünnen Metallfolie zu vermeiden, aber trotzdem die Polymerschicht vollständig abzutragen.
In 1 sind die wesentlichsten Schritte des Verfahrens schematisch dargestellt und werden nun zur näheren Beschreibung des Verfahrens näher erläutert. Im Verfahrenschritt (I) ist eine Polymerfolie (1) mit einer Dicke im Bereich von einigen zehn Mikrometern bis zu einigen 100 Mikrometern verfügbar, auf deren Vorderseite (3) eine dünne Schicht (2) oder ein Dünnschichtsystem (2) aufgetragen ist. Im zweiten Verfahrensschritt (II) wird von der Rückseite des polymeren Trägers (4) ein gepulster Laserstrahl (10) zur Anwendung gebracht, der zum Abtrag des Materials führt. Die Parameter des gepulsten Laserstrahls sind dabei so gewählt, dass es nicht zur Ausbildung von materialspezifischen mikro- oder nanoskaligen Strukturen an der Oberfläche des Polymerträgers kommt. Derartige Mikrostrukturen können bei der Wahl bestimmter, jedoch materialspezifischer Ablationsparameter entstehen. Solche Oberflächenstrukturen sind von statistischer Natur, haben die Tendenz, sich selbst zu verstärken und beeinflussen darüber hinaus die Abtragsrate. Aus diesen Gründen sind solche Parameter zu wählen, die zu einer ebenen Oberfläche führen, d. h. bei denen der Abtrag proportional zur eingestrahlten Laserfluenz ist. Ein derartiger Abtrag wird üblicherweise in einem mittleren Energiedichtebereich erzielt, wohingegen es bei geringen Energiedichten im Bereich der Schwellenenergie zur Ausbildung besagter Mikrostrukturen kommen kann. In dem nun folgenden dritten Schritt (III) wird die Energiedichteverteilung so eingestellt, dass nach wie vor der Abtrag des Polymers ermöglicht wird, was zur Entfernung des restlichen Polymers zur Freilegung der dünnen Schicht erforderlich ist. Andererseits muss die Energiedichte des Lasers auch unterhalb des Schwellenwertes der Zerstörung der Metallschicht liegen, die nicht nur durch Schmelz-, Verdampfungs- oder Ablationsprozesse charakterisiert ist, sondern auch aufgrund mechanischer Kräfte, ggf. in Verbindung mit weiteren Effekten der Laserbestrahlung, gegeben sein kann. Ein hierfür kritischer Punkt ist der Laserpuls, der zum Abtrag der letzten Polymerreste auf der Dünnschicht und zu deren Freilegung führt. Der wesentlichste Grund hierfür ist, dass zu diesem Zeitpunkt mehrere Faktoren gleichzeitig zur Beanspruchung der dünnen Schicht beitragen, wie beispielsweise der Ablationsdruck, die Bestrahlung der dünnen Schicht und die Wärmewirkung der Laserstrahlung. Die Energiedichten, die hierfür geeignet sind, liegen eher nahe der Schwellenenergiedichte der Abtrags der Polymerschicht. Da jedoch durch die schrittweise Prozessführung nur noch ein geringer Teil der Gesamtpolymerschicht abzutragen ist, wirken sich eventuell bildende Oberflächenmikrostrukturen nicht nachteilig aus. Insofern ist die Wahl der Pulszahl (N₁), bei der die Energiedichte des Laserstrahl geändert wird, von der Polymerschichtdicke, den Laserparametern etc. abhängig und muss für die spezifische Anwendung jeweils spezifisch ermittelt werden. Unter dem Gesichtspunkt des vollständigen Abtrages der Polymerschicht von der dünnen Schicht ist eine vorzugsweise photochemische Prozessführung deswegen vorteilhaft, da die Kühlung der oberflächennahen Polymerschichten durch die Dünnschicht (ggf. Metall) weniger zu beachten ist. Folglich empfiehlt sich die Anwendung kurzwelliger Laserstrahlung. Darüber hinaus sollte die Pulsdauer gering gehalten werden und eher im Nanosekundenbereich liegen.
Unter bestimmten Umständen kann sich die Anwendung einiger zusätzlicher Laserpulse nach dem vollständigen Abtrag der Polymerschicht als vorteilhaft erweisen.
Das Ergebnis der Rückseitenöffnung zur Freilegung der dünnen Schicht ist im Schritt (IV) dargestellt. Schließlich wird durch Einbringen eines leitfähigen Materials in die Öffnung der Polymerfolie in dem nun folgenden Schritt (V) eine elektrisch leitfähige Verbindung von der dünnen Schicht auf die Rückseite des Polymerträgers geschaffen. Diese elektrische Verbindung kann durch Einbringen einer dünnen Schicht, durch Füllung mit einem leitfähigen Material oder anderweitig erfolgen.
Als Trägermaterial für die Dünnschichtschaltungen wird in der vorliegenden Erfindung bevorzugt ein Polymer eingesetzt. Insbesondere aromatische Kunststoffe eignen sich. Gebräuchliche Polymere sind Polyimid (PI), Polykarbonat (PC) und Polyethylenterephthalate (PET).
Die dünnen Schichten oder Schichtsysteme können teilweise oder vollständig aus Metall bestehen. Wichtige Metalle, die in der Dünnschichttechnik angewendet werden, sind Kupfer, Aluminium, Molybdän, Nickel, Gold oder Silber. Andere Metalle oder Materialien sind auch möglich.
Durch das Verfahren ist es nun möglich, Öffnungen in Trägerfolien auch für dünne Schichten mittels gepulster Laserstrahlung einfach und mit geringem Aufwand einzubringen. Hierdurch ergeben sich neue Anwendungen bei der elektrischen Verschaltung von Dünnschichtbauelementen.
Zur Verminderung der Kraftwirkung auf die dünne Schicht kann die Energiedichteverteilung E des Laserstrahles zur Entfernung der Restschicht so gestaltet werden, dass die Restschicht nicht mit einem Puls, sondern über mehrere Pulse abgetragen wird. Hierzu ist in 6 die Energiedichteverteilung im Schnitt an der Stelle AA sowie der Polymerschichtverteilung bei aufeinanderfolgenden Laserpulsen zum Zeitpunkt des Abtrags der letzten Polymerträgerreste von der dünnen Schicht schematisch dargestellt. Die Wirkung der geringfügigen Energiedichtevariation bewirkt, dass die Abtragsgeschwindigkeit unterschiedlich ist, was letztlich zu lokal unterschiedlichen Restpolymerdicken führt, die jedoch mit den folgenden Pulsen ebenfalls abgetragen werden. Insbesondere führen die Bereiche abgesenkter Energie (14) zu der Ausbildung von Polymerresten (9), wohingegen die Bereiche des Normalwertes (13) der Energiedichteverteilung zum vollständigen Abtrag des Polymerträgers mit Freilegung der Rückseite der Dünnschicht (7) bei gleicher Laserpulsanzahl führen. Bei geeigneter Energiedichtebeeinflussung kann erreicht werden, dass der Ablationsdruck geringer ist und die Restpolymerschichten gleichzeitig stabilisierend wirken. Insbesondere erscheint es vorteilhaft, die abgesenkten Bereiche der Energiedichteverteilung gitterförmig auszuführen, so dass eine entsprechende Polymerrestschichtdicke zu erwarten ist. Weiterhin kann es im Zusammenhang mit der Verfüllung der Öffnungen in der Polymerfolie vorteilhaft sein, dass die Flanken der Öffnung abgeflacht werden. Dies kann beispielsweise durch die entsprechende Gestaltung der Rand-/Flankenverteilung der Energiedichteverteilung (12) erzielt werden. Andere Methoden zur Erzielung derartig abgeflachter Ränder, beispeisweise durch Bewegung eines speziell geformten Laserstrahls über das Substrat, sind ebenfalls möglich.
Neben den Fragen der abgetragenen Polymermaterialmenge und der Energiedichte haben die Ausbreitungsbedingungen des ablatierten Materials Einfluss auf die Kraftwirkung auf die dünne Schicht. Zur Verminderung der Kraftwirkung kann das umgebende Medium auf der Seite des lasergestützten Materialabtrags angepasst werden. So kann ein spezielles Arbeitsgas mit geringer Dichte, beispielsweise Helium, zur Anwendung gelangen. Darüber hinaus verbessern sich die Ausbreitungsbedingungen für die Ablationsprodukte, wenn der Druck des umgebenden Gases vermindert ist.
Als weitere Maßnahme kann die Anbringung von zusätzlichen Stützelementen auf der Vorderseite des beschichteten Polymerträgers, d. h. der gegenüber der Lasereinstrahlung befindlichen Seite, erfolgen. Diese Stützelemente können beispielsweise als eine weitere Schicht oder Folie ausgeführt sein und auch nur zeitweilig während der Bearbeitung im Kontakt mit der zu bearbeitenden Bauteilfläche sein. Eine hinreichende mechanische Kopplung ist hier ebenfalls vorteilhaft. Da nur kurzeitig auftretende Kräfte aufgenommen werden sollen, können auch fluide Medien als Stützelemente angewendet werden. Im einfachsten Fall bietet sich die Verwendung von Wasser als Medium an. Neben der Stützfunktion können diese Elemente auch den Wärmeabtransport aus dem laserbestrahlten Bereich unterstützen.
Die Form oder Dimension der Einzelöffnungen muss nicht quadratisch sein. In Weiterer Ausgestaltung der Erfindung können auch rechteckig oder anders geformte Öffnungen eingebracht werden, wenn sichergestellt ist, dass die Größe der Elemente in einer lateralen Dimension kleiner der kritischen Größe, oberhalb der die Zerstörung der dünnen Schicht einsetzt, ist. Anordnungen oder Gruppierungen von Einzelelementen mit gleichen oder unterschiedlichen Dimensionen sind auch möglich.
Zur Herstellung der elektrischen Verbindung von der dünnen Schicht auf die Rückseite des Polymerträgers können unterschiedliche Verfahren angewendet werden. Diese Verbindungselemente können die Öffnung teilweise oder vollständig ausfüllen. Beispielhaft lassen sich Leitkleber, also pastöse, zähflüssige, und flüssige Massen, die thermisch oder durch Bestrahlung härtbar sind, verwenden. Andere Möglichkeiten sind das Aufbringen einer dünnen leitfähigen Schicht oder die Verwendung von flexiblen Verbindungselementen, beispielsweise also gummiartige, leitfähige Materialien, die ggf. auch geformt sein können. Durch die Gestaltung, die Art der Aufbringung oder die Dimensionierung der Verbindungselemente lassen sich einzelne Durchkontaktierungselemente separat, in Gruppen oder gemeinsam auf die Rückseite führen.
Die vorzugsweise in den bisherigen Darlegungen beschriebenen Einzelkontaktierungen können auch als Anordnungen von Einzelelementen Verwendung finden. Diese Anordnung kann insbesondere mit zwei Zielsetzungen erfolgen: Zunächst kann durch die Zusammenschaltung von mehreren Durchkontaktierungen der Durchgangswiderstand vermindert werden. Weiterhin lassen sich mittels jeder Durchkontaktierung unterschiedliche Elektroden oder Schichten auf die Rückseite führen. Dies erfordert möglicherweise weitere Verfahren zur Verschaltung der Schichten auf der Vorderseite.
Die Anordnung der Einzelelemente kann unterschiedlicher Art sein. Die in 7 gezeigte Anordnung, bei der ein Teil der Öffnungen (8) bereits mit elektrischen Durchkontaktierungen (20) versehen ist, ist eine mögliche Ausführungsform.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1: Schematische Auflistung zu den wesentlichen Verfahrensschritten durch die Darstellung der Ergebnisse der Schritte am Beispiel der Kontaktierung einer Molybdänschicht auf einer Polyimidfolie.
2: Abtragsrate von Kapton in Abhängigkeit von der Laserenergiedichte sowie die Energiedichten zur Zerstörung der Molybdänschicht auf der Kaptonträgerfolie bei Vorderseitenbestrahlung mittels Excimerlaser (Wellenlänge λ = 248 nm, Pulsdauer τ_p = 25 ns)
3: Mechanische Zerstörung der Molybdändünnschicht durch mechanische Belastung durch den Ablationsdruck bei ungünstiger Wahl der Energiedichte von ca. 750 mJ/cm².
4 Freigelegte Molybdänschicht mit einer Fläche von 75 μm × 75 μm. In der hell erscheinenden Metallschicht sind keine Risse oder Schmelzerscheinungen zu sehen.
5 Mikrofotographie der Rückseite der Kaptonfolie mit der verfüllten Bohrung. Die metallisch erscheinenden Flächen werden durch den Leitkleber gebildet, der den Kontakt zu Dünnschicht herstellt.
6 Schematische Darstellung der Rückseitenöffnung zum Zeitpunkt der Entfernung der letzten Polymerreste und Energiedichteverteilung E des Laserstrahl beim Schnitt AA durch die Rückseitenöffnung.
7 Schematische Darstellung einer Anordnungsvariante von Einzelöffnungen. Zur besseren Charakterisierung des Verfahrens ist ein Teil der Rückseitenöffnungen (8) bereits mit Durchkontaktierungen (20) versehen.
8 Lichtmikroskopischen Aufnahme von rechteckigen Öffnungen im Polymerträger. Trotz zunehmender Länge der Öffnungen bleibt die dünne Schicht intakt, wenn eine spezifische kritische Breite nicht überschritten wird.
Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen erläutert.
1. Beispiel
Herstellung einer rechteckigen Öffnung in molybdänbeschichteter Kaptonfolie mittels Excimerlasers
In Voruntersuchungen wurden die Schwellenenergiedichten des Materialabtrags sowie der Materialzerstörung von Polyimid (Handelsname Kapton^TM) mit einer Dicke von 25 μm sowie einer Molybdänschicht mit einer Dicke von 1 μm bei der Bestrahlung mit einem gepulsten Excimerlaser (Wellenlänge λ = 248 nm, Pulsdauer τ_p = 25 ns, Bestrahlungsgröße A = 150 μm × 50 μm) ermittelt. In 2 ist die Abtragsrate der Kaptonfolie in Abhängigkeit von der Energiedichte des Laserstrahles dargestellt. Darüber hinaus ist die Energiedichte zur Zerstörung der Molybdänschicht bei Vorderseitenbestrahlung markiert. Als Zerstörschwelle wird nicht das Aufschmelzen oder Verdampfen der Schicht bezeichnet (Thermische Zerstörschwelle, in 2 als F_th,M2 bezeichnet), sondern vielmehr das mechanisch bedingte Reißen der dünnen Molybdänschicht (als F_th,M1 bezeichnet). Bei dieser Vorderseitenbestrahlung wird die dünne Molybdänschicht durch den Folienträger gestützt, so dass Kräfte aufgenommen werden können.
Wird nun eine Energiedichte zur Öffnung der Kaptonfolie angewendet, die größer als die Ablations-Schwellenenergie (F_th,F) der Kaptonfolie aber kleiner als die Zerstörschwelle der Molybdänfolie ist (F_th,M1), kann es trotzdem bei der Rückseitenöffnung durch die Kaptonfolie zur Zerstörung der Molybdänschicht kommen, wie in 3 zu sehen ist. Grund hierfür sind die durch die Laserbestrahlung und deren Folgeprozesse auftretenden mechanischen Belastungen, die zu Rissen in der dünnen Schicht oder Schichtstapeln führen können. Insbesondere kann die Kraftwirkung des ablatierten Materials bei dessen Expansion zu den genannten Wirkungen oder anderen Zerstörungen führen.
In folgenden systematischen Untersuchungen wurde ermittelt, dass bei kleinen Öffnungsgrößen von etwa 50 μm die Molybdänschicht in einem 2-stufigem Prozess von der Seite der Kaptonfolie aus freigelegt werden kann, ohne eine Zerstörung der dünnen Schicht hinnehmen zu müssen. Hierbei wurde im ersten Schritt ein „Grobabtrag" mit 110 Pulsen bei einer Laserenergiedichte von 750 mJ/cm² und in einem zweiten Schritt einen „Feinabtrag" mit 200 Pulsen mit einer Laserenergiedichte von 200 mJ/cm² vorgenommen. Mit dieser Vorgehensweise konnte die Molybdänschicht ohne relevante Beschädigung im bestrahlten Bereich freigelegt werden, wie 4 zeigt.
2. Beispiel
Herstellung einer Durchkontaktierung zu einer dünnen Molybdänschicht nach Öffnung der Kaptonträgerfolie mittels Excimerlaserbestrahlung und Einbringung eines Leitklebers
Entsprechend des vorherigen Beispieles wurde eine molybdänbeschichtete Kaptonfolie verwendet. Durch Bestrahlung mit einem Excimerlaser (λ = 248 nm, τ_p = 25 ns, A = 150 μm × 50 μm) von der Rückseite (4) des beschichteten Folienträgers (2) unter Anwendung des zuvor beschriebenen zweistufigen lasergestützten Ablationsprozesses, bei dem zunächst mit einer hohen Energiedichte von ca. 750 mJ/cm² ca. ¾ der Kaptonfolienschichtdicke und danach bei deutlich geringerer Laserenergiedichte von ca. 200 mJ/cm² das verbleibende Kapton bis zur Molybdänschicht entfernt wird, wird in der Kaptonfolie eine Öffnung zur Freilegung der Molybdänschicht erreicht, wie dies in 4 dargestellt ist. In diese Öffnung wird nun ein Leitkleber mittels üblicher Methoden, beispielsweise Siebdruck oder Dispensertechnik, eingebracht. Im Beispiel wurde ein Leitkleber von Typ Epo-Tek H2O-frozen der Firma Polytec GmbH verwendet, der nach der Applizierung thermisch, bei einer Temperatur von 80°C für 1 Stunde, ausgehärtet wurde.
3. Beispiel:
Wenn eine laterale Dimension des Mikroöffnung kleiner als der für die Zerstörung kritische Wert, also für den genannten Fall kleiner 75 μm ist, kann die andere laterale Dimension vergrößert werden, ohne die dünne Schicht zu beschädigen. Im 8 sind verschiedene Verhältnisse von Länge und Breite beim Mikroabtrag dargestellt. Die Rückkontaktschicht wurde jeweils mit dem oben beschrieben 2-Stufenabtrag freigelegt.
4. Beispiel:
Die Größe der freigelegten Fläche kann erhöht werden, wenn zur mechanischen Stabilisierung der Schicht bzw. des Schichtsystems eine zusätzliche Stützschicht auf die Vorderseite, beispielsweise durch Laminierung, aufgebracht wird. Beispielsweise konnte bei der Rückseitenöffnung einer Dünnschichtsolarzelle mit einem 1 μm dicken Rückkontakt die Fläche der Öffnungen auf eine Größe von 350 μm × 350 μm erhöht werden.
Generell gilt für das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Materialien des Dünnschichtträgers, der Dünnschicht bzw. des Dünnschichtsystems, des verwendeten Lasers sowie der Art, Größe, Form und Abstand der Öffnungen je nach Anwendung unter den Gesichtspunkten der elektrischen Kontaktierung, der elektrischen Leitfähigkeit, der Stabilität, der Zuverlässigkeit oder Herstellungssicherheit und -aufwand ausgewählt werden. Die quantitativen Angaben insbesondere zu Materialien, den generellen Verfahrensschritten sowie den bevorzugten Abmessungen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung oder den einzelnen Ausführungsbeispielen aufgeführt werden, sind nicht auf diese beschränkt, sondern lassen sich auf die anderen, ggfs. für den Fachmann erkennbar sinngemäß, übertragen. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt. Dem Fachmann erschließen sich Abwandlungen und Kombinationen.

1: Substrat, Folie, Polymerträger der Dünnschichtschaltung
2: Dünnschicht, Dünnschichtsystem, beispielsweise Metall
3: Vorderseite; Vorderseite der Dünnschicht
4: Rückseite; Rückseite des Folienträgers
5: Grenzfläche der auf dem Dünnschichtträger befindlichen Dünnschicht;
6: Sackbohrung durch die Laserbestrahlung
7: geöffnete Fläche der Rückseite der auf dem Dünnschichtträger befindlichen Dünnschicht
8: Öffnung im Dünnschichtträger bzw. dessen Kontur oder Flanken
9: Polymerreste auf der Rückseite der Dünnschicht
10: Laserstrahl, Anfangsparameter
11: Laserstrahl, Endparameter
12: Flankenbereich der Energiedichteverteilung
13: Normalwert der Energiedichteverteilung
14: Bereich abgesenkter Energiedichte der Verteilung des Laserstrahls bezüglich des Normalwertes
20: elektrische Durchkontaktierung
21: Kontaktfläche zwischen Dünnschicht und Durchkontaktierung
22: Kontaktfläche der elektrischen Durch kontaktierung, rückseitig verfügbarer Kontakt zur vorderseitigen Dünnschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10020559 A1 [0010]
- GB 2286787 A [0011]
- JP 002007157900 AA [0011]
- DE 10149559 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- E. Matthias, M. Reichling, J. Siegel et al., "The influence of thermal-diffusion an laser-ablation of metal-films", Appl. Phys. A 58 (1994) 129 [0004]
- S. Köper, J. Brannon, K. Brannon, "Threshold behavior in polyimide photoablation – single-shot rate measurements and surface-temperature modeling", Appl. Phys. A 56 (1993) 43 [0005]
- F. Weisbuch, V. N. Tokarev, S. Lazare et al., "Ablation with a single micropatterned KrF laser pulse: quantitative evidence of transient liquid microflow driven by the plume Pressure gradient at the surface of Polyesters" Appl. Phys. A 76 (2003) 613 [0007]

Claims

Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Dünnschichtleitbahnen auf organischem Träger durch Erzeugen von Öffnungen in dielektrischen Trägern von Dünnschichtschaltungen zur Freilegung einer auf dem Träger liegenden dünnen Schicht oder Schichten und zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes unter Verwendung dieser Öffnung dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite einer Dünnschichtschaltung der Großteil der Materialdicke des dielektrischen Trägers mit einem gepulsten Laserstrahl in zwei Schritten so entfernt wird, dass die Oberfläche der Öffnung im Träger der Energiedichteverteilung des Laserstrahles nachkommt, und die Reste des Trägers mit dem gleichen Laserstrahl so abgetragen werden, dass die Laserenergiedichte größer der Ablationsenergiedichte des Trägermaterials ist, jedoch die Zerstörenergie der dünnen Schicht nicht überschritten wird und Parameter der Laserbestrahlung, insbesondere die Energiedichteverteilung und Laserstrahlauftrefffläche für den Abtrag so gewählt werden, dass die beim Ablationsabtrag auftreten Kräfte nicht zur Beeinträchtigung der dünnen Schicht, wohl aber zum Abtrag des Dünnschichtträgers führen und die so hergestellte Öffnung mit einem leitfähigen Material teilweise oder vollständig beschichtet oder verfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl eine Wellenlänge im UV-Bereich besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer der Laserstrahlung kleiner als 1 μs ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedichte des Laserstrahls so gewählt wird, dass keine Oberflächentopographien bei der Laserablation entstehen, die nicht auf der Energiedichteverteilung beruhen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag durch gepulsten Laserstrahl in zwei oder auch mehreren Schritten mit abnehmender Energie des Laserstrahls erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der lasergestützte Materialabtrag unter einem Arbeitsgas mit geringer Dichte wie Helium erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktmaterial pastöse, zähflüssige oder flüssige Leitkleber verwendet werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Öffnungen die Geometrie eines Kreises oder die von Polygonen aufweisen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Polyimid als organischem Träger der erste Schritt der Abtragung bei einer Laserpulszahl von 80 bis 150 Pulsen, einer Laserenergiedichte von 500 bis 1000 mJ/cm² und im zweiten Schritt bei 150 bis 250 Pulsen und 200 bis 500 mJ/cm² vorgenommen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass Leitkleber im Siebdruck aufgebracht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Vorderseite der Dünnschichtleitbahn ein stabilisierendes Material wie eine Folie oder eine Flüssigkeit aufgebracht wird.