Grenzflächenselektive, schädigungsarme Strukturierung von dünnen Schichten durch Rückseiten-Laserablation
Final Report Abstract
Die schädigungsarme Laserstrukturierung von thermisch sensiblen, funktionellen Schichten ist eine große Herausforderung für konventionelle Lasermethoden. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Methode untersucht, welche eine räumliche Separation der Absorption von der Strukturierung erlaubt, die laserinduzierte Shockwellendelamination (SWIFD: shock-wave-induced thin-film delamination). Die Bestrahlung mit ausreichender Laserfluenz der absorbierenden Rückseite eines Substrates mit einer vorderseitigen Beschichtung führt zu einem Laserablationsprozess an der Rückseite und zu einer durch das Substrat durchlaufende Schockwelle. Die Wechselwirkung der lasererzeugten Schockwelle mit der Substrat-Film-Grenzfläche kann bei geeigneter Parameterwahl (Laser- und Materialparameter) zur Delamination des Films führen. Der Delaminationsprozess wurde an verschiedenen Schicht – Substrat - Kombinationen untersucht. Der SWIFD Prozess wurde mit verschiedenen Lasertypen durchgeführt, sowie wurde der Einfluss weiterer externer Faktoren wie z.B. externe Zugkräfte, Biegung, Temperatur und Konefinement untersucht. Für einen erfolgreichen Delaminationsprozess ist eine minimale Laserfluenz Φth sowie einer minimalen Anzahl von Laserpulsen Nth, wobei Φth von N und Nth von Φ abhängt. Weiterhin ist die die Größe des delaminerten Bereiches A ein entscheidender Faktor. Φth und Nth lässt sich durch verschiedenste Effekte absenken wie z.B. das Verwenden einer Wasserschicht auf der Rückseite (Wasser-konfinement erhöht den Schockwellendruck) und dem Erzeugen von Schicht-Stress mittels Biegung und Ziehen. Weiterhin erlaubt die Vergrößerung der Laserspotgröße sowie die Verwendung von Wasserschichten eine Vergrößerung der delaminierten Bereiche. Dahingegen hat das Verwenden von strukturierten Substratträgern keinen Einfluss auf den Delaminationsprozess. Der Delaminationsprozess wird durch einen zusätzlichen Stress an der Grenzfläche induziert wobei 2 Mechanismen die Stresserzeugung dominieren: die Schockwellenreflektion und die Substratdurchbiegung. Bei Systemen mit unangepassten akustischen Impedanzen wie z.B. CIGS Solarzellen auf Polyimid dominiert höchstwahrscheinlich der Schockwellen-Reflektionsprozess wobei bei Impedanz-angepassten Systemen wie z.B. CIGS Solarzelle auf Stahl spielt zusätzlich die Substratbiegung induzierte Stress eine Rolle im Delaminationsprozess. Die Messungen haben gezeigt dass bei Impedanz-angepassten Systemen signifikant höhere Fluenzen (1-2 Größenordnungen) benötigt werden um eine Delamination zu erreichen. Die Schockwellendelaminationsmethode lässt sich erfolgreich bei technischen Proben wie z.B. CuInxGa1-xSe2 Solarzellen auf verschiedenstem Substraten anwenden. Die Methode erlaubt die schädigungsarme Strukturierung von CuInxGa1-xSe2. Die Anwendung der Methode erlaubt unter anderem das gezielte Ausschneiden von Defekten und damit eine Vergrößerung des Parallelwiderstandes sowie des Wirkungsgrades des Solarzellenmoduls. Zur Verbesserung der physikalischen Verständnisse wurde die Dynamik des Prozesses mittels Weißlicht-Interferometrie sowie Schattenfotografie untersucht.
Publications
- (2016) Shock-wave-induced Thin-film Delamination (SWIFD): A Non-thermal Structuring Method of Functional Layers. Physics Procedia 83 240–248
Lorenz, Pierre; Ehrhardt, Martin; Bayer, Lukas; Zimmer, Klaus
(See online at https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.018) - (2017) Confinement – assisted shock-wave-induced thin-film delamination (SWIFD) of copper indium gallium diselenide (CIGS) on a flexible substrate. Applied Surface Science 426 527–535
Lorenz, Pierre; Zagoranskiy, Igor; Ehrhardt, Martin; Han, Bing; Bayer, Lukas; Zimmer, Klaus
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.07.226) - Laser structuring of thin layers for flexible electronics by a shock wave-induced delamination process; Physics Procedia 56 (2014) 1015 – 1023
P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.phpro.2014.08.013) - Nanosecond laser-induced ablation and laser-induced shock wave structuring of polymer foils down to sub-μm patterns; Proc. of SPIE Vol. 9351 (2015) 935119
P. Lorenz, L. Bayer, M. Ehrhardt, K. Zimmer, L. Engisch
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2079434) - Shadow graph studies of laser-assisted non-thermal structuring of thin layers on flexible substrates by shock-wave-induced delamination processes; Applied Surface Science 336 (2015) 43– 47
P. Lorenz, T. Smausz, T. Csizmadia, M. Ehrhardt, K. Zimmer, B. Hopp
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.09.114) - Selective structuring of multi-layer functional thin films using laser induced shockwave delamination process; Proc. of SPIE Vol. 9735 (2016) 9735-2
M. Ehrhardt, P. Lorenz, L. Bayer, C. Molpeceres, C. A. H. Ramirez, K. Zimmer
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2212495)
