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© 2015 LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH

Surface Engineering 2.0 – Neue Materialeigenschaften und

Oberflächenfunktionen mit Laserlicht

Dipl.-Ing. Dirk Hauschild

LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH, Dortmund

Reinigung – Vorbehandlung – Messtechnik –Oberflächenmodifikation

14.04.2015

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Surface Engineering 2.0

1. Einleitung

2. Selektives Tempern von Funktionsschichten

3. Skalierung der Systemleistung und der resultierendenFlächenrate [m²/s]

4. Integration in In-Line und Off-Line Fertigungslinien

5. Beispiele

6. Zusammenfassung und Ausblick

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1. Einleitung – LIMO

1992Gründung bei Paderbornmit fünf Mitarbeitern

1998Weltmarktführer für refraktive Mikrooptiken

1999Diodenlaser-Systeme

1995Umzug insTechnologiezentrum Dortmund

2004- Strahlformungssysteme- Linienlaser- Applikationszentrum

2001Expansionnach Dortmund-Wickede

2007… 2009Erweiterung des Applikationszentrums um Prozessentwicklungsanlagen

2011Pilot-Anlage zur großflächigenVeredelung vonBeschichtungen;Schneidlösungen für dicke Bleche

2012Grüne Linie zur Produktion flexibler Displays

2010kW Laser-lösungen

Direkte-Dioden-LaserMaterialbearbeitung

ArF Mikrolithographie 65nm…32nm…14nm…

Laser in der Display Fertigung Plasma, TFT, OLED

Vom Punkt zur Fläche, Laserprozesse mit Flächenraten > 10m²/min

Flexible Displays

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1. Einleitung – LIMO

• 215 Mitarbeiter, davon 60 Wissenschaftler & Ingenieure• 311 Patente (Status 2014)• Umsatz 2014: 25 Mio. €• F&E-Investition über 10 % des Umsatzes • 2.000 m² Reinräume • 10.000 m² Entwicklung, Produktion und Applikation• 800 m² betriebsinterne Metallfertigung

• LIMO Kernkompetenz:

„Der kontrollierte Einsatz präzise geformter Laserstrahlung -für höhere Produktivität, neue Werkstoffeigenschaften und kosteneffizientere Fertigungsprozesse.“

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• Selektive, Photonen induzierte Modifikation von Materialeigenschaften in dünnen Schichten und Schichtstapeln bis von 0,0001 - 5mm Dicke

• Thermische Prozesse: Legieren, Härten, AnnealingSinternAktivierung von DotierstoffenKristallisation (SPC, LPC)Trocknung

• Athermische Prozesse: Vernetzung von Polymeren

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• Flächige Laserbestrahlung durch das linearen Scannen mit einem Linienfokus

• Gleichmäßige Dosierung der Bestrahlungsenergie durch CW Laserquellen (z.B. Hochleistungsdiodenlaser)

2D Scanner + runder Fokus L³ LIMO Line Laser

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• Vorteile der L³ LIMO Line Laser Technologie:

• Bis zu 20-fach höhere Energieeffizienz des Prozesses durch axiale statt radiale Thermodiffusion

axial radial

• Flexible Anpassung der Linienparameter an die Materialeigenschaften und die Fertigungstaktzeit

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• Linienparameter: Leistung, Intensität, Strahlbreite (w)• Bearbeitungsparameter: Scann Geschwindigkeit (v)

Bestrahlungsdauer f(v, w), Energie, Heiz-/Kühlrate, Temperatur

Unabhängig einstellbare Parameter:

• Energie• Bestrahlungsdauer

ermöglichen flexibel einstellbareProzessabläufe!

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2.1 Adressierbarer Prozessraum

• Energiespektrum mit einer Lasertemperquelle: µJ bis 100J• Bestrahlungsdauerspektrum mit gleicher Energie: 0,05ms – 5ms

5ms – 500ms

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• Energiespektrum mit einer Lasertemperquelle: µJ bis 100J• Bestrahlungsdauerspektrum mit gleicher Energie: 0,05ms – 5ms

5ms – 500ms

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• Schaltgeschwindigkeit (0% - 100% Leistung): 0,1ms• Numerische Einstellung und Kontrolle der Prozessparameter im

kompletten Prozessraum

Schaltpunkt

Bearbeitungspunkt

AAB

B

C

C

D

D

E

E

F

F

1212



2.2 Anwendungsgebiete: Funktionsschichten auf unter schiedlichen Substratmaterialien

GlasGlas

PolymerPolymerSi-WaferSi-Wafer

MaterialienSubstrat

Materialien

PapierPapier

MetallMetall

KeramikKeramik

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3. Skalierung der Systemleistung und der effektiven Flächenrate [m²/s]

• Modularer Laseraufbau auf Basis von erweiterbaren Liniensegmenten z.B. auf Basis von Hochleistungsdiodenlasern

• Beispiel: Annealing von TCO Schichten auf Glas mit 500W pro 10mm Liniensegment und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,1m/s

Linienlänge: 0,01m 0,1m 1m 3mOpt. Leistung: 500W 5kW 50kW 150kWAnschlußleistung: 1,5kW 15kW 150kW 450kWFächenrate: 0,001m²/s 0,01m²/s 0,1m²/s 0,3m²/s

Dünnschicht PV (1,5m²) 0,025m²/s

Floatglas (19m²) 0,64m²/s

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3. Skalierung der Systemleistung und der effektiven Flächenrate [m²/s]

Aktuelle Produktbeispiele:

Activation Line 12, 30 Activation Line 300Prozessentwicklung, R&D Produktion, Pilotfertigung

Prozess: Scan & Repeat

Substratgröße: bis 30 x 30 cm²

Linienlänge: bis 30 mm

Betriebsmodus: 8/5

Prozess: In-Line

Substratbreite: bis 30cm

Verfügbarkeit: >90%

Betriebsmodus: 24/7

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4. Integration in In-Line und Off-Line Fertigungsli nien

• Steuerung und Kontrolle der Laserparameter via SPS/PLC • Ein-, Ausschalten, sowie Variation der Laserparameter innerhalb 0,1ms

möglich• Synchronisation und Taktung in Prozessabläufe durch Anpassung der

Laserleistung und Intensität• Integration in vorhandene Anlagen und Prozessinfrastruktur möglich

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5. Beispiel 1: PV Absorber

Verbesserung der Materialeigenschaften und Qualität

• Annealing Reduktion von intra- und inter-grain Defekten und Stress, Aktivierung von Dotanden, Absorber-Elektroden Übergänge

• Kristallisation Hohe ElektronenmobiliätReduktion der Verluste an Korngrenzenübergängen

• Synthetisierung Anpassung der Absorptionscharakteristik durch Band-Gap, Modifikation von nano-skaligen Materialien

200µm

IPHT Jena: a-Si into c-Si from0,2µm to >1µm layers

HZDR, DresdenSiOx into nc-Si usingspinoidal decomposition

BMBF funded project“Rainbow Energy”

Nakamurea 2000DCCP2

Heinig 2011MRS Spring Meeting

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Flüssigphasen Kristallisation von a-Si Schichten auf Glas(Anlage: LIMO Activation Line 30)

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Flüssigphasen Kristallisation von a-Si Schichten auf Glas(Anlage: LIMO Activation Line 12)

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5. Beispiel 2: Dünnschicht Elektroden

Verbesserung der optischen und elektrischen Eigenschaften von TCOs, Metallen und anderen leitenden Materialien

• Sintern Kompaktierung von gesputterten oder gedruckten Schichten

• Annealing Reduktion von intra- und inter-grain Defekten

HZDR0,2µm cold sputteredZnO:Al, as deposited

After 1ms LIMO vRTP laser heat treatment

HZDR-LIMO

2020



5. Beispiel 2: Dünnschicht Elektroden

Verbesserung der optischen und elektrischen Eigenschaften von TCOs, Metallen und anderen leitenden Materialien

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5. Beispiel 3 : Resonante Lichtkopplung in PV Abso rber

Integration von Funktionsschichten mit plasmonischen Eigenschaften

• Entnetzung von Metallschichten und Erzeugung von nano-skalienMetalltropfen auf und in Schichtstapeln

A. Polman, Material for Sustainable Energy, Vol9, 03, 2010

De-wetting and self-organization of metal layer using LIMO laser sources

Confirmation of the simulation results of Heinig, Röntzsch et. al.

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5. Beispiel 4: Schutzschichten auf Stahl

• Legieren und Glätten mit minimaler Thermo-Einflußzone

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5. Beispiel 5: Beschichtungen auf Metall

• Metallurgische Anbindung von Nickelbasislegierungen auf Stahl

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• Sintern, Schmelzen und Glätten von TiAl6V4 Oberflächen

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• Keramikbeschichtungen auf Stahl

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5. Beispiel 8: Großflächige Beschichtungen auf Meta ll

• Legierung von Pulverbeschichtungen auf großen geschlossenen Flächen

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5. Beispiel 9: Gedruckte Metallische Schichten

• niederohmige metallische Leiterbahnen auf Papier, Folien und Glas

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5. Beispiel 9: Gedruckte Metallische Schichten

• niederohmige metallische Leiterbahnen auf Papier, Folien und Glas

Herstellung der Tinten und der Leiterbahnen durch das Fraunhofer IKTS, Dresden

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• Skalierbare Laserquellen mit Linien-Strahlprofilen ermöglichen hohe

Flächenraten beim selektiven, homogenen Tempern von Oberflächen

• Schnelles Schalten zwischen Hochtemperatur- und

Niedertemperaturprozesse ermöglicht eine definierte thermische

Funktionalisierung und Anbindung von Beschichtungen

• Energieeffiziente und präzise thermische Bearbeitung auf Basis z.B.

von modularen Hochleistungs-Diodenlaserquellen

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• Kontinuierliche Erweiterung des Anwendungsspektrums durch

Anpassung und Optimierung der Laser-Material Wechselwirkung

• Erweiterung der möglichen Substratmaterialien, z.B. Metalle, Keramik,

Papier, Polymer, Halbleiter, Kristalle

• Neue Temperwerkzeuge erweitern das Funktionsspektrum von

Oberflächen und Beschichtungen in Fertigungsprozessen

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Danksagung

Die Ergebnisse wurden u.a. im Rahmen des Projektes „RainbowEnergy“ (TUR 09/241)

durchgeführt und durch das BMBF und TÜBITAK gefördert.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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