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Kurzfassung

Im Rahmen des Helmholtz Innovation Labs "BlitzLab" am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) werden in Kooperation mit Industriepartnern Verfahren der Ultrakurzzeitausheilung für verschiedene Anwendungsfelder entwickelt und optimiert. Oberstes Ziel ist dabei die Verbreitung und der Transfer dieser Technologien in die Industrie und anwendungsnahe Forschungsbereiche. Das BlitzLab bietet seinen Kooperationspartnern Zugriff auf ein Temperlabor mit mehreren Blitzlampen- und Laseranlagen sowie, in Zusammenarbeit mit dem HZDR, auf viele weitere Methoden der Materialbehandlung und Materialanalyse.

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Hintergrund

Bei der thermischen Behandlung von Werkstoffen mittels Ultrakurzzeitausheilung werden hohe Temperaturen in sehr kurzen Zeiten (Nano- bis Millisekunden) appliziert, sodass nur oberflächennahe Bereiche der Werkstoffe die Maximaltemperatur sehen, während der größte Teil nicht oder nur moderat erwärmt wird. Das Helmholtz Innovation Lab „BlitzLab“ konzentriert sich auf neue Materialien und Verfahren für die folgenden Anwendungsbereiche Elektronik und gedruckte Elektronik, Sensorik und Energiespeichermaterialien. Da aber auch die Synthese neuer Materialien durch das Ultrakurzglühen (usA) möglich ist, sind weitere Anwendungsbereiche denkbar.

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Bilder & Videos

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Problemstellung

Bei der Blitzlampenausheilung (FLA) wird ein Energiespeicher über eine einzelne Blitzlampe oder ein Feld von Blitzlampen entladen. Der dadurch entstehende Lichtpuls wird vom Substrat oder Wafer absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Reflektor maximiert die Lichtintensität auf der Vorderseite des Substrats, während ein optional vorhandenes  Vorheizsystem auf der Rückseite (meist Heizplatte oder Halogenlampen) das Substrat vorheizt. Dadurch können höhere Maximaltemperaturen erreicht und thermische Spannungen reduziert werden.

Abhängig von der Anwendung können die Energiedichte (Intensität), die Pulslänge, die Wiederholungsrate, die Temperatmosphäre (Luft, Inertgas, Vakuum usw.), die Lampenanordnung und die Handhabung enorm variiert werden. Diese ultrakurzen Tempertechnologien haben im Vergleich zu konventionellen thermischen Behandlungen folgende Vorteile:

• Energieeinsparung, da nur oberflächennahe Bereiche erwärmt werden müssen
• Einsparung an Prozesszeit (bzw. höherer Durchsatz)
• Einsatz temperaturempfindlicher Substrate, die meist preiswerter und ökologisch unbedenklicher sind
• Synthese neuer Materialien im thermischen Nichtgleichgewicht

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Lösung

Die Entladung des Energiespeichers erzeugt einen Strompuls, der in der Blitzlampe in einen Lichtpuls umgewandelt wird. Pulszeit und Pulsform werden im Wesentlichen durch die elektrotechnische Beschaltung des Energiespeichers (z.B. eine bestimmte Spulen-Kondensator-Kombination) bestimmt. Typische Pulszeiten liegen im Bereich einiger 100 µs bis einige 10 ms. Die Pulszeit entspricht näherungsweise der Halbwertsbreite des Licht- oder Strompulses.

Der Lichtpuls zeigt ein breitbandiges Spektrum vom UV bis in den nahen Infrarotbereich mit einem Maximum im blau-grünen Spektralbereich. Mit zunehmender Intensität des Lichtpulses gibt es eine leichte Verschiebung in den UV Bereich. Bei einer UV-Unverträglichkeit des Substrates kann der UV-Anteil herausgefiltert werden.

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Vorteile

• Deutliche Einsparung von Prozesszeit
• Deutliche Energieeinsparungen
• Synthese neuer Materialien
• temperaturempfindliche Substrate
• Zugriff auf die BlitzLab-Ressourcen: Werkzeuge, Technologie, Know-how

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Anwendungsbereiche

Das Helmholtz Innovation Lab „Blitz Lab“ konzentriert sich auf neue Materialien und Verfahren für die folgenden Anwendungsbereiche:

• Elektronik und gedruckte Elektronik (funktionale Halbleiterschichten)
• Sensoren und Photovoltaik
• Energiespeichermaterialien und -technologie

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Service

Das BlitzLab bietet Kunden:

• Verarbeitung von Materialien Ihres Interesses für industrielle oder wissenschaftliche Anwendungen
• Forschungs- und Validierungsprojekte zu usA
• Dienstleistungen im Bereich usA
• Methoden der Materialanalyse und Ionenstrahltechnologie in Zusammenarbeit mit dem Ion Beam Center (IBC) am HZDR