Um die Ursache der Präzisionslücke zu verstehen, ist es notwendig, zunächst die Unterschiede in den Funktionsprinzipien der beiden Prozesse zu erkennen.
Hochpräzise Logik der photochemischen Methode
Das photochemische Verfahren, das in der Elektronikfertigung üblicherweise der Photolithographie entspricht, hat die Kernlogik „optische Bildgebung + chemisches Ätzen/Abscheiden“. Es nutzt die Empfindlichkeit des Fotolacks gegenüber bestimmten Lichtwellenlängen und projiziert Muster durch eine Maske auf die Oberfläche des mit Fotolack beschichteten Substrats. Der belichtete Bereich unterliegt einer photochemischen Reaktion, die nach der Entwicklung ein äußerst feines, korrosionsbeständiges Muster bildet.
Was bestimmt die Genauigkeit der photochemischen Methode? Wellenlänge der Lichtquelle, Auflösung des optischen Linsensystems, Maskengenauigkeit und Fotolackleistung. In der Halbleiterfertigung kann die Lithographie im tiefen Ultraviolett (DUV) und sogar im extremen Ultraviolett (EUV) die Strukturgröße auf wenige Nanometer reduzieren. Die Kanten der Grafik verlaufen nahezu vertikal, die Linienbreite ist äußerst gleichmäßig und es kommt nahezu zu keiner Verformung durch physischen Kontakt. Dies ist der wesentliche Grund, warum mit der fotochemischen Methode zig Millionen Transistoren auf Siliziumwafern graviert werden können.
Der Genauigkeitsengpass beim Siebdruck
Das Prinzip des Siebdrucks ist völlig anders. Durch den Schaberdruck wird Tinte (oder Schlamm) durch den Öffnungsbereich des Siebs komprimiert und auf die Oberfläche des Substrats übertragen. Der Mechanismus des „physikalischen Durchquetschens durch das Netz“ führt dazu, dass die Genauigkeit mit mehreren unüberwindbaren Grenzen verbunden ist:
Strukturelle Einschränkungen von Siebgeweben
Das Drahtgeflecht selbst besteht aus miteinander verwobenen Kett- und Schussfäden. Egal wie fein die Maschen sind oder wie hoch die Maschenweite ist, die Maschenlöcher sind immer diskrete quadratische oder annähernd quadratische Öffnungen. Beim Drucken feiner Linien wird Tinte durch diese diskreten Öffnungen übertragen, und die Kanten der Linien weisen zwangsläufig einen „Sägezahneffekt“ auf – genau wie die Verwendung von Blöcken zur Erzeugung diagonaler Linien, die auf mikroskopischer Ebene niemals glatt sind. Dies ist der wesentliche Grund, warum die Genauigkeit des Siebdrucks die physikalische Grenze nicht überschreiten kann.
Fluss und Diffusion von Tinte
Nachdem die Tinte aus dem Netz extrudiert wurde, fließt und diffundiert sie bis zu einem gewissen Grad auf der Oberfläche des Substrats (insbesondere bei Materialien mit hoher Oberflächenenergie). Diese Kapillardiffusion kann dazu führen, dass die gedruckten Linien etwas breiter sind als die Öffnungen auf dem Bildschirm, was zu unscharfen Kanten führt. Beim fotochemischen Gesetz gibt es dieses Problem nicht – das Muster des Fotolacks wird streng durch die Belichtungsfläche definiert und die Kanten sind nach der chemischen Entwicklung scharf.
Abstreiferdruck und Verformung des Maschenabstands
Beim Siebdruck drückt der Schaber das Sieb gegen das Substrat, wodurch eine elastische Verformung des Siebs entsteht; Nach dem Schaben prallt der Bildschirm zurück und löst sich. Während dieses Vorgangs wird die übertragene Tintenmenge durch den Druck, den Winkel, die Geschwindigkeit und den Maschenabstand (den Spalt zwischen dem Sieb und dem Substrat) des Schabers beeinflusst. Jede kleine Schwankung der Parameter kann zu einer ungleichmäßigen Dicke der Tintenschicht führen, was wiederum die Konsistenz der Linienbreite beeinträchtigt. Das fotochemische Verfahren gehört zur berührungslosen Bildgebung (Projektionsbelichtung) und beinhaltet keine physikalische Kontaktverformung.
Der natürliche Widerspruch zwischen Filmdicke und Genauigkeit
Ein einzigartiger Vorteil des Siebdrucks ist die Möglichkeit, dicke Farbschichten (von einigen Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern) zu drucken, was mit fotochemischen Methoden nur schwer zu erreichen ist. Allerdings wird beim Dickschichtdruck die Schrumpfung und das Fließen der Tinte während des Trocknungs-/Sinterprozesses die Kantengenauigkeit weiter verringern. Das Streben nach hoher Präzision erfordert Einbußen bei der Foliendicke, und das Streben nach einer dicken Folie erfordert die Akzeptanz einer Verringerung der Genauigkeit – dies ist ein schwieriger Kompromiss in der Siebdrucktechnologie.
Insgesamt liegt die stabile Genauigkeit des industriellen Siebdrucks in der Regel zwischen ± 20 μm und ± 50 μm (je nach Ausrüstung und Prozessniveau), während mit dem fotochemischen Verfahren problemlos ± 1 μm oder sogar mehr erreicht werden können. Die beiden unterscheiden sich hinsichtlich der Genauigkeitsdimension völlig.
