DE10113709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung geometrisch genauer Kopien von Untermengen punktförmiger Stellen - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für eine biochemische Analyse schlägt vor, einen Träger mit einer großen Zahl von pits herzustellen, die längs einer Spirale angeordnet sind. Ausgehend von einem Masterträger werden Kopien erzeugt, die Untermengen der pits des Masterträgers enthalten. Bei der Herstellung der Kopien werden die pits des Masterträgers gelesen und die Spur des Lasers entsprechend der Anordnung der pits des Masterträgers korrigiert.

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Problematik der räumlich exakten Abbildung von Untermengen eines geometrischen Musters von Strukturen.

Ein Anwendungsfall, wo geometrische Muster von Strukturen exakt abgebildet werden sollen, ist die analytische Chemie. Auf einem einmal verwendbaren Träger sollen an exakt defi­ nierten sehr kleinen Stellen Moleküle aufgebracht werden. Es werden sehr komplexe Variationen von unterschiedlichen Mole­ külen auf unterschiedliche Stellen aufgebracht. Dabei sollen auf unterschiedliche Untermengen von Strukturen unterschied­ liche Moleküle mittels Stempeltechnik aufgebracht werden, wodurch eine direkte und räumlich reproduzierbare Adres­ sierung der Strukturen erreicht wird. Eine solche Anordnung ließe sich unter anderem für komplexe analytische Nachweis­ verfahren verwenden, welche in der Mehrzahl auf der optischen Detektion von Moleküleigenschaften beruhen. Eine weitere Anwendung wäre die Erstellung von Molekülbibliotheken auf einem Träger.

Nach derzeitigem Stand der Technik umgeht man komplizierte geometrische Anordnungen und weicht auf rasterförmig angeord­ nete Strukturen aus. Dies bedingt jedoch spezielle Apparatu­ ren für die räumlich hochaufgelöste optische Detektion der Moleküle auf den Strukturen.

Es ist bereits bekannt, derartige Messträger mit den Methoden der Herstellung von CDs herzustellen (WO 00/22677). Masken zur Erstellung von CD-Mastern werden mittels eines Lasers auf eine sich drehende, mit Fotolack beschichtete runde Glas­ scheibe sequenziell geschrieben, zur Erzeugung eines Glas- Masters. Dabei werden bis zu 10¹⁰ kleine Flächen belichtet, die hintereinander auf einer spiralförmigen Linie angeordnet sind. Nach Entwicklung des belichteten Fotolacks bilden diese kleinen Flächen, die in der vorliegenden Beschreibung als punktförmige Stellen bezeichnet werden. Es handelt sich um Löcher, die eine Tiefe von etwa 150 nm haben. Durch diese Löcher wird beim Abscheiden von Nickel auf dem Glas-Master die pit-Struktur des sogenannten Nickelmasters definiert. Der Nickelmaster, auch "father" bezeichnet, wird in einen negativen Nickelmaster umkopiert, der auch als "mother" bzw. Matrize bezeichnet wird. Die Abformungen des negativen Nickelmasters bilden die Spritzform für die Herstellung der CDs. Sequentielle pit-Muster können zwar mit großer Präzision geschrieben werden, jedoch weisen die so erstellten Spiral­ spuren bei wiederholtem Schreiben desselben Datenstroms selbst mit den modernsten Recordern Toleranzen im Bereich von 5 µm auf, da sich die Spurfehler über viele tausend Spuren aufaddieren. Damit ist die Herstellung kongruenter Master mit partiell moduliertem Bitmuster zum Stempeln nicht möglich. Eine CD-Produktion mittels konventioneller Lithografiever­ fahren, wie sie für die Mikroprozessorherstellung verwendet wird, ist nicht ohne weiteres möglich, da die Datenmenge durch die Anforderungen an die optische Auflösung nur schwer handhabbar ist, sehr viel Zeit benötigt und damit teuer ist.

In der Struktur einer CD gibt es in der Ebene der Verspiege­ lung normalerweise die sogenannten pits, nämlich Vertiefun­ gen von unter 1 µm Größe, die die Verspiegelung stören, sowie die sogenannten lands, das heißt plane verspiegelte Zwischen­ räume zwischen den pits. Diese Standardstrukturen werden als Informationsträger benutzt und dienen dabei gleichermaßen zum "Tracking", d. h. der Spurführung des Lesekopfes.

Die Fläche, die von den pits belegt wird, ist klein gegenüber den verspiegelten Lands. Die pits werden daran erkannt, dass sie das Licht nicht reflektieren. Es ist daher nicht zwingend erforderlich, dass die pits Vertiefungen sind. Es können auch unregelmässig geformte Erhöhungen sein oder sonstige Stellen, an denen die Verspiegelung unterbrochen ist. Der Einfachheit halber wird aber hier die Bezeichnung "pit" für die nicht- reflektierenden Stellen weiter verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit deren Hilfe geometrisch genaue Abbildungen von Untermengen der punktförmigen Stellen eines Trägers hergestellt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Die Erfindung schlägt ebenfalls eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An­ spruchs 8 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut ebenso wie der Wortlaut der Zusammenfassung durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschrei­ bung gemacht wird.

Ziel des hier beschriebenen Verfahrens ist die Anpassung von geeigneten Nachweis-Trägern für die Analytik unter Verwendung von Massenprodukten der Unterhaltungselektronik wie z. B. CD- Player. Diese sind in großer Stückzahl zu niedrigen Preisen verfügbar und millionenfach verbreitet. Gleichermaßen geeig­ net wie CD sind deren Weiterentwicklungen, wie CD-ROM, CD-R und DVD sowie magneto-optische und magnetische Träger. In der weiteren Beschreibung wird der Begriff CD immer synonym für alle solchen Träger und Messträger verwendet.

Im Stand der Technik, wie er oben angegeben ist, werden die pit-Muster durch die Steuerung des Schreib-Lasers erzeugt, eine weitere Verwendung dieser Muster ist nicht vorgesehen. Nach der Erfindung wird der vorher erzeugte Masterträger dazu verwendet, durch Abtasten der dort vorhandenen Spuren von pits die Position der pits auf dem Submaster zu bestimmen. Auf diese Weise wird die Geometrie des Masters exakt auf die Submaster vererbt. Die Submaster dienen anschliessend zur Erzeugung von Stempeln für die Adressierung von Molekülen auf den Strukturen. Dadurch lassen sich auf Untermengen der Standardstrukturen unterschiedliche Moleküle mittels Stempel adressieren. Ferner lassen sich auch neudefinierte Strukturen einfügen, die mit den Anforderungen des Trackings und der Informationsträger kompatibel sind.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die punktförmigen Stellen des Masterträgers mit Hilfe einer foto­ empfindlichen Schicht hergestellt werden, die von einem ge­ steuerten Laser entsprechend vorgegebener Daten belichtet wird.

Es ist aber ebenfalls möglich und liegt im Rahmen der Er­ findung, dass ein Master, beispielsweise aus Glas bestehend, durch Aufstempeln von positivem/negativem Fotolack erzeugt wird.

Von diesem gestempelten Glasmaster lassen sich dann erfin­ dungsgemäss Untermengen von Stempeln dadurch herstellen, dass gezielt bestimmte punktförmige Stellen selektiv belichtet werden. Dadurch können Strukturen selektiv polymerisiert bzw. evaporiert werden.

Die pits bzw. punktförmigen Stellen des Masterträgers können erfindungsgemäss in Weiterbildung mit Hilfe einer fotoem­ pfindlichen Schicht bzw. eines Fotolacks hergestellt werden, die von einem gesteuerten Laser belichtet wird. An die Be­ lichtung anschliessend kann dann der belichtete Teil chemisch weggelöst, und die pits können durch Nickelabscheidung herge­ stellt werden. Auf diese Weise wird die spiralförmige Anord­ nung der pits hergestellt. Darüber hinaus kann eine Aus­ gangsmarke gesetzt werden, die es ermöglicht, durch Zählen die Position eines speziellen pits zu ermitteln. Durch diese Art der Herstellung können bekannte Technologien weiter verwendet werden.

Es ist selbstverständlich auch möglich, in den pits zusätz­ liche Informationen unterzubringen, beispielsweise eine Seriennummer des Messträgers, produktspezifische Anwendungs­ software, Informationen über die am jeweiligen Ort aufge­ brachten Moleküle, anwendungsbezogene Datenbanken und der­ gleichen.

An Hand einer spiralförmigen Anordnung von pits, wie sie auf einer üblichen CD vorliegt, soll ein Beispiel näher disku­ tiert werden. Für die Laserlithografie wird ein modifizierter CD-Brenner verwendet, der in der Lage ist, Glasmasterscheiben direkt zu lesen. Eine bereits geätzte Glasmasterscheibe wird Stirn an Stirn mit einer mit nicht reflektierenden, mit Foto­ lack beschichteten Scheibe (Submasternegativ) in die Anlage gelegt. Der Lesekopf hat einen Niedrigenergielaser, mit dem er nach dem herkömmlichen Verfahren die pit Spur abliest. Jedes pit wird durch die unterschiedlichen Reflexionseigen­ schaften der Lacke erkannt und der als Datenstrom bekannten Urmasterstruktur zugeordnet. Für jeden Submaster liegt ein separater Datenstrom vor, der die auf dem Submaster zu be­ lichtenden pits beschreibt. In Echtzeit wird der Submaster- Datenstrom anhand des gelesenem Datenstroms vom Urmaster generiert und angepasst. Entsprechend dem Submaster-Daten­ strom wird der Hochenergielaser kurzzeitig aktiviert, wodurch ein pit in das Submasternegativ geschrieben wird. Nach dem Entwickeln des Submasternegativs kann dieses noch einmal kopiert werden, beispielsweise durch Kontaktbelichtung, um ein positives Abbild des Submasters zu erhalten.

Die Steuerungssoftware zeichnet für jeden zu masternden Datenblock die Blockkoordinaten, bestehend aus der radial nach aussen ansteigenden Track Nr. und dem Offset des Blocks relativ zu einer Nullmarke auf dem Träger auf. Dies ermög­ licht beim anschliessenden Softprinting mittels eines Stem­ pels die eindeutige Zuordnung eines Datenblocks beim Auf­ bringen vieler verschiedener Substrate.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung er­ geben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen der Erfindung, den Patentansprüchen, sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 bis 6 die Verfahrensstufen zur Herstellung eines Messträgers;

Fig. 7 bis 9 Verfahrensstufen zur Herstellung eines Stem­ pels;

Fig. 10 bis 12 unterschiedliche Verfahrensstufen bei einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 13 eine Möglichkeit der Herstellung eines Sub­ masters ausgehend von der Masterstruktur;

Fig. 14 eine weitere Möglichkeit der Herstellung eines Submasters.

Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfacht einen Querschnitt durch einen Glasmaster 1, der auf seiner einen Seite mit einem Fotolack 2 beschichtet ist. Dies bildet den Ausgang für die Erstellung eines Masters. Die Schicht 2 des Fotolacks wird mit Hilfe eines gesteuerten Lasers belichtet, wobei der Laserstrahl punktförmige Stellen belichtet, die längs einer spiralförmigen Linie angeordnet sind. Diese bildet die in Fig. 2 schematisch dargestellte Urspirale.

Durch Nickelabscheidung wird ein father 3 (siehe Fig. 3) erzeugt, der also ein Negativ der Struktur der Fig. 2 darstellt. Durch eine weitere Nickelabscheidung wird von dem father 3 eine mother-Struktur 4 erzeugt, siehe Fig. 4. Von der mother-Struktur 4 wird durch einen weiteren Abscheidungs­ prozess eine son-Struktur 5 hergestellt. Es lassen sich beliebig viele son-Strukturen 5 herstellen. Diese son-Struk­ tur 5 wird dazu verwendet, mit Hilfe von Spritzgussverfahren Trägerstrukturen 6 in Form von CD-Rohlingen herzustellen, auf denen alle pits vorhanden sind. Dies ist in Fig. 6 darge­ stellt. Von beliebig vielen son-Strukturen 5 lassen sich auch beliebig viele Träger 6 erzeugen.

Fig. 7 zeigt, wie von dem in Fig. 2 dargestellten Glas­ master 1 ein mit negativem Fotolack beschichteter Glasmaster belichtet wird. Dies ergibt ein negatives Substrat 7, das in Fig. 7 oberhalb des Glasmasters 1 dargestellt ist.

Mit Hilfe eines Laserstrahls 8, der mit optischen Einrich­ tungen 9 fokussiert wird, wird durch das negative Substrat 7 hindurch die Fotolackschicht 10 eines weiteren Substrats 11 partiell belichtet (siehe Fig. 8). Von diesem weiteren Sub­ strat 11, das einen ersten Submaster darstellt, wird durch Abscheiden von Nickelstempeln bzw. durch nochmaliges Elektro­ formen ein Negativ für einen Silikonstempel hergestellt. Dieser Stempel 12 ist in Fig. 9 dargestellt. Er enthält eine Untermenge von Erhöhungen 13, die zum Kontaktieren bestimmter Untermengen von Erhöhungen 14 der in Fig. 6 dargestellten Messträger 6 bestimmt sind. Durch ein ausgerichtetes Berühren der Stempel 12 mit den Messträgern 6 lassen sich Detektor­ moleküle auf bestimmte Erhöhungen bzw. pits des Messträgers aufbringen. Durch Verwendung einer großen Zahl von Stempeln, die mit Hilfe von vielen Submastern hergestellt werden, lassen sich die unterschiedlichsten Detektormaterialien auf die unterschiedlichen Untermengen von pits aufbringen.

Ein mit den Detektormolekülen versehener Messträger kann dann mit einer zu untersuchenden Probe benetzt werden, was zum Ablauf der verschiedensten Reaktionen führt. Das Ergebnis kann dann mit Hilfe eines CD-Geräts ausgelesen werden, wobei die Zuordnung zwischen den Messergebnissen und den Auswer­ tungen softwaremäßig erfolgt.

Fig. 10 und 11 zeigen eine Ausführung, bei dem ein nega­ tives Substrat 15 nach Beschichtung mit negativem Fotolack und Belichtung durch den Urmaster hindurch erzeugt wird. Aus dem negativen Substrat 15 wird durch Belichten ein negatives Substrat 18 spiegelbildlicher Spiralität hergestellt. Dieses negative Substrat 18 dient in ähnlicher Weise zur Herstellung eines son-Substrats 16, siehe Fig. 12, mit dessen Hilfe eine inverse CD 17 durch Spritzgiessform hergestellt werden kann. Bei dieser ragen die pits aus der dem Laser abgewandten Seite der CD heraus. Ausgehend vom Substrat 18 kann man ein wei­ teres Substrat mit der ursprünglichen Spiralität durch Be­ lichtung eines positiven Photolacks erzeugen. Dieses kann entsprechend Fig. 8 und 9 zu Mastern für Silikonstempel weiterverarbeitet werden, welche Untermengen der aus der CD herausstehenden "negativen" pits adressieren können.

In einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird ausgehend von einem negativen Substrat 7 durch kongruentes Mastering eine Ätzmaske erstellt, welche definierte Untermengen von lands adressiert. Aufbringen einer fotoresistiven Schicht auf einen son und anschliessendes Belichten durch die deckungs­ gleich aufgelegte Ätzmaske erlaubt nachfolgend gezieltes Ätzen des sons. Dadurch entstehen auf dem son Strukturen definierter Tiefe, welche nach dem Spritzguss auf der CD Erhöhungen darstellen, die aus der dem Laser abgewandten Seite aus der land-Ebene herausragen. Die Höhe dieser Struk­ turen kann verschieden sein von der Tiefe der pits. Die Erhöhung erlaubt grössere Toleranzen sowohl bei der Herstel­ lung der Stempel als auch bei dem Alignment von CD und Stempel.

Fig. 13 zeigt detaillierter einen alternativen Verfahrens­ schritt zu dem in Fig. 8 dargestellten Verfahren. Ein Laserdoppelkopf 20 enthält zwei fest verbundene Laserköpfe. Ein Laserkopf dient zum Erzeugen eines schwachen Lesestrahls, dargestellt durch den Doppelpfeil 21. Dieser Lesestrahl 21 liest den negativ orientierten CD-Master 22 aus. Der Laser­ kopf 20 enthält einen zweiten starken Laser, der einen Schreibstrahl 23 gesteuert erzeugt. Dieser Schreibstrahl 23 lässt sich durch die Logik des Doppelkopfs 20 ein- und ausschalten. Ein angekoppelter Rechner sucht die zu kopie­ rende Untermenge der pits des Masters aus und steuert die Lese-Schreib-Logik. Die feste Verkopplung der beiden Laser­ köpfe, in Verbindung mit einer Festlegung einer parallelen Ausrichtung zur Drehachse, sichert eine räumliche 1 : 1 Struk­ tur der Untermengenstruktur der pits. Die eigentliche Proze­ dur zur Manipulation des Stempels besteht in dem Aushärten bzw. dem Eintrag in die Masterstempelstruktur 24, die an der Unterseite eines Stempelhalters 25 beispielsweise durch Unterdruck festgehalten wird. An der Unterseite des Stempel­ halters 25 vorhandenes Lösungsmittel 26 wird durch die Belichtung mit dem Schreibstrahl 23 ausgehärtet. Nach dem vollständigen Schreiben der Untermenge von pits wird das überflüssige Lösungsmittel ausgespült und entfernt. Das Tracking erfolgt nur in Leserichtung, da beide Köpfe starr verbunden sind und der ganze Kopf bewegt wird. Die Anpassung der Brennpunkte erfolgt in beiden Armen.

Fig. 14 zeigt eine Vorrichtung, die der Vorrichtung nach Fig. 13 ähnlich ist. Sie dient hier zur Herstellung einer positiven Subkopie eines CD-Masters. Durch die Achse 27 ver­ bunden rotieren der CD-Master 22 und die herzustellende Sub­ kopie 28 des CD-Masters synchron zueinander. Die dem Laser­ kopf 20 zugewandte Seite der Kopie 28 ist mit einer Schicht 29 aus Fotolack beschichtet, die durch den Schreibstrahl 23 belichtet werden kann. Ein angekoppelter Rechner sucht die zu kopierende Subgruppe der Master-CD pits aus und steuert die Lese-Schreib-Logik. Es wird dabei auf eine angepasste Fokus­ grösse der beiden Strahlen, nämlich des Lesestrahls 21 und des Schreibstrahls 23, geachtet. Bei gleicher Grösse des Fokus der beiden Strahlen resultiert daraus eine 1 : 1 Kopie der pits.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines geometrisch genauen Abbilds individuell auswählbarer punktförmiger Stellen aus einer Vielzahl von einem vorgegebenen Muster entsprechend an­ geordneten Stellen eines Messträgers (6), mit folgenden Verfahrensschritten:

• 1. 1.1 auf einem Substrat zur Bildung eines Master­ trägers (1) werden alle möglichen punkt­ förmigen Stellen hergestellt,
• 2. 1.2 von dem Masterträger (1) wird mindestens ein Messträger (6) mit allen punktförmigen Stellen abgeleitet,
• 3. 1.3 von dem Masterträger (1) wird durch selektives Kopieren der punktförmigen Stellen des Master­ trägers (1) mindestens ein Submasterträger (11) erzeugt, wobei
  • 1. 1.3.1 beim Kopieren der punktförmigen Stellen ein Laser durch Nachführen seiner Bahn entsprech­ end der Spur der punktförmigen Stellen auf dem Masterträger (1) korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die punkt­ förmigen Stellen des Masterträgers (1) mit Hilfe einer fotoempfindlichen Schicht (2) hergestellt werden, die von einem gesteuerten Laser entsprechend vorgegebener Daten be­ lichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der insbesondere aus Glas bestehende Masterträger (1) durch Aufstempeln von positivem/negativem Fotolack erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der mindes­ tens eine Submasterträger durch gezieltes Be­ lichten des gestempelten Masterträgers (1) zur selektiven Polymerisierung bzw. Evaporierung von Strukturen hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die punktförmigen Stellen längs einer Spirale angeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anordnung der punktför­ migen Stellen den Anordnungen der pits einer CD entspricht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Koordinaten eines pits durch Zählen der Umdrehungen des Trägers von einer Null-Marke ausgehend bestimmt werden.

8. Vorrichtung zum Herstellen eines geometrisch genauen Abbilds individuell auswählbarer punktförmiger Stellen aus einer Vielzahl von einem vorgegebenen Muster entsprechend ange­ ordneten Stellen eines Trägers, mit

• 1. 8.1 einem einen Lesestrahl (21) erzeugenden Laser,
• 2. 8.2 einem einen Schreibstrahl (23) erzeugenden Laser, die
• 3. 8.3 mechanisch zu einem Laserkopf (20) zusammen­ gefasst sind,
• 4. 8.4 einer Halterung für den Masterträger (22),
• 5. 8.5 einer Halterung für den Kopieträger (24, 28),
• 6. 8.6 einem Drehantrieb zum synchronen Antrieb beider Halterungen,
• 7. 8.7 einem Antrieb zum Verschieben des Laserkopfs (20) in radialer Richtung, sowie
• 8. 8.8 einer Steuerung zum Steuern der Bewegung des Antriebs des Laserkopfs (20) und der beiden Strahlen (21, 23) des Laserkopfs.