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