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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum lithographischen Erzeugen von
Nano- und/oder Mikrostrukturen
auf einem Substrat mit einer dreidimensionalen Makrooberfläche gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, einen Stempel zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11 sowie ein mittels des Verfahrens hergestelltes Substrat
12.
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Bei
der Fotolithographie handelt es sich um ein gängiges Verfahren der Halbleitertechnik,
bei dem zunächst
ein Fotolack (sogenannter Fotoresist) auf ein Substrat mit einer
zweidimensionalen, d. h. ebenen, Oberfläche, insbesondere einen Wafer
aufgetragen wird, wobei der Fotolack sodann mithilfe einer UV-Belichtung
durch eine Maske an den belichteten Stellen chemisch verändert wird.
Daraufhin wird das belichtete Substrat in eine Entwicklerlösung getaucht,
die entweder die belichteten Fotolackregionen (Positivlack) oder
die unbelichteten Fotolackregionen (Negativlack) ablöst. Auf
dem Substrat bleibt der strukturierte Fotolack zurück, wobei
die maximale Tiefe der eingebrachten Strukturen von der Höhe des zuvor
aufgebrachten Fotolacks abhängt.
Zweistufige Verfahren sind durchführbar, jedoch sind diese Verfahren
vergleichsweise aufwendig, da die untere Fotolackschicht gegenüber der
Belichtung der oberen Fotolackschicht unempfindlich sein muss, um
zu verhindern, dass beide Schichten gleichzeitig strukturiert werden.
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Bei
einem weiteren lithographischen Verfahren handelt es sich um die
sogenannte Nanoimprint-Lithographie (NIL). Bei diesem Verfahren
wird PMMA, welches auf ein Substrat mit einer zweidimensionalen
Makro-Oberfläche
aufgebracht wurde, mittels eines Stempels strukturiert. Der zur
Anwendung kommende Stempel, dessen Makro- Oberfläche ebenfalls zweidimensional
ist, kann beispielsweise mit dem sogenannten LIGA-Verfahren mit
sehr feinen Strukturbreiten hergestellt werden.
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Bekannt
ist es auch, eine dreidimensionale Makro-Oberfläche zunächst durch Aufbringen einer Planarisierungsschicht
zu planarisieren, also in eine ebene, zweidimensionale Oberfläche umzuwandeln und
diese dann zu strukturieren, wobei in diesem Fall eine zweidimensionale,
strukturierte Makro-Oberfläche
und nicht eine strukturierte dreidimensionale Makro-Oberfläche erhalten
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dem ein nano- und/oder mikrostrukturiertes Substrat mit einer dreidimensionalen
Makrooberfläche
erhalten werden kann. Ferner besteht die Aufgabe darin, einen geeigneten
Stempel für
ein derartiges Verfahren sowie ein mit einem derartigen Verfahren
hergestelltes Substrat vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs
1, hinsichtlich des Stempels mit den Merkmalen des Anspruchs 11
und hinsichtlich des Substrates mit den Merkmalen des Anspruchs
12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zum Erzeugen von Nano- und/oder
Mikrostrukturen auf bzw. in einem Substrat mit einer dreidimensionalen
Makro-Oberfläche
einen an die Makro-Oberfläche
des Substrates angepassten Stempel zu verwenden, also einen Stempel,
der ebenfalls eine dreidimensionale Makro-Oberfläche aufweist, die zumindest
abschnittsweise als Negativabbild der dreidimensionalen Makrooberfläche des
Substrates ausgebildet, also formkongruent zu der Makro-Oberfläche des
Substrates beschaffen ist. Unter Makro-Oberfläche sind dabei in einem weitesten
Sinn sämtliche
Oberflächen
zu verstehen, die von einer zumindest näherungsweise exakt ebenen,
d. h. zweidimensionalen, Makro-Oberflächenstruktur abweichen, wie
sie bei bisherigen Lithographieverfahren, insbesondere als geschliffene
Wafer-Oberfläche, zum
Einsatz kommt. Im engeren Sinn wird unter einer Makro-Oberfläche eine
im Millimeter- und/oder Zentimeterbereich (makro-)strukturierte
Oberfläche
verstanden. In einem engsten Sinn wird unter einer Makrooberfläche eine
Oberfläche
verstanden, die mindestens einen Stufenabschnitt von mindestens
10 μm Höhe aufweist.
Anders ausgedrückt,
weist die Makrostruktur Höhenunterschiede
auf, die bei der klassischen 2D-Lithographie
zu einem Fokusverlust führen
würden.
Um mittels des Stempels, dessen dreidimensionale Makro-Oberfläche zumindest
abschnittsweise formkongruent zur dreidimensionalen Makro-Oberfläche des
Substrates ausgebildet ist, Nano- und/oder Mikrostrukturen in das
Substrat einbringen zu können,
muss das Substrat zunächst,
zumindest in dem Bereich, in dem die Nano- und/oder Mikrostrukturen
eingebracht werden sollen, mit einer zu strukturierenden Substanz
beschichtet werden. Bevorzugt ist dabei die Schichtdicke der Substanz dünner als
die Tiefenerstreckungen der Makro-Oberfläche des Substrates. Das Aufbringen
der zu strukturierenden Substanz kann beispielsweise durch Besprühen des
Substrates mit der Substanz oder Eintauchen des Substrates in die
Substanz erfolgen. Die Höhe
der aufgebrachten Substanzschicht entscheidet über die maximale Tiefe der
einzubringenden Nano- und/oder Makrostruktur. Vor oder bevorzugt
nach dem Aufbringen der zu strukturierenden Substanz auf das Substrat
werden das Substrat und der Stempel relativ zueinander positioniert,
derart, dass die negative dreidimensionale Makro-Oberfläche des Stempels
exakt zu der positiven dreidimensionalen Makro-Oberfläche des
Substrates ausgerichtet ist und der Stempel und das Substrat im
Hinblick auf ihre Makro-Oberfläche
nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip aufeinander
passen. Um die Nano- und/oder Makrostrukturen in der zu strukturierenden
Substanz erzeugen zu können,
ist auf der dreidimensionalen Makrooberfläche des Stempels eine Negativ-Nano-
und/oder Mikrostruktur vorgesehen. Diese kann beispielsweise durch
Erodieren, Mikrofräsen
oder auch Gießen,
beispielsweise in PDMS, erzeugt werden. Nach dem relativen Ausrichten
des Stempels und des Substrates zueinander erfolgt in einem weiteren
Schritt das Prägen
der Nano- und/oder Mikrostruktur in die Substanz durch Erzeugen
einer Relativbewegung zwischen dem Stempel und dem Substrat aufeinander
zu. Diese Stempelbewegung ist vorzugsweise weggesteuert ausgeführt. Bei
dem eigentlichen Stempelvorgang (Prägevorgang) passt sich dabei
die Substanz an die Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur des Stempels
an, so dass ein positives Abbild dieser Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur
in der Substanz als Nano- und/oder Mikrostruktur erzeugt wird.
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Das
nach dem Konzept der Erfindung ausgestaltete Verfahren eignet sich
beispielsweise zur Strukturierung dreidimensionaler Leiterplatten
oder zum Herstellen dreidimensionaler Fotomasken, insbesondere für fotolithographische
Verfahren.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass als
zu strukturierende, auf das Substrat aufzubringende Substanz eine
thermoplastische Substanz verwendet wird, also eine Substanz, die
sich durch Druck- und Wärmeeinwirkung
plastisch verformen lässt.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Substanz um einen Fotolack,
besonders bevorzugt um PMMA. Alternativ können auch Thermosets oder UV-polymerisierbare
Substanzen eingesetzt werden, wobei bevorzugt bei UV-polymerisierbaren
Substanzen der Stempel für
UV-Licht transparent ausgebildet ist.
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Um
die Substanz mittels des dreidimensionalen Stempels vereinfacht
nano- und/oder mikrostrukturieren zu können, ist in Weiterbildung
der Erfindung, insbesondere bei Verwendung einer thermoplastischen
Substanz, vorgesehen, dass die Substanz, insbesondere zusammen mit
dem Substrat, vor und/oder während
des Prägens
erhitzt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur, bei der eine plastische
Verformung der Substanz möglich
ist. Insbesondere handelt es sich bei dieser Temperatur um eine
Glasübergangstemperatur
der Substanz oder eine darüberliegende
Temperatur. Nachdem die Nano- und/oder Mikrostruktur in die Substanz
mittels des Stempels eingebracht wurde, wird bevorzugt die Substanz,
insbesondere zusammen mit dem Substrat, wieder abgekühlt, insbesondere
auf eine Temperatur, bei der die Substanz nicht mehr plastisch verformbar
ist. Die eingeprägte
Nano- und/oder Mikrostruktur wird quasi „eingefroren". Bevorzugt erfolgt das
Abkühlen
noch während
der Stempel auf das Substrat bzw. in die Substanz eingepresst ist,
um ein Verlaufen der Substanz und damit eine Zerstörung der
gerade eingebrachten Strukturen zu vermeiden.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform,
bei der der Stempel bereits vor dem Erhitzen mit der Substanz in
Kontakt gebracht wird, vorzugsweise derart, dass noch keine Prägung erfolgt. Bevorzugt
erfolgt das Prägen
(Relativbewegung) erst nach Erreichen der gewünschten Prägetemperatur der Substanz.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform,
bei der das Erhitzen der Substanz, insbesondere zusammen mit dem
Substrat, und/oder das Positionieren des Stempels relativ zu dem
Substrat und/oder das Prägen
in einer Vakuumatmosphäre
erfolgt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der mittels des Stempels unterschiedlich tiefe und/oder breite
Nano- und/oder Mikrostrukturen in die Substanz eingebracht werden
können,
der Stempel also eine Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur aufweist,
die unterschiedliche Tiefen- bzw. Höhenabschnitte und/oder unterschiedliche
Breitenabschnitte aufweist.
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Mittels
des Stempels lässt
sich die Höhe
der Substanz in Gräben
der Nano- und/oder Mikrostruktur auf Bruchteile der ursprünglichen
Schichtdicke reduzieren. Für
eine Vielzahl von Anwendungen ist es vorteilhaft, in diesen, stark
reduzierten Höhenbereichen
der Substanz, die Substanz vollständig von dem Substrat zu entfernen,
so dass die eigentliche Substratoberfläche zum Vorschein kommt. Dies
kann beispielsweise durch einen kurzen Ätzschritt, insbesondere unter
der Verwendung von Plasma, erfolgen.
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Um
die Komplexität
der Nano- und/oder Mikrostruktur weiter zu erhöhen, ist in Weiterbildung der Erfindung
mit Vorteil vorgesehen, dass nach dem Prägen, insbesondere nach dem
teilweisen Entfernen der Substanz, vorzugsweise mittels eines kurzen Ätzschrittes,
eine weitere Strukturierung der Substanz erfolgt. Diese Strukturierung
kann beispielsweise additiv, insbesondere durch Aufbringen, insbesondere
Aufdampfen, einer Metallisierung erfolgen oder subtraktiv, insbesondere
durch Ätzen
von Gräben. Vorzugsweise
durch das Ätzen
von Gräben
können beispielsweise
mikrofluidische Strukturen auf einfache Weise in dem durch den Prägeprozess
vorstrukturierten Substrat bzw. in der vorstrukturierten Substanz
eingebracht werden.
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Das
beschriebene Verfahren lässt
sich auch bei Substraten anwenden, deren Makro-Oberfläche auch auf der zur strukturierenden
Seite gegenüberliegenden
Seite dreidimensional ausgebildet ist, indem das Substrat nicht
auf einer zweidimensionalen, ebenen Halterung aufliegt, sondern
indem eine dreidimensionale, vorzugsweise formkongruent zur Anlagefläche des
Substrates ausgebildete Halterung vorgesehen ist.
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Die
Erfindung führt
auch auf einen Stempel zur Durchführung des zuvor beschriebenen
Verfahrens. Der Stempel ist gekennzeichnet durch eine dreidimensionale
Makrooberfläche,
die mit einer Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur versehen ist.
Wie eingangs erwähnt,
kann der Stempel zumindest teilweise, insbesondere der strukturierte
Bereich, aus PDMS ausgebildet werden, wobei in diesem Fall die Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur
beispielsweise durch Gießen
des PDMS mittels einer Gießform einbringbar
ist. Zusätzlich
oder alternativ können
die Negativ-Nano- und/oder Mikrostrukturen durch Erodieren oder
Mikrofräsen
eingebracht werden.
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Die
Erfindung führt
auch auf ein Substrat, welches mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens mit
einer Nano- und/oder Mikrostruktur versehen wurde. Beispielsweise
kann es sich bei dem Substrat um ein Polymer handeln, das durch
die nach dem Konzept der Erfindung durchgeführte Strukturierung als Maske
für Leiterbahnen
dienen kann. Ebenso ist es mittels des Verfahrens möglich, Fotomasken,
insbesondere für
fotolithographische Verfahren, herzustellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
ein Substrat mit einer dreidimensionalen Makro-Oberfläche,
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2:
das Substrat gemäß 1 mit
einer aufgebrachten, zu strukturierenden Substanz,
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3:
einen relativ zu dem Substrat positionierten Stempel mit einer zur
Makro-Oberfläche
des Substrates formkongruenten Makro-Oberfläche und mit in der Makro-Oberfläche vorgesehener
Nano- und/oder Mikrostruktur während
des Prägevorgangs und
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4:
ein fertig strukturiertes Substrat.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein Substrat 1, in diesem Fall ein Polymer, gezeigt. Das
Substrat 1 weist eine dreidimensionale Makro-Oberfläche 2 mit
einer Vielzahl von Ebenen 3a bis 3f auf, die sich
in unterschiedlichen Höhenpositionen
befinden, wobei die Makro- Höhendifferenz
zwischen den einzelnen Ebenen 3a bis 3f im Bereich
von etwa 10 μm
bis etwa 500 μm liegt.
Es sind auch Höhenunterschiede
im Millimeter- und/oder Zentimeterbereich realisierbar.
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Auf
diese dreidimensionale Makro-Oberfläche 2 wird unter Vakuum
in einem ersten Verfahrensschritt eine zu strukturierende Substanz 4,
in diesem Fall thermoplastisches PMMA, aufgesprüht, alternativ kann die Substanz 4 durch
Eintauchen aufgebracht werden. Die Dickenerstreckung der Substanz 4 ist
dabei (wesentlich) geringer als die Höhenunterschiede zwischen den
Ebenen 3a bis 3f (vergleiche 2).
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Stempel 5, in
diesem Fall aus PDMS, relativ zu dem Substrat 4 durch Verstellen
des Stempels 5 und/oder des Substrates 4 positioniert
und mit dem Substrat 4 in Kontakt gebracht (nicht gezeigt).
Der Stempel 5 weist eine aus 3 ersichtliche
dreidimensionale Makro-Oberfläche
mit Ebenen 7a bis 7f auf, wobei jeder Ebene 3a bis 3f des
Substrates 1 eine Ebene 7a bis 7f des
Stempels zugeordnet ist. Die dreidimensionale Makro-Oberfläche 6 des
Stempels 5 hat eine zur dreidimensionalen Makro-Oberfläche 2 des
Substrates 1 formkongruente Ausformung. Nach dem Inkontaktbringen
des Stempels 5 mit dem Substrat 1 erfolgt eine
Erwärmung
der Substanz 4, insbesondere durch Anordnung des Stempels 5 und
des Substrates 4 in einer Heizkammer, auf eine Temperatur oberhalb
der Glasumwandlungstemperatur der Substanz 4, also auf
eine Temperatur, bei der die Substanz 4 plastisch verformbar
ist. Nach Erreichen dieser Temperatur werden Stempel 5 und
Substrat 1 weggesteuert aufeinander zubewegt. Dabei wird
die Substanz 4 mit einer auf der dreidimensionalen Makro-Oberfläche 6 des
Stempels 5 vorgesehenen Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur 8 geprägt (vgl. 3),
wodurch eine zur Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur 8 formkongruente
Nano- und/oder Mikrostruktur 9 in der Substanz 4 erzeugt
wird.
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Daraufhin
erfolgt das Abkühlen
der Substanz 4 zusammen mit dem Stempel 5 und
dem Substrat 1 auf eine Temperatur unterhalb der Glasumwandlungstemperatur
der Substanz 4, wodurch die Substanz 4 in der
geprägten
Form aushärtet.
Um zu vermeiden, dass die Substanz 4 an dem Stempel 5 anhaftet,
ist dieser mit einer Antihaftbeschichtung versehen oder besteht
aus einem nicht-haftenden Material. Nach Erreichen der gewünschten
Kühltemperatur
werden Stempel 5 und Substrat 1 voneinander wegbewegt.
Eventuell noch vorhandene Substanzreste im Bereich der Vertiefungen
der sich ergebenden Nano- und/oder Mikrostruktur 9 werden
mittels eines kurzen Ätzvor gangs
unter Einsatz von Plasma entfernt, so dass sich die in 4 gezeigte
Nano- und/oder Mikrostruktur 9 in
der ausgehärteten
Substanz 4 auf dem Substrat 1 ergibt, wobei sich
die Nano- und/oder Mikrostruktur 9 über verschieden hoch angeordnete
Ebenen der dreidimensionalen Makro-Oberfläche 2 des Substrates 1 erstreckt.
Die dreidimensionale Makrooberfläche 2 des
Substrates 1 wurde also nano- und/oder mikrostrukturiert.
Bei Bedarf kann in einem darauffolgenden Schritt noch eine Metallisierung
und/oder das Ätzen
von Gräben
auf die Substanz 4 bzw. in die Substanz 4 und/oder
auf das Substrat 1 und/oder in das Substrat 1 erfolgen.