DE102007044505A1 - Verfahren zum lithographischen Erzeugen von Nano- und/oder Mikrostrukturen, Stempel sowie Substrat - Google Patents

Verfahren zum lithographischen Erzeugen von Nano- und/oder Mikrostrukturen, Stempel sowie Substrat Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lithographischen Erzeugen von Nano- und/oder Mikrostrukturen (9) auf einem Substrat (1) mit einer dreidimensionalen Makro-Oberfläche. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch: Aufbringen einer zu strukturierenden Substanz (4) auf das Substrat (1) und Positionieren des Substrates (1) relativ zu einem Stempel (5) mit einer zumindest abschnittsweise zur Makro-Oberfläche (2) des Substrates (1) formkongruenten dreidimensionalen Makro-Oberfläche (6), die mit einer Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur (8) versehen ist, und Prägen der Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur (8) des Stempels in die Substanz (4) und dadurch Erzeugen der Nano- und/oder Mikrostruktur (9) in der Substanz (4). Ferner betrifft die Erfindung einen Stempel (5) sowie ein Substrat (1).

Description

  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • 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.
  • Technische Lösung
  • 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.
  • 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.
  • Das nach dem Konzept der Erfindung ausgestaltete Verfahren eignet sich beispielsweise zur Strukturierung dreidimensionaler Leiterplatten oder zum Herstellen dreidimensionaler Fotomasken, insbesondere für fotolithographische Verfahren.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 1: ein Substrat mit einer dreidimensionalen Makro-Oberfläche,
  • 2: das Substrat gemäß 1 mit einer aufgebrachten, zu strukturierenden Substanz,
  • 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
  • 4: ein fertig strukturiertes Substrat.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Verfahren zum lithographischen Erzeugen von Nano- und/oder Mikrostrukturen (9) auf einem Substrat (1) mit einer dreidimensionalen Makro-Oberfläche (2), gekennzeichnet durch: • Aufbringen einer zu strukturierenden Substanz (4) auf das Substrat (1); • Positionieren des Substrates (1) relativ zu einem Stempel (5) mit einer zumindest abschnittsweise zur Makro-Oberfläche (2) des Substrates (1) formkongruenten dreidimensionalen Makro-Oberfläche (6), die mit einer Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur (8) versehen ist; • Prägen der Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur (8) des Stempels (5) in die Substanz (4) und dadurch Erzeugen der Nano- und/oder Mikrostruktur (9) in der Substanz (4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zu strukturierende Substanz (4) eine thermoplastische Substanz, insbesondere ein Fotolack, vorzugsweise PMMA, verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (4), insbesondere zusammen mit dem Substrat (1), vor und/oder während des Prägevorgangs auf eine Verformungstemperatur erhitzt wird, insbesondere auf eine Glasübergangstemperatur der Substanz (4), oder darüber, und vorzugsweise nach dem Prägevorgang wieder unter die Verformungstemperatur abgekühlt wird, insbesondere unter die Glasübergangstemperatur der Substanz (4).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) vor oder während des Erhitzens mit dem Substrat (1) in Kontakt gebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägen und/oder das Erhitzen und/oder das Relativpositionieren zwischen Stempel (5) und Substrat (1) unter Vakuum erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stempel (5) mit einer Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur (8) verwendet wird, die unterschiedlich tiefe und/oder breite Strukturabschnitte aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Prägen eine teilweise Entfernung der Substanz (4), insbesondere in tiefen Nano- und/oder Mikrostrukturbereichen, insbesondere durch Ätzen, vorzugsweise mittels Plasma, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nach dem Prägen, insbesondere nach dem teilweisen Entfernen der Substanz (4), eine weitere Strukturierung der Substanz (4) erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Strukturierung additiv, insbesondere durch, vorzugsweise partielles, Aufbringen einer Metallisierung und/oder subtraktiv, insbesondere Ätzen von Gräben, vorzugsweise zum Erzeugen mikrofluidischer Strukturen, durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) während des Prägens von einer Halterung mit einer an die Form des Substrates (1) angepassten dreidimensionalen Makro-Oberfläche gestützt wird.
  11. Stempel (5) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) eine dreidimensionale Makro-Oberfläche (6) mit einer Negativ-Nano- und/oder Mikrostruktur (8) aufweist.
  12. Substrat (1) mit einer dreidimensionalen Makro-Oberfläche (2), auf die mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eine Nano- und/oder Mikrostruktur (9) eingebracht wurde.
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