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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von dreidimensionalen Substraten, insbesondere zum Aufbringen einer photostrukturierbaren Resistschicht auf eine zu belackende Oberfläche eines Substrates mit einer dreidimensionalen Struktur bzw. einer Oberfläche mit einer dreidimensionalen Topographie.
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Die Photolithographie ist eine der Schlüsseltechnologien der Microsystemtechnik und Nanotechnologie zur Herstellung von Schaltungen, integrierten Bauelementen und Sensoren. Die Photolithographie basiert auf der gezielten Beeinflussung der physikochemischen Eigenschaften einer dünnen Lack- oder Folienschicht durch Lichteinwirkung. Durch die dadurch hervorgerufene Änderung der Eigenschaften ist es möglich, die Schicht im Anschluss teilweise zu entfernen, um das darunterliegende Material für weitere Prozesse (Ätzen, Beschichten, Oberflächenbehandlung) selektiv freizulegen.
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Die UV-Lithographie wird schon seit vielen Jahren zur Herstellung von Mikrostrukturen, z. B. in der Halbleitertechnologie, verwendet. Dabei handelt es sich um das lithographische Umkopieren einer Maske auf ein mit einem Fotolack beschichtetes Substrat, wobei die Strukturen der Masken auf dem Substrat abgebildet werden. In weiteren Schritten kann dann durch Entwickeln und/oder Ätzen die Struktur auf dem Substrat herausgebildet werden. Üblicherweise werden dabei ebene, unflexible starre Fotomasken verwendet. Probleme können hier auftreten, sofern das Substrat eine gebogene oder hinterschnittene Oberfläche aufweist.
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Jeder mit Resisten (Fotolacke) durchgeführte Prozeß beginnt mit dem Belacken, wobei eine Lackschicht bestimmter Dicke auf einem Substrat aufgetragen wird. Das Auftrages der photostrukturierbaren Resiste auf beliebig geformte Substrate erfolgt nach dem Stand der Technik mit Hilfe der Sprühbeschichtung, dem Aufschleudern (Spin-Coating) oder der Tauchbeschichtung. Die Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass das Beschichtungsmaterial (Resist) als Flüssigkeit vorliegt und diesen Zustand auch unmittelbar während des Beschichtungsprozesses beibehält.
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Zum Belacken eines Substrates, insbesondere eines Halbleitersubstrates bzw. eines Wafers mit einem Resist (Fotolack) während eines Lithopraphieprozesses werden hauptsächlich Rotationsbeschichtungsverfahren, das sogenannte Spin-Coating verwendet. Bei diesen Verfahren werden in Lösungsmittel gelöste Fotoresiste auf die gesamte Oberfläche eines rotierenden Substrates aufgebracht.
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Die durch die Rotation entstehende Zentrifugalkraft wird der Fotoresist gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Substrates verteilt.
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Sollen Substrate beschichtet werden, die auf ihrer Oberfläche drei-dimensionale Topographien aufweisen, stößt die klassische Spin-Coating Methode an ihre verfahrensbedingte Grenzen. Nachteilig ist in diesem Fall insbesondere die schlechte Uniformität der aufgebrachten Lackschicht, insbesondere das Auftreten von radialen Unregelmäßigkeiten, dem sogenannten „Spin Shadowing“, die beispielsweise durch Ansammeln des Lacks vor Erhöhungen auf der Substratoberfläche entstehen kann. Weiterhin ergeben sich Probleme beim Beschichten scharfer Kanten wie dem möglichen Abriß der Resistschicht an der Kante bei konvexen Topologien oder der Meniskusbildung an konkaven Oberflächenabschnitten.
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Beim Spin-Coaten wird ein sich drehendes Substrat mit einer Lösung gleichmäßig beschichtet. Die Lösung, z. B. ein fotosensitiver Lack, wird meist in der Mitte des Wafers dispensiert. Die anschließende Beschleunigung, Enddrehzahl und zeitliche Dauer der einzelnen Schritte sorgen nach dem Abschleudern eines Teils des Lacks für eine homogene Schichtdicke. Neben den Prozessparametern bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Lösung bzw. des Fotolacks die Schichtdicke des aufgebrachten Films.
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Das proprietäre GYRSET-Verfahren von SÜSS MicroTec sort für entscheidende Vorteile. Beim GYRSET-Prinzip dreht sich die Prozeßkammer während des Belackens synchron mit und reduziert so wirkungsvoll Luftturbulenzen über dem rotierenden Substrat. In der geschlossenen Kammer sättigt sich die Atmosphäre rascher als sonst mit Lösemitteln, so dass der Lack langsamer trocknet und sich dadurch gleichmäßiger über dem Substrat verteilt. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Materialverbrauchs. Die Grenzen des Spin-Coaten liegen bei Strukturen mit hohen Topographien.
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Aus der
DE 2746519 A1 ist ein Drehbeschichtungsverfahren zur Herstellung einer flüssigen Beschichtung mit gleichmäßiger Dicke über die gesamte Oberfläche einer Basisplatte bzw. eines Substrates bekannt, bei dem die Zuführung der Beschichtungsflüssigkeit auf eine horizontale Basisplatte aufgebracht wird und die Basisplatte dann in Drehung versetzt wird.
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Bei nicht-rotationssymmetrischen Substraten formt der Fotolack an Kanten wegen der dort ausgeprägten Luftwirbel (rasche Trocknung des Lacks) Randwülste. Auf texturierten Substraten können Bereiche des Substrates unbelackt bleiben, bzw. die Lackschicht über Kanten der Texturen (Kantenbedeckung) stark ausdünnen.
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Aus der
DE 103 51 963 B4 ist ein Verfahren zum Belacken von Halbleitersubstraten bekannt, was von dem Grundgedanken ausgeht, das zu belackende Substrat zunächst mit einem modifizierten Lack bzw. Resist zu besprühen und die so aufgesprühte Schicht anschließend in einer lösungsmittelhaltigen Atmosphäre für die nachfolgenden Lithopraphieschritte zu homogenisieren bzw. zu planarisieren.
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Gemäß dem Verfahren wird der Lack mit einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Aceton oder Ethylmethylketon modifiziert und vorzugsweise das Substrat während des Sprühvorgangs beheizt. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass der aufgesprühte Resist am gewünschten Ort verbleibt. Der Lack lagert sich so in kleinen trockenen Tröpfchen auf dem Substrat hab. Allerdings weist die so erhaltende Beschichtung Benetzungsdefekte bzw. Unregelmäßigkeiten auf, die einfallendes Licht streuen, was bei den nachfolgenden Lithographienschritten unerwünscht ist.
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Daher muss die aufgesprühte Lackschicht nachbehandelt werden. Hierzu wird die Lackoberfläche mit einem Gasstrom, der mit einem geeigneten Lösungsmittel angereichert ist, angeströmt und so die Lackschicht homogenisiert und planarisiert. Vorzugsweise wird hierzu ein durch eine mit Ethylmethylketon oder Aceton gefüllt Gaswaschflasche geleiteter N2-Strom verwendet. Vorzugsweise wird der Beschichtungsprozess durch ein Ausbacken der so geglätteten Lackschicht abgeschlossen.
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Die Grenzen und Nachteile der Sprühbelackung liegen darin, dass die Lackschicht aus diskreten Tröpfchen aufgebaut wird und manchmal ein rauhes Oberflächenbild aufweist. Die Lackschichtdicke über Kanten vorhandener Substrattexturen ist oft nicht so gut wie es die Geometrie erlauben würde, da der aufgebrachte Lack vor dem Antrocknen noch eine Zeit lang fließt und dabei versucht, seine Oberfläche zu minimieren.
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Eine weitere Möglichkeit der Beschichtung von Substraten mit einem Fotolack bzw. Resist ist die Tauchbeschichtung. Hierbei wird das Substrat mit einer definierten Geschwindigkeit von einigen mm bis cm / Sekunde aus einem Fotolackbecken bezogen. Über die Oberfläche des Lackvolumens wird die Lackschicht durch die dort gesättigte Lösemittel-Atmosphäre nach dem Verlassen des Beckens ausgedünnt. Eine langsame Ziehgeschwindigkeit bewirkt eine dünnere Fotolackschicht und umgekehrt.
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Grenzen und Nachteile der Tauchbeschichtung liegen darin, dass zum Füllen des Lackbeckens zunächst große Lackmengen erforderlich sind. Bei Substraten mit starken Texturen oder makroskopisch dreidimensionalen Komponenten können größere Mengen an Lack über das soeben belackte Substrat abfließen und führen so zu einem inhomogenen Belackungsbild.
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Die für planara Substrate etablierten Prozesse zur Aufbringung und Belichtung der photoempfindlichen Schicht sind nicht oder nur bedingt auf beliebig geformte Oberflächen übertragbar. Hier spielt insbesondere die Schichthomogenität eine entscheidende Rolle. Eine gleichmäßige Bedeckung insbesondere ein- und ausspringender Kanten bleibt auch bei speziell angepassten Verfahren wie dem Spray- oder Dipcoating eine Herausforderung, da der Resist während des Aufbringens in flüssiger Form vorliegt. Durch die Oberflächenspannung ergeben sich unerwünschte Menisken in der Umgebung der Kanten.
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Während die anschließende Belichtung bei planaren Substraten mit Hilfe von Schattenmasken realisiert werden kann, sind bei 3D-Substraten maskenlose Direktbelichtungsverfahren vorzuziehen. Hier sei die Belichtung mittels UV-Laser genannt. Unter Ausnutzung von Interferenzeffekten können so nanoskopische Funktionsschichten belichtet werden (vergl. Laserinterferenzlithographie).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es ein Verfahren zum Beschichten dreidimensionaler Substrate mit photostrukturierten Resisten bzw. Fotolacken zur Verfügung zu stellen, wodurch die Strukturierungen von auf dreidimensionalen Substraten in einfacher und kostengünstiger Weise möglich wird. Ferner soll insbesondere eine gleichmäßige homogene Belackung bzw. Beschichtung von Substraten bei minimalem Einsatz von Resisten bzw. Fotolacken ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass zu belackende Substrat in ein flüssiges System einzutauchen und auf die Oberfläche des flüssigen Systems eine kleine Menge Resist bzw. Fotolack aufzubringen, wodurch sich zunächst eine halbkugelförmige Struktur bildet, diese im Verlauf der Zeit immer flacher wird und die Oberfläche das flüssige System zunehmend bedeckt (Spreitung).
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Durch das Spreiten des Resists bzw. Fotolacks auf dem flüssige System bildet sich eine folienartige Resist- bzw. Fotolackschicht. Durch kontinuierliche Bewegung des Substrats aus dem flüssigen System heraus, legt sich die folienartige Resist- bzw. Fotolackschicht auf die Oberfläche des Substrats. Dies kann durch Anheben des Substrats aus dem flüssigen System oder durch Absenken des Flüssigkeitsstandes des flüssigen Systems erfolgen.
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Das Substrat wird anschließend getrocknet und gegebenenfalls kontrolliert erwärmt, um aus dem flüssigen Resist bzw. dem Fotolack das verbliebene Lösemittel zu entfernen (Softbake), um die Lackhaftung zum Substrat zu verbessern.
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Die Erfindung erlaubt eine einfache und kostengünstige Beschichtung von dreidimensionalen Substraten. Der aufzubringende Resist liegt zunächst in flüssiger Form vor. Das erlaubt die baukastenartige Aufstellung von Resistsystemen, welche die gezielte Einstellung der Schichtdicke und -homogenität ermöglichen. Nach der Ausbreitung auf der neutralen Flüssigkeit besitzt der Resist nach aktuellem Stand folienartige Eigenschaften. Dies erlaubt grundsätzlich - im Gegensatz zu bekannten Verfahren - eine sehr gute Bedeckung von ein- und ausspringenden Kanten am Substrat.
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Der Resist bzw. Fotolack liegt zunächst als Flüssigkeit vor und wird entsprechend der Zielparameter (Schichtdicke) ausgewählt oder durch Zugabe eines Lösungsmittels eingestellt. Die Zielparameter lassen sich auf einfache Weise durch gezielte Verdünnung des Resists bzw. des Fotolacks einstellen.
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Der Resist bzw. der Fotolack erhält erst nach Aufbringen auf die Oberfläche des flüssigen Systems seine folienartigen Eigenschaften, was in Folge eine gute Kantenabdeckung ermöglicht.
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Das flüssige System wird vorzugsweise als wässeriges System ausgebildet, wobei einem deionisierten Wasser bis zu 30 Vol% 2-Propanol zugesetzt werden.
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Im Gegensatz zum Wassertransferdruck erhält die zu übertragende Folie ihre Eigenschaften bezüglich Photostrukturierbarkeit und des Auflösungsvermögens aus dem zuvor flüssigen Resist bzw. des Fotolacks und ermöglicht so die selektive Freistellung des darunterliegenden Materials zur Herstellung der gewünschten Struktur.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in folgenden wesentlichen Schritten ab:
- - in einem ersten Schritt wird ein flüssiges Medium in Form eines flüssigen Systems in einem Behälter mit ausreichendem Volumen bereitgestellt
- - in einem zweiten Schritt wird das dreidimensionale Substrat bzw. das Substrat mit einer dreidimensionalen Topographie in das flüssige Medium eingebracht
- - in einem dritten Schritt wird das zu übertragende Resist bereitgestellt und liegt zunächst in bekannter flüssiger Form vor. Durch Aufbringen einer kleinen Menge des Resists auf die Flüssigkeit spreitet diese in kurzer Zeit als dünne Schicht auf der Oberfläche des flüssigen Mediums. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Auftropfen oder Aufsprühen der gewünschten Resistmenge realisiert werden. Nach diesem Prozeß liegt der Resist nunmehr als schwimmende, dünne und folienartige Schicht auf dem flüssigen Medium vor. Durch die folienartige Natur der entstehenden Resistschicht ist eine gute Kantenbedeckung zu erwarten.
- - in einem vierten Schritt wird das Substrat nun kontinuierlich derart bewegt, dass die Resistschicht an diesem anhaftet und den Körper in der Folge gleichmäßig bedeckt. Alternativ kann auch der Flüssigkeitsstand gesenkt werden, um dieses Ziel zu erreichen.
- - in einem fünften Schritt wird das Substrat anschließend getrocknet und ggf. kontrolliert erwärmt, um das flüssige Medium zu entfernen und ggf. verbleibendes Lösemittel aus dem Resistfilm zu entfernen (Softbake).
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Es besteht auch die Möglichkeit Schritt 1 und Schritt 2 zu tauschen, indem zuerst das Substrat in den Behälter eingelegt wird und anschließend dieser mit dem flüssigen System befüllt wird.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben werden. Die 1 a bis 1 g zeigen den Prozeßablauf beim Beschichten eines Substrates 3 mit einem Photolack.
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In einem Glasbehälter 1 (1a) wird ein wäßriges System 2 in Form einer Mischung aus 98 Vol% dionisiertem Wasser und 2 Vol% 2-Propanol bereitgestellt. Ein Substrat 3 - hier ein Resin - 3D-Druck in Form eines halben Zylinders - wird in das wässerige System 2 eingetraucht (1b).
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Auf die Oberfläche des wässerigen System 2 in Glasbehälter 1 wird mit Hilfe einer Pipette ein Tropfen 5 eines Photolack bzw. Photoresist aufgebracht. Als Photolack bzw. Photoresist kommt ein AZ1505 zum Einsatz. Der Photolack bzw. Photoresist spreitet über die Oberfläche des wässerigen Systems, bedeckt diese und bildet eine geschlossene Schicht 4 (1 d).
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Die Schicht 4 besitzt folienartige Eigenschaften. Durch kontinuierliches Herausbewegen des Substrates 3 aus dem wässerigen System 2 legt sich um die folienartige Schicht 4 auf die Oberfläche des Substrates 3. Die folienartige Schicht 4 umschließt die Geometrie des Substrates 3 als Photolack- oder Photoresistfilm (1 e und f).
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr gute Bedeckung bzw. Beschichtung von ein- und ausspringenden Kanten am Substrat 3.
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Das Substrat 3 wird zunächst bei Raumtemperatur getrocknet und anschließend erfolgt ein Softbake bei 105°C. Das Substrat wird durch eine Folienmaske 6 belichtet und im Anschluß entwickelt (1 g).
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Schicht 4 ist weiterhin photostrukturierbar.
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Beispiele sind Anwendungen in optischen Sensoren als gekrümmte Gitterstrukturen, sowie die insitu Überwachung von Maschinenteilen oder Einsatzwerkzeugen beispielsweise in der abtragenden Materialbearbeitung. Es wären weiterhin funtionsverbessernde Strukturierungen in Form von photonisch wirksamen Gittern in modernen OLED-Beleuchtungssystemen möglich. 3D-Drucke könnten mit einer solchen 3D-Lithographie direkt mit Leiterbahnen versehen werden, um in Alltagsgegenständen weitere Funktionalisierungen zu erhalten. Bei Verwendung biokompatibler Träger ist darüber hinaus die Herstellung neuartiger funktionalisierter Medizinprodukte denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behälter
- 2
- flüssiges System /wässeriges System
- 3
- Substrat
- 4
- Schicht
- 5
- Tropfen
- 6
- Folienmaske
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2746519 A1 [0010]
- DE 10351963 B4 [0012]
