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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Vorrichtung mit den Schritten: Bereitstellen einer Darstellung der Form der Vorrichtung, Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche, Bereitstellen eines photosensitiven Materials auf der Oberfläche des Substrats, wobei das photosensitive Material ein Metallsalz enthält, Auswählen eines Abschnitts des photosensitiven Materials anhand der Darstellung der Form der Vorrichtung, Belichten des ausgewählten Abschnitts des photosensitiven Materials mit elektromagnetischer Strahlung, Entfernen eines Abschnitts des photosensitiven Materials, der nicht Teil der Vorrichtung ist, sowie eines Rests des photosensitiven Materials aus einem Abschnitt des photosensitiven Materials, der Teil der Vorrichtung ist, nach dem Belichten.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ein photosensitives Material zum Herstellen einer elektrisch leitenden Vorrichtung mit einem Metallsalz.
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Vorrichtungen für die Höchstfrequenztechnik, beispielsweise für den Terahertzfrequenzbereich mit charakteristischen Mittenfrequenzen der elektromagnetischen Strahlung in einem Bereich von 100 GHz bis 30 THz, sind technologisch anspruchsvoll und kostenintensiv in der Herstellung.
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Beispiele für solche Vorrichtungen sind beispielsweise planare Metamaterialien für Spektrometer, aber auch Detektoren und Antennen. Als herausfordernd erweist sich unter anderem, dass die zu fertigenden Vorrichtungen zwar insgesamt eine makroskopische Ausdehnung im Bereich von bis zu mehreren Millimetern aufweisen, aber die Detailgrößen der Vorrichtungen im Bereich von wenigen Mikrometern oder sogar darunter liegen. Die Herstellung der Vorrichtungen muss daher skalenübergreifend erfolgen können. Zudem müssen die Vorrichtungen elektrisch leitend sein.
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Zur Herstellung derartiger Vorrichtungen kommen unter anderem mehrstufige Verfahren zum Einsatz, beispielsweise auf Grundlage von Elektronenstrahllithographie oder Galvanoformung.
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Im Hinblick auf den technologischen Aufwand und die Kosten hat sich das sogenannte direkte Laserschreiben als ein vielversprechender Ansatz herausgestellt. Dabei wird ein photosensitives Volumenmaterial Volumensegment für Volumensegment belichtet. Das photosensitive Material umfasst dabei eine Trägermatrix, ein Metallsalz sowie eine photoreduzierende Substanz. Wird durch elektromagnetische Strahlung die photoreduzierende Substanz angeregt, so erfolgt eine Reduktion des Metallsalzes zu dem zugrundeliegenden Metall. Die Metallatome erfahren eine Nukleation, wobei der Metallkeim wächst und ein Agglomerat von Metallpartikeln entsteht. Durch gezielte Beleuchtung derjenigen Volumenbereiche in dem photosensitiven Material, die zur Vorrichtung gehören, wird die Vorrichtung mit all ihren Strukturen erzeugt.
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Vorrichtungen mit ausschließlich planaren Strukturen lassen sich mit direktem Laserschreiben bereits reproduzierbar fertigen. Allerdings ist der Prozess zeitaufwendig, sodass planare Strukturen sich durch alternative etablierte Verfahren effizienter herstellen lassen.
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Bei Vorrichtungen mit dreidimensionalen, räumlichen Strukturen haben die hergestellten metallischen Strukturen nach wie vor für viele Anwendungen zumindest eine zu große Oberflächenrauheit oder eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit.
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Aus der
US 2020/0156035 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallhaltigen Materials bekannt, welches die folgenden Schritte aufweist: Bilden eines metallhaltigen Hydrogels aus einer wässrigen Vorläufermischung unter Verwendung von Photopolymerisation; wobei die wässrige Vorläufermischung Wasser, ein oder mehrere wässrige lichtempfindliche Bindemittel und ein oder mehrere wässrige Metallsalze umfasst; und thermisches Behandeln des metallhaltigen Hydrogels, um das metallhaltige Material zu bilden; wobei das metallhaltige Hydrogel während des thermischen Behandlungsschritts einer Wärmebehandlungsatmosphäre ausgesetzt wird; wobei eine Zusammensetzung des metallhaltigen Materials zumindest teilweise durch eine Zusammensetzung der Wärmebehandlungsatmosphäre während des Wärmebehandlungsschritts bestimmt wird.
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Die
DE 195 18 512 A1 offenbart ein Vorläufermaterial, das eine Palladiumverbindung in einem organischen Lösungsmittel enthält. Dieses ist nützlich, um metallische Mikrostrukturen auf dielektrischen Substraten durch ein additives Verfahren herzustellen. Die zur Bildung der verschiedenen Schichten verwendete Lösung enthält mindestens einen Zusatzstoff, der in seinem individuellen Absorptionsbereich eine irreversible photochemische Reaktion durchläuft.
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Aus der
DE 10 2016 125 690 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen bekannt, bei dem ein photoempfindliches Material auf einem Substrat bereitgestellt wird und ein Laser in einem oder mehreren Bereichen des Materials so fokussiert wird, dass in diesem Bereich oder diesen Bereichen das photoempfindliche Material durch Multiphotonenabsorption aktiviert wird, wobei der Laser an einer reflektierenden Oberfläche reflektiert wird und durch Interferenz mit sich selbst in dem Bereich oder den Bereichen moduliert wird.
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Die
DE 601 12 292 T2 offenbart ein holographisches Aufzeichnungsmaterial, umfassend: 1) mindestens ein Monomer oder Oligomer, das eine kationische Polymerisation durchläuft; 2) ein Bindemittel, das in der Lage ist, die kationische Polymerisation zu unterstützen; 3) ein Übergangsmetallkolloid, das in dem Medium suspendiert ist, das bei Exposition gegenüber aktinischer Strahlung Wärme erzeugt und 4) eine Verbindung, die bei Exposition gegenüber Wärme Säure erzeugt.
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Ferner zeigt die
DE 602 11 984 T2 eine Lösungsmittelquellzusammensetzung, umfassend eine heterocyclische Stickstoffverbindung, ausgewählt aus einem Pyrrolidon, einem Pyrrolidin oder Gemischen davon, in Kombination mit einem oder mehreren Glycolphenylethern in ausreichenden Mengen, so dass die Lösungsmittelquellzusammensetzung ein harzartiges Material durch bzw. nach Inkontaktbringen des harzartigen Materials mit der Lösungsmittelquellzusammensetzung derart bildet, dass das Ätzen des konditionierten harzartigen Materials eine poröse Texturierung des konditionierten harzartigen Materials bereitstellt.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine photosensitive Substanz dafür bereitzustellen, welche es ermöglichen, eine elektrisch leitende Vorrichtung mit einer ausreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie einer hinreichend geringen Oberflächenrauheit herzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Vorrichtung mit den Schritten Bereitstellen einer Darstellung der Form der Vorrichtung, Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche, Bereitstellen eines photosensitiven Materials auf der Oberfläche des Substrats, wobei das photosensitive Material ein Metallsalz enthält, Auswählen eines Abschnitts des photosensitiven Materials anhand der Darstellung der Form der Vorrichtung, Belichten des ausgewählten Abschnitts des photosensitiven Materials mit elektromagnetischer Strahlung, Entfernen eines Abschnitts des photosensitiven Materials, der nicht Teil der Vorrichtung ist nach dem Belichten, wobei das photosensitive Material ein Kolloid und eine Flüssigkeit enthält und das photosensitive Material während des Belichtens flüssig ist.
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Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es, das photosensitive Material mit einem Kolloid und einer Flüssigkeit bereitzustellen. Ein derartiges photosensitives Material kann eine hohe Konzentration mindestens eines Metallsalzes, welches im Prozess zu dem Metall der elektrisch leitfähigen Vorrichtung umgebildet wird, sowie anderer Bestandteile, welche das Verfahren unterstützen, aufnehmen und dispergieren. Dies hat den Vorteil, dass hohe Materialdichten der erzeugten Struktur und somit hohe Leitfähigkeiten möglich sind. Gleichzeitig ist ein reproduzierbarer Herstellungsprozess realisierbar.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete photosensitive Substanz wirkt zudem stabilisierend für Keime und Agglomerate des Metalls. Die photosensitive Substanz dient als viskoses Umgebungsmedium. Dies hat den Vorteil, dass die Oberflächenrauheit reduziert wird und kleinere Strukturdetails möglich sind.
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In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die maximale Rautiefe der Oberfläche der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung 1 µm oder weniger.
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Ferner lässt sich das photosensitive Material nahezu vollständig aus der entstehenden metallischen Vorrichtung verdrängen. Auch dies erhöht die Materialdichte und somit die Leitfähigkeit der erzeugten Vorrichtung.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Leitfähigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung höchstens um einen Faktor 5.000 kleiner als die Leitfähigkeit eines massiven Strangs aus dem reinen, dem Metallsalz zugrundeliegenden Metall.
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Der verbleibende Rest des photosensitiven Materials, der nicht in das Metall der Vorrichtung umgesetzt wurden, kann nach Abschluss des Verfahrens unter milden Bedingungen, beispielsweise durch Abwaschen mit Wasser, entfernt werden. So kann als Substrat ein fertiger Chip mit einem Schaltkreis, insbesondere mit einem Hochfrequenzschaltkreis, verwendet werden, welcher bei den Verfahren aus dem Stand der Technik beim Entfernen des Matrixmaterials zerstört würde. Das photosensitive Material bildet kein stabiles Netzwerk, wie dies beispielsweise bei Polymeren der Fall ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Abschnitt des photosensitiven Materials, der nicht Teil der Vorrichtung ist, nach dem Belichten mit Hilfe von Wasser entfernt, d.h. abgewaschen. In einer Ausführungsform wird nach dem Belichten ein Rest des photosensitiven Materials aus einem Abschnitt des photosensitiven Materials, der Teil der Vorrichtung ist, entfernt, beispielsweise abgewaschen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den Schritt Aufheizen des ausgewählten und belichteten Abschnitts des photosensitiven Materials. Vorzugsweise erfolgt dieser Schritt nach dem Entfernen des Abschnitts des photosensitiven Materials, der nicht Teil der Vorrichtung ist. Durch das Aufheizen des ausgewählten, belichteten Abschnitts lässt sich die Leitfähigkeit der Vorrichtung weiter erhöhen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die gesamte Vorrichtung insgesamt, beispielsweise in einem Ofen, aufgeheizt. In einer alternativen Ausführungsform wird mindestens ein Abschnitt der Vorrichtung selektiv, beispielsweise durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, aufgeheizt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird der ausgewählte und belichtete Abschnitt auf eine Temperatur von 50 °C oder mehr, vorzugsweise auf eine Temperatur von 100 °C oder mehr und besonders bevorzugt auf eine Temperatur von 200 °C oder mehr aufgeheizt. Bei einer Aufheizung auf 50 °C ist die Leitfähigkeit der Vorrichtung höchstens um einen Faktor 1.000 kleiner als die Leitfähigkeit eines massiven Strangs aus dem reinen, dem Metallsalz zugrundeliegenden Metall. Bei einer Aufheizung auf 200 °C ist die Leitfähigkeit der Vorrichtung höchstens um einen Faktor 200 kleiner als die Leitfähigkeit eines massiven Strangs aus dem reinen, dem Metallsalz zugrundeliegenden Metall.
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Entscheidend für das erfindungsgemäße photosensitive Material ist, dass dieses ein Kolloid und eine Flüssigkeit enthält, wobei das Kolloid selbst die Flüssigkeit bereitstellen kann, aber nicht muss.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kolloid ein Festkolloid, wobei die disperse Phase eine Flüssigkeit ist und das Dispersionsmedium ein Feststoff ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kolloid eine Emulsion, wobei die disperse Phase eine Flüssigkeit ist und das Dispersionsmedium eine Flüssigkeit ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kolloid eine kolloidale Suspension (auch als Sol oder kolloidale Lösung bezeichnet), wobei die disperse Phase ein Feststoff ist und das Dispersionsmedium eine Flüssigkeit ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das photosensitive Material das Kolloid und die Flüssigkeit in Form eines Lyokolloids, vorzugsweise eines Hydrokolloid.
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Die Viskosität des photosensitiven Materials lässt sich einstellen, so dass ein ebener Film mit wohldefinierter Dicke aufgeschleudert werden kann. Letzteres ist insbesondere in der Masken- oder Projektionslithografie von Vorteil. Zum Einstellen der Viskosität kann dem photosensitiven Material ein weiterer Bestandteil hinzugefügt werden.
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Schließlich ist es eine Wirkung des erfindungsgemäßen photosensitiven Materials, dass aufgrund der hohen Speicherkapazität für Flüssigkeiten, selbst im wasserbasierten Fall, die Verdunstung stark reduziert ist. Dies hat den Vorteil, dass auch zeitliche lange Herstellungsprozesse reproduzierbar durchgeführt werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält das photosensitive Material das Kolloid und die Flüssigkeit in Form einer Gelatinelösung, vorzugsweise einer Gelatinelösung in Wasser. Gelartige Materialien ermöglichen die Aufnahme von Metallsalzen und anderen funktionalen Bestandteilen der photosensitiven Substanz in hoher Konzentration. Sie wirken als stabilisierende Matrix für Keime und Partikel und lassen sich nahezu vollständig aus der entstehenden Vorrichtung verdrängen, was zu einer hohen Leitfähigkeit der metallischen Vorrichtung führt. Zudem können sie nach Abschluss des Herstellungsverfahrens unter milden Bedingungen entfernt werden, so dass das Substrat nicht beschädigt wird.
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Eine Darstellung der Form der Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist beispielsweise eine automatisiert verarbeitbare Zeichnung, insbesondere eine CAD-Zeichnung, der Vorrichtung oder auch eine Maske, welche die Umrisse der Vorrichtung in einer Schnittebene derart darstellt. Mit einer solchen Maske lassen sich ein Abschnitt des photosensitiven Materials, welcher von der elektromagnetischen Strahlung belichtet wird, und ein Abschnitt, welcher von der elektromagnetischen Strahlung nicht belichtet wird, auswählen.
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In Abhängigkeit von dem verwendeten Verfahren lässt sich nach dem Belichten der belichtete oder unbelichtete Abschnitt entfernen.
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Das Auswählen eines Abschnitts des photosensitiven Materials anhand der Darstellung der Form der Vorrichtung kann mit verschiedenen etablierten Verfahrensschritten erfolgen.
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Als Substrat mit einer Oberfläche zum Herstellen der elektrisch leitenden Vorrichtung auf dieser Oberfläche ist beispielsweise eine Platine geeignet. Insbesondere ist in einer Ausführungsform das Substrat eine Platine mit einem darauf angeordneten Schaltkreis, beispielsweise einem Hochfrequenzschaltkreis.
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Das Belichten des ausgewählten Abschnitts der photosensitiven Substanz dient dem Einbringen von Energie in die Substanz und damit dem Auslösen einer Photoreaktion. Wobei der Übertrag der Energie von der elektromagnetischen Strahlung in die photosensitive Substanz beispielswiese durch Ein- oder Mehrphotonenabsorption in einem Bestandteil der photosensitiven Substanz erfolgt.
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Die Photoreaktion ist in einer Ausführungsform eine Photoreduktion.
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Die Photoreaktion führt dazu, dass sich in der photosensitiven Substanz ein Volumenpixel, kurz Voxel, ausbildet, welches den Grundbaustein der Form der Vorrichtung bildet.
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Sowohl das Verfahren als auch die Form des Voxels können durch gezieltes Ändern der einfallenden Intensitätsverteilung, beispielsweise durch Modulation der elektromagnetischen Strahlung oder durch Zuschalten einer weiteren Strahlungsquelle mit einer anderen Wellenlänge, optimiert werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind das Auswählen eines Abschnitts des photosensitiven Materials anhand der Darstellung der Vorrichtung und das Belichten des ausgewählten Abschnitts des photosensitiven Materials Verfahrensschritte eines Verfahrens, das ausgewählt ist aus einer Photolithographie, insbesondere einer Maskenlithographie oder einer Projektionslithographie, oder einem direkten Laserschreiben jeweils mit Ein- oder Mehrphotonenabsorption.
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Die Photolithographie, ist ein schichtweises Verfahren, welches für den schichtweisen Aufbau der elektrisch leitenden Vorrichtung verwendet wird.
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Das direkte Laserschreiben weist den Vorteil auf, dass durch geeignete Ablenkung und Positionierung eines Fokusbereichs eines Laserstrahls die Vorrichtung durch gezieltes Einwirken auf das photosensitive Material an einer Vielzahl von Orten in dem photosensitiven Material nacheinander sehr präzise geschrieben werden kann. Direktes Laserschreiben ermöglicht es, Komponenten direkt auf der Oberfläche des Substrats, beispielsweise eines Chips, ohne Umwege über Formkörper und nahezu ohne Einschränkung der Geometrie mit mikrometergroßen Strukturdetails zu erzeugen.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen direkten, eine Photoreaktion auslösenden Herstellungsverfahrens, beispielsweise direktem Laserschreiben, ist zum einen die direkte skalenübergreifende von wenigen Mikrometern bis zu mehreren 10 mm Erzeugbarkeit von metallischen dreidimensionalen Geometrien auf beliebigen Oberflächen. Dies hat den Vorteil, dass Komponenten ohne Rücksicht auf fertigungsbedingte Limitierungen numerisch optimiert und hergestellt und in Bauteile integriert werden können. Der Anwendungsbereich hierdurch ist nicht durch die Notwendigkeit von bestimmten, z.B. leitfähigen Substraten, eingeschränkt und es ist somit möglich, das für die Anwendung optimale Substrat zu nutzen. Zum anderen ist die Wirkung der direkten Verfahren die deutliche Reduktion von Prozessschritten bei der Herstellung von Metallstrukturen. Das hat den Vorteil, dass diese Strukturen schnell, kostengünstig und automatisiert hergestellt werden können, was eine Massenproduktion solcher Strukturen ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung hat daher die Vorrichtung eine maximale Ausdehnung in einer ausgewählten Raumrichtung von mehr als 1 mm und in einer ausgewählten Raumrichtung ein strukturelles Merkmal mit einer Ausdehnung von weniger als 5 µm.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Vorrichtung mithilfe von direktem Laserschreiben hergestellt wird, sind das Kolloid und die Flüssigkeit transparent für die elektromagnetische Strahlung. Dabei sind das Kolloid und die Flüssigkeit transparent für die elektromagnetische Strahlung solange die elektromagnetische Strahlung eine Intensität aufweist, die geringer ist als die für eine Mehrphotonenabsorption eines Bestandteils der photosensitiven Substanz erforderliche Intensität. Auf diese Weise erreicht die elektromagnetische Strahlung den Ort, an welchem das nächste Voxel geschrieben werden soll.
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In einer Ausführungsform weist zudem das photosensitive Material chemische Schwelle für den Reduktionsprozess auf. Auf diese wird in Bereichen, in denen die Intensität der elektromagnetischen Strahlung so niedrig ist, dass eine Mehrphotonenabsorption zwar nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit auftritt, aber dennoch vorkommt, kein Metall durch Reduktion gebildet und die Anzahl von Fehlerstellen beim Schreiben reduziert.
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Grundsätzlich ist für das erfindungsgemäße Verfahren eine Vielzahl von Metallsalzen geeignet. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Metallsalz in Wasser löslich. Auf diese Weise kann Wasser als der flüssige Bestandteil des photosensitiven Materials verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Metallsalz mit einer Löslichkeit von 0,4 Mol pro Liter oder mehr in Wasser löslich. Beispiele für in Wasser lösliche Metallsalze mit hoher Löslichkeit sind Silberperchlorat und Silbernitrat. Bei dem Metallsalz kann es sich alternativ aber auch um Gold-, Kupfer- und andere metallische Verbindungen handeln.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das photosensitive Material als weiteren Bestandteil eine photoreduzierende Substanz, die bei der Belichtung mit der elektromagnetischen Strahlung eine Ein- oder Mehrphotonenabsorption der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht, sodass das Metallsalz zu einem dem Metallsatz zugrunde liegenden Metall reduziert wird. Insbesondere in einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Vorrichtung aus dem photosensitiven Material durch direktes Laserschreiben erzeugt wird, enthält das photosensitive Material als weiteren Bestandteil eine photoreduzierende Substanz, die bei der Belichtung mit der elektromagnetischen Strahlung eine Mehrphotonenabsorption der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die photoreduzierende Substanz ein Molekül, welches eine Ein- oder Mehrphotonenabsorption der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht, insbesondere Trinatriumcitrat. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die photoreduzierende Substanz Quantenpunkte oder Halbleiter-Metall-Hybridquantenpunkte, welche in einer Heterostruktur eine Ein- oder Mehrphotonenabsorption der elektromagnetischen Strahlung ermöglichen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das photosensitive Material zumindest einen weiteren Bestandteil, wobei der weitere Bestandteil zumindest die Nukleation, das Wachstum oder die Agglomeration des Metalls beeinflusst. Bestandteile, die dazu geeignet sind, Einfluss auf die Nukleation, das Wachstum oder die Agglomeration des Metalls zu nehmen, sind in einer Ausführungsform ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Quantenpunkten, insbesondere Halbleiter, Metall-Hybridquantenpunkten, Bspw. basierend auf TiO2, CdS, SiC oder WO3 Halbleitern, und metallischen Nanopartikeln oder einer Kombination davon.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der weitere Bestandteil des photosensitiven Materials eine oberflächenaktive Substanz, insbesondere N-Lauroylsarcosinatriumssalz.
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Die Brechzahl eines photosensitiven Materials, das ein Kolloid und eine Flüssigkeit enthält, ist gezielt einstellbar und an die Brechzahl eines von der elektromagnetischen Strahlung vor dem photosensitiven Material durchquerten Materials anpassbar. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das photosensitive Material eine Substanz, welche die Brechzahl des photosensitiven Materials einstellt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das photosensitive Material derart ausgestaltet, dass seine Brechzahl sich um weniger als 10 % von der Brechzahl eines von der elektromagnetischen Strahlung vor dem photosensitiven Material durchquerten Materials, insbesondere eines Glases und/oder eines Immersionsöls, unterscheidet. Dies hat den Vorteil, dass damit sphärische Aberrationen, die sich mit der Schreibtiefe ändern, minimiert werden können, was wiederum die Qualität der Strukturen der Vorrichtung erhöht.
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Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch ein photosensitives Material zum Herstellen einer elektrisch leitenden Vorrichtung mit einem Metallsalz gelöst, wobei das photosensitive Material ein Kolloid und eine Flüssigkeit enthält und das photosensitive Material flüssig ist und wobei das Kolloid und die Flüssigkeit ein gelartiges Material bilden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und der dazugehörigen Figuren deutlich. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1a-1b sind schematische Seitenansichten von drei verschiedene Verfahren zum Auswählen von Abschnitten des photosensitiven Materials auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine schematische Seitenansicht eines ersten Beispiels einer Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
- 3 ist eine schematische Seitenansicht einer weiteren Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Die 1 a bis 1c zeigen jeweils schematisch die Herstellung einer Vorrichtung mithilfe einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In jeder der drei Varianten wird ein auf eine Oberfläche 7 eines Substrats 1 aufgebrachtes photosensitives Material 2 in ausgewählten Abschnitten belichtet.
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Bei dem photosensitiven Material 2 handelt es sich in allen Ausführungsformen um ein Material auf Basis einer Gelatinelösung. Die Gelatine ist in Wasser gelöst. Die Gelatine ist ein Beispiel für ein Hydrokolloid. Das photosensitive Material enthält zudem Silberperchlorat mit einer Konzentration von mehr als 4 Mol/Liter als Metallbildner. Bei Belichtung kommt es zur Reduktion des Silberperchlorats zu Silber.
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In allen drei Varianten werden zwei Abschnitte 2a, 2b in dem photosensitiven Material 2 ausgewählt und belichtet, während die übrigen Abschnitte 2c, 2d, 2e nicht belichtet werden. Nur in den belichteten Abschnitten entsteht die elektrisch leitende Vorrichtung.
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Die Auswahl der mit der elektromagnetischen Strahlung belichteten Abschnitte ist in den drei Verfahren voneinander verschieden. Die Verfahren aus den 1a und 1b beruhen auf Photolithographie. Bei dem Verfahren aus 1a handelt es sich um eine Maskenlithographie, bei der eine Maske 3 mit elektromagnetischer Strahlung 4, in der dargestellten Ausführungsform mit ultravioletter Strahlung, von einer Quelle 5 vollständig beleuchtet wird, wobei die Maske 3 für die UV-Strahlung transparente und nicht transparente Abschnitte aufweist. Nur dort, wo die Maske 3 transparent ist, gelangt die UV-Strahlung 4 bis in das photosensitive Material 2.
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Demgegenüber erfolgt die Auswahl der von der elektromagnetischen Strahlung 4 belichteten Abschnitte 2a, 2b des photosensitiven Materials 2 in der Ausführungsform aus 1b durch einen Projektor als Quelle 5. Auch dieser belichtet die anderen Abschnitte 2c, 2d, 2e des photosensitiven Materials 2 nicht.
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In den Ausführungsformen der 1a und 1b ist die photoreduzierende Substanz in dem photosensitiven Material Trinatriumcitrat. Nur dort, wo die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 4 einen bestimmten, durch das Trinatriumcitrat bestimmten Schwellenwert übersteigt, erfolgt eine Mehrphotonenabsorption in dem Trinatriumcitrat. Durch die Mehrphotonenabsorption wird das Silberperchlorat zu Silber reduziert, wobei sich zunächst nur einzelne metallische Keime bilden, an denen sich weitere Silberatome anlagern so dass es zur Agglomeration und somit zum Ausfüllen der gesamten belichteten Abschnitte 2a, 2b mit dem Silber kommt. Das entstehende Silber verdrängt die Gelatinelösung fast vollständig aus den belichteten Abschnitten 2a, 2b, wodurch eine Struktur mit einer hohen Dichte an Silber und daher mit einer hohen Leitfähigkeit und einer geringen Oberflächenrauheit entsteht.
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Bei dem Verfahren aus 1c wird gezielt Laserstrahlung 4 in einem Voxel, d.h. einem Volumensegment des photosensitiven Materials 2, fokussiert und nur in diesem Voxel erfolgt eine Photoreduktion des Metallsalzes zu dem Metall der Vorrichtung. In dieser Ausführungsform erfolgt die Absorption und damit das Anstoßen der Reduktion des Silberperchlorats durch das Silberperchlorat selbst. Nur dort, wo die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 4 einen bestimmten, durch das Silberperchlorat bestimmten Schwellenwert übersteigt, erfolgt eine Mehrphotonenabsorption in dem Silberperchlorat. Durch die Absorption wird das Silberperchlorat zu Silber reduziert, wobei sich zunächst wieder nur einzelne metallische Keime bilden, an denen sich weitere Silberatome anlagern so dass es zur Agglomeration und somit zum Ausfüllen ganzer Voxel mit dem Silber kommt. Das entstehende Silber verdrängt die Gelatinelösung fast vollständig aus dem Voxel, wodurch eine Struktur mit einer hohen Dichte an Silber entsteht. Die Silber-Struktur der gefertigten Vorrichtung hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit die nur um etwa eine Größenordnung geringer ist als die elektrische Leitfähigkeit eines Materialstrangs aus reinem Silber. Die maximale Rautiefe der Oberfläche der Vorrichtung beträgt 0,7 µm.
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Die 2 und 3 zeigen Beispiele von Vorrichtungen 6, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, hier mit einem direkten Laserschreiben gemäß der Ausführungsform aus 1c, hergestellt wurden. Bei der Vorrichtung 6 aus 2 handelt es sich um eine Hochfrequenzhorn-Antenne für den Terahertzfrequenzbereich. Diese Hornantenne 6 ist unmittelbar auf einen Hochfrequenzchip 1 als Substrat aufgeschrieben worden.
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Bei der Vorrichtung 6 aus 3 handelt es sich um eine Hochfrequenzspiralantenne. Insbesondere die Spiralantenne 6 aus 3 verdeutlicht, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage ist, effizient elektrisch leitende, d.h. metallische, Strukturen herzustellen, welche insgesamt eine makroskopische Ausdehnung aufweisen, während die Strukturgröße im Bereich von Mikrometern liegt. In der dargestellten Ausführungsform hat die Spiralantenne eine Höhe H in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Chips 1 von 3 mm, während der Durchmesser D des Antennenmaterials weniger als 5 µm beträgt.
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Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- photosensitives Material
- 2a, 2b
- belichtete Abschnitte des photosensitiven Materials
- 2c, 2d, 2e
- unbelichtete Abschnitte des photosensitiven Materials
- 3
- Maske
- 4
- UV-Strahlung
- 5
- Quelle
- 6
- Vorrichtung
- 7
- Oberfläche des Substrats
