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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung und insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung lokal definierter Mikrostrukturen auf Substratoberflächen.
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Stand der Technik
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Kommerzielle Mikrostrukturen werden fast ausschließlich über sog. Top-Down-Verfahren hergestellt. Hierbei wird die Struktur nicht selbst erzeugt, sondern aus bestehenden Schichten herausgeätzt. Top-Down-Verfahren haben den Vorteil, dass vielfältige Strukturen mit hoher lokaler Kontrolle produziert werden können. Dies geht jedoch mit einem hohen Materialverlust und einer schlechten Größenskalierbarkeit einher, welche besonders bei großflächigen Strukturierungen von teuren oder seltenen Materialen von Nachteil sind. Zudem können die nötigen Ätzprozesse der Materialoberfläche schaden, wodurch die Funktionalitäten sensitiver Materialien verloren gehen können. Bottom-Up-Verfahren, welche die direkte Erzeugung von Strukturen ohne eine vorhergehende Schichtauftragung als Zwischenschritt beschreiben, kommen ohne Ätzprozesse, d. h. ohne Materialverluste und eine mögliche Oberflächenschädigung, aus und können auch großflächige Bereiche ohne Verfahrensänderung prozessieren. Diese Kriterien machen Bottom-Up-Verfahren vor allem in Bereichen der Photovoltaik und der Hochleistungselektronik mit Funktionsmaterialien bedeutsam. Leider lassen diese materialsparenden Prozesse bisher eine hohe lokale Strukturkontrolle vermissen, was sie für kommerzielle Prozesse untauglich macht.
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Zur Lösung dieses Problems sind neuartige Ansätze und Abwandlungen herkömmlicher Methoden und Verfahren regelmäßig Gegenstand aktueller Forschung. Vor allem Methoden der Elektrodeposition und des 3D-Drucks erlangten in der Vergangenheit mit all ihren spezifischen Vor- und Nachteilen vermehrt Aufmerksamkeit (Ru, C. et al., J. Micromech. Microeng. 24, 053001 (2014)):
- Mikro-3D-Druck-Verfahren wurden in den letzten Jahren intensiv wissenschaftlich erforscht und ingenieur-technisch weiterentwickelt. Mikro-3D-Druck dient hierbei als Überbegriff für eine Vielzahl von Verfahren, die alle ihre eigenen Vor- und Nachteile aufweisen. Aufgrund der hohen Anzahl von einstellbaren Parametern sind diese Methoden zwar prinzipiell für viele Anwendungen geeignet, werden jedoch technisch sehr schnell komplex. Die meisten Mikro-Druck-Verfahren konzentrieren sich auf organische Materialien wie Polymere, DNS und Proteine. Anorganische Materialien wie Metalle und Halbleiter sind dagegen schwer zugänglich. Hier existieren bisher nur etablierte Verfahren zu Kohlenstoffstrukturen und Edelmetall-Nanopartikeln. Auch die großflächige Anwendung ist problematisch, da die Struktureinheiten meist einzeln aufgetragen werden und eine Parallelisierung der Prozesse technisch nur schwer umsetzbar ist.
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Elektrodepositionsverfahren sind speziell für großflächige Anwendungen von technischer Relevanz. Sie sind zudem vergleichsweise energiesparend und zeichnen sich durch eine hohe Abscheiderate und Präzision in Strukturausmaß und Schichtdicke aus (Gurrappa, I. & Binder, L., Sci. Technol. Adv. Mate. 9(4), 043001 (2008)). Technische Probleme treten jedoch in der Gestaltung von Templaten auf (Schwarzacher, W. et al., J. Magn. Magn. Mater. 198, pp. 185-190 (1999)). Um Strukturen auf einer Oberfläche zu erzeugen, wird meist ein Template oder eine Maske benötigt, durch die das Material elektrochemisch abgeschieden wird. Das Template stellt hierbei die Negativform für die gewünschte Struktur dar, muss jedoch anschließend wieder entfernt werden. Diese Anfertigungs- und Entfernungsschritte komplizieren den Prozess und sind technisch aufwendiger als die eigentliche Abscheidung. Zudem stören die Template die Funktionalisierung von Metallen zu Funktionsmaterialien wie Oxide, Fluoride, Nitride oder Selenide.
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Die Funktionalisierung von Metallen ist jedoch bei allen Strukturierungsverfahren wichtig, um diese strukturellen Vorläufer anschließend in funktionelle Materialien, wie ionische Leiter, elektrische Halbleiter oder photonische Absorber, umwandeln zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Mikrostrukturierung als Alternative zu Top-Down-Verfahren und Bottom-Up-Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Bildung von Metallmikrostrukturen auch auf größeren Oberflächen ermöglicht, ohne auf Masken oder Templates angewiesen zu sein und bei der eine chemische Funktionalisierung des Ausgangsmaterials technisch einfach umsetzbar ist. Insbesondere soll ein einfaches Strukturierungsverfahren bereitgestellt werden, welches in herkömmlichen Anlagen zur physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD - Physical Vapor Deposition) durchgeführt werden kann und dadurch problemlos in etablierte PVD-Prozesse integrierbar ist.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung lokal definierter Mikrostrukturen (bzw. Mikrostruktureinheiten) auf Substratoberflächen umfasst das Bereitstellen einer Substratoberfläche mit einem Bereich festgelegter Rauheit, das lokale Verringern der Rauheit der Substratoberfläche im Bereich festgelegter Rauheit zur Ausbildung mindestens eines Bereichs verminderter Rauheit, das Abscheiden eines Metalls bei einer Temperatur der Substratoberfläche oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls zur Ausbildung von lokalisierten Metalltropfen in Bereichen verminderter Rauheit sowie das Abkühlen der Substratoberfläche zum Erstarren der lokalisierten Metalltropfen zu Mikrostrukturen in Bereichen verminderter Rauheit.
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Der Begriff Metalltropfen wird im Rahmen dieser Anmeldung allgemein für sich durch Oberflächenspannung ergebende Flüssigmetallstrukturen verwendet. Je nach der sich ergebenden Form sind darunter also auch Metallinseln, Metalllinien o. ä. zu verstehen.
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Eine Bestimmung der Rauheit einer Oberfläche kann insbesondere auf Grundlage der Norm DIN EN ISO 25178 erfolgen, welche sich mit flächenhafter Rauheitsmessung beschäftigt und verschiedene Rauwerte R definiert. In der Norm sind neben unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der Rauheit auch entsprechende Messgeräte aufgeführt. Die Rauheit kann auch ganz allgemein als maximale positive bzw. negative Höhenabweichung von einer mittleren Profilfläche definiert werden. Die Angaben zur Rauheit müssen jedoch stets auch die Größe der jeweiligen Bezugsfläche, d. h. die Rauheits-Dichteverteilung, mit erfassen.
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Beispielsweise liegt eine bevorzugte Rauheit im Bereich festgelegter Rauheit vorzugsweise bei ±3 nm (maximale Höhenabweichung bzgl. der mittleren Profilfläche). Dabei kann angenommen werden, dass solche Rauheitsangaben sich auf alle drei Dimensionen beziehen, d. h., auf 6 nm würde hierbei die Höhe im Mittel ebenfalls um 6 nm variieren. In einem Bereich verminderter Rauheit wird die Rauheit dann entsprechend herabgesetzt. Entscheidend für die Durchführbarkeit des Verfahrens sind jedoch weniger die konkreten Unterschiede zwischen den einzelnen Rauwerten, vielmehr kommt es insbesondere darauf an, dass deren Verhältnisse derart zueinander eingestellt sind, dass es beim Abscheiden eines Metalls bei einer Temperatur der Substratoberfläche oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls zur Ausbildung von lokalisierten Metalltropfen in Bereichen verminderter Rauheit kommt und keine oder maximal nur geringfügige Anhaftungen im Bereich festgelegter Rauheit erfolgen.
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Vorzugsweise wird die Rauheit in Bereichen verminderter Rauheit auf maximal 1/3 der Rauheit im Bereich festgelegter Rauheit verringert. Bezogen auf das oben genannte Beispiel bedeutet dies, dass bei einer Rauheit im Bereich festgelegter Rauheit von ±3 nm durch lokales Verringern der Rauheit die Ausbildung mindestens eines Bereichs verminderter Rauheit mit einer Rauheit von maximal ±1 nm erfolgt.
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Die Erfindung betrifft somit die Mikrostrukturierung von Metallen auf Substratoberflächen, die oberhalb des Schmelzpunktes des aufgebrachten Metalls stabil bleiben. Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, vorzugsweise Gallium, Indium oder Zinn, und Substrate mit hoher thermischer Stabilität, vorzugsweise Molybdän, Wolfram oder Titan, sind daher in besonderem Maße geeignet. Ein bedeutsamer Anwendungsbereich stellt derzeit die Photovoltaik dar, da bei der Herstellung von Solarzellen große Flächen aus empfindlichen oder teuren Materialien bereitgestellt werden müssen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Prozesse der Strukturierung größenskalierbar gestaltet werden, Materialverluste werden vermieden und aus den Metallen umgewandelte Funktionsmaterialien werden durch die Strukturierung nicht beschädigt. Das Metall wird erfindungsgemäß dazu gebracht, sich lokal an definierten Positionen zu sammeln und wird erst anschließend funktionalisiert bzw. chemisch umgewandelt.
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Um dies umzusetzen, wird erfindungsgemäß eine Substratoberfläche festgelegter Rauheit benötigt. Alternativ kann das Substrat auch künstlich aufgeraut werden, um eine definierte und reproduzierbare Rauheit an der Oberfläche zu erzeugen (z. B. durch Anätzen oder lonenbeschuss). Anschließend muss die Rauheit der Substratoberfläche lokal verringert werden. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass auf das Substrat Erhebungen geringer Rauheit durch eine Schattenmaske in Standard-PVD-Prozessen aufgedampft werden oder durch Ätzverfahren gezielt Öffnungen geringer Rauheit in die Substratoberfläche eingebracht werden. Diese so erzeugte Anordnung von Bereichen hoher und geringer Rauheit dient als Motiv einer zu erzeugenden Mikrostruktur, wobei die Bereiche geringer Rauheit die Struktur abbilden.
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Bei der PVD-Abscheidung des Metalls sammelt sich dieses auf den zuvor erzeugten Bereichen geringer Rauheit. Hierfür muss die Substratoberfläche bzw. das ganze Substrat über eine Temperatur verfügen, die eine hohe Mobilität der Metallatome auf der Substratoberfläche zulässt, d. h., die Substrattemperatur muss so gewählt werden, dass sie die Schmelztemperatur des Metalls deutlich übersteigt. Vorzugsweise wird hierbei ein Frontheizsystem zur Oberflächenerwärmung verwendet, um gezielt die Substratoberfläche erwärmen zu können. Eine temperaturbedingte Veränderung des Substrats oder gar oberflächenverändernde chemische Reaktionen müssen dabei jedoch ausgeschlossen werden können.
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Nach erfolgter PVD-Abscheidung des Metalls und gleichzeitiger Akkumulation des Metalls in Bereichen verminderter Rauheit muss das Substrat definiert abgekühlt werden. Die Abkühlung dient dem Erstarren der Strukturen. Dieser Erstarrungsprozess muss kontrolliert ablaufen, um das Kollabieren durch Krater- oder Lunkerbildung zu vermeiden. Vorzugsweise ist die Zeitdauer zum Erstarren der lokalisierten Metalltropfen möglichst gering. Dies bedeutet, dass nach dem Abscheiden des Metalls eine möglichst schnelle Abkühlung der Substratoberfläche bzw. des Substrates erfolgen sollte.
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Nach dem Abkühlen der Substratoberfläche kann eine Funktionalisierung der Mikrostrukturen und/oder eine Umwandlung in Funktionsmaterialien erfolgen. Dabei richtet sich die Art der Funktionalisierung nach dem gewünschten Endprodukt des Gesamtprozesses. Die Strukturen können beispielsweise gezielt nach etablierten Standardprozessen oxidiert, nitriert oder seleniert werden. Ebenso ist es möglich, die vorhergehenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem anderen Metall zu wiederholen, um gezielt Legierungsstrukturen zu erhalten.
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Eine Hauptidee dieser Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Anordnung von Bereichen hoher und geringer Rauheit, auf welchen sich die Strukturen ausbilden, und das gezielte Abkühlen der Strukturen, um diese Anordnung zu erhalten. Bei diesem Prozess wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass die energetische Wechselwirkung zwischen der Substratoberfläche und den Metallatomen eine Akkumulation des Metalls auf den Bereichen geringer Rauheit bevorzugt. Ab einer bestimmten Metallteilchendichte stoßen sich Metall und Substrat hoher Rauheit ab, während die Bereiche geringer Rauheit bevorzugt werden. Die so erzeugten Strukturen müssen während des Abkühlprozesses stabil gehalten werden. Da die Strukturen in flüssiger Phase entstehen, bietet sich daher eine plötzliche Abkühlung an, um Strukturänderungen während der Abkühlphase kinetisch nicht zuzulassen.
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Eine Anforderung an das verwendete Substrat ist eine gute Bearbeitbarkeit, d. h., die Rauheit der Substratoberfläche muss gezielt einstellbar und messbar sein. Zudem muss das Substrat hohen und rapiden Temperaturänderungen in einer PVD-Anlage (Hochvakuum) standhalten können. Es darf sich weder durch Einfluss hoher Temperatur noch durch Einfluss hoher zeitlicher Temperaturgradienten strukturell verändern. Ebenso muss eine chemische Reaktion mit der Gasphase oder dem Metall (z. B. Legierungsbildung) weitestgehend ausgeschlossen werden. Besonders bevorzugt sind daher robuste, temperaturstabile Substrate aus Wolfram, Molybdän oder Titan.
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Das verwendete Metall sollte eine hohe Mobilität auf der Substratoberfläche besitzen und damit einhergehend einen erreichbar geringen Schmelzpunkt besitzen. Von Vorteil ist ein erreichbarer Siedepunkt, da die Mobilität der Metallteilchen nahe dem Siedepunkt auf einer Oberfläche am größten ist. Da das Metall anschließend funktionalisiert werden kann, bieten sich zudem leicht funktionalisierbare Metalle an. Diese Kriterien werden für viele Anwendungen beispielsweise von Indium, Gallium oder Zinn erfüllt.
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Die Größe und Form der Strukturen wird über die Abfolge von Bereichen hoher und geringer Rauheit vorgegeben. Vorzugsweise orientieren sich diese Abfolgen an den natürlichen Präferenzen der flüssigen Metalle, d. h. an Formen, Größen und Abständen.
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Bevorzugt sind Punktmuster gegenüber Linienmuster als Mikrostrukturen zu verwenden. Eine Anordnung von Punkten bzw. kreisförmigen Tropfen/Inseln sind physikalisch stabiler als Anordnungen von Linien. Es können jedoch auch deutlich komplexere Strukturformen ausgebildet werden.
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Bevorzugt sind Abstände zwischen den Struktureinheiten von 50 µm bis 800 µm. Die genauen Abstände richten sich nach Art des verwendeten Metalls. Im Fall von Indium beträgt der bevorzugte Abstand beispielsweise 200 µm bis 500 µm.
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Die Größe der Struktureinheiten kann mit der Menge des abgeschiedenen Metalls und der Größe des Bereichs verminderter Rauheit eingestellt werden. Hierbei sollten materialspezifische Grenzgrößen eingehalten werden, um die Stabilität der Mikrostrukturen zu gewährleisten. Bevorzugt sollte eine Struktureinheit daher 10 µm nicht unter- und 100 µm nicht überschreiten.
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Vorzugsweise erfolgt das Abscheiden des Metalls mit einer Rate von kleiner als 0,1 nm/s. Hierzu kann eine Verdampfungsanlage auf eine entsprechende Verdampfungsrate eingestellt werden. Eine geringe Abscheidungsrate hat den Vorteil, dass das abgeschiedene Metall auf der Substratoberfläche genügend Zeit zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Metalltropfen hat.
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Vorzugswiese erfolgt das Abscheiden des Metalls entgegen der Schwerkraft. Dadurch wird allgemein die Haftung zwischen der Substratoberfläche und dem Metall reduziert, was ebenfalls die Ausbildung der erfindungsgemäßen Metalltropfen unterstützt. Zudem werden die Metalltropfen durch ihr eigenes Gewicht beeinflusst, so dass diese eine ausgeprägte konvexe Form einnehmen können und nicht auf der Oberfläche lasten.
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Vorzugsweise wird die Temperatur der Substratoberfläche mittels Oberflächenerwärmung und/oder Substraterwärmung eingestellt. Zur Erwärmung können beispielsweise eine elektrische Heizung oder ein Heizlaser eingesetzt werden. Diese Methoden können auch geeignet miteinander kombiniert werden, beispielsweise um eine von der Oberflächentemperatur abweichende allgemeine Substrattemperatur oder einen Temperaturgradienten einzustellen. Auch kann eine Kühlung beispielsweise einzelner temperaturempfindlicherer Bereiche an der Substratoberfläche oder an der Rückseite des Substrates vorgesehen sein.
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Die Umsetzung auf großer Fläche kann in gleicher Weise erfolgen wie auf kleiner Fläche. Es muss dabei lediglich gewährleistet werden, dass eine möglichst homogene Erwärmung über die gesamte Substratoberfläche bzw. im Bereich festgelegter und verringerter Rauheit erfolgen kann.
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Dies macht die Erfindung besonders für photovoltaische Anwendungen mit teuren Materialien, wie dem I-III-VI-Verbindungshalbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Cu(In,Ga)Se2, interessant. Hierfür kann ein Molybdän-Substrat entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren vorbereitet werden. Anschließend kann das Substrat mit Indium bedampft werden, wobei sich Indium-Mikrostrukturen ausbilden. Beispielsweise kann dadurch eine Anordnung von Indium-Punkten bzw. Indium-Tropfen auf einem Molybdän-Substrat realisiert werden. Anschließen können die Strukturierungsschritte mit Gallium wiederholt werden, um gezielt stöchiometrische Indium-Gallium-Legierungsmikrostrukturen zu erhalten. Diese Strukturen können außerdem beispielsweise mit Kupfer und Selen zu Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Funktionsmaterialmikrostrukturen umgewandelt werden.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Verdampfungskammer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung verschiedener Substratoberflächen,
- 3 eine schematische Darstellung einer lokalisierten Ausbildung von Metalltropfen, und
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrostruktur.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verdampfungskammer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist ein Substrat 10 mit einer nach unten in Richtung eines Heiztiegels gerichteten Substratoberfläche 12 dargestellt. Ein Abscheiden eines im Heiztiegel befindlichen Metalls 20 kann hierbei entgegen der Schwerkraft erfolgen. Dargestellt sind weiterhin eine Oberflächenerwärmung 30 und eine rückwärtig auf das Substrat einwirkende Substraterwärmung 32. Nicht dargestellt ist eine optionale und bevorzugt lokal wirkende Möglichkeit zur Substrat- bzw. Oberflächenkühlung (z. B. mittels Peltier-Element, Kühler oder externem Kühlmittel).
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein geeignetes Substrat 10 ausgewählt, welches robust ist und den nachfolgenden Prozessbedingungen mechanisch und chemisch standhält. Die Rauheit des Substrats 10 sollte vorzugsweise bei ±3 nm liegen. Diese Rauheit kann in der Regel nicht mehr über Standardprofilometrie nachgewiesen werden, sondern bedarf einer Charakterisierungsmethode mit atomarer Auflösung. Hierfür bietet sich die Atomkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy - AFM) an. Molybdän-Substrate der gewünschten Rauheit können beispielsweise erhalten werden, indem Molybdän über physikalische Gasphasenabscheidung (z. B. Elektronenstrahlverdampfung) auf einer Glasunterlage bei erhöhter Temperatur von 500 °C und unter Hochvakuum von 10-6 mbar bis 10-5 mbar abgeschieden wird. Hierbei genügen bereits abgeschiedene Schichtdicken von 100 nm Molybdän.
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Nach Sicherstellung der Eignung des Substratmaterials für den nachfolgenden Prozess wird die gewünschte Mikrostruktur bzw. das Muster ausgewählt. Ein Beispiel für ein Muster ist ein einfaches Punktraster. Insbesondere Punktraster mit Punktgrößen von 10 µm bis 100 µm und mit Punktabständen von 50 µm bis 800 µm zeigen dabei eine hohe Prozessstabilität. Die genauen Grenzwerte sind stark von der Wahl des Substratmaterials und des Strukturmetalls abhängig. Die exakte Anordnung der Struktureinheiten (z.B. hexagonale oder quadratische Punktmuster) kann frei gewählt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Substratoberflächen 12. Dabei zeigt die Darstellung unter (a) eine Substratoberfläche 12 mit einem Bereich festgelegter Rauheit 14 vor einer erfindungsgemäßen Prozessierung. Die Darstellungen unter (b) und (c) zeigen hingegen eine Substratoberfläche 12 nach einem erfindungsgemäßen lokalen Verringern der Rauheit im Bereich festgelegter Rauheit 14 zur Ausbildung mindestens eines Bereichs verminderter Rauheit 16 zum einen (b) durch Ätzung und zum anderen (c) mittels eines Aufdampfverfahrens.
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Das herzustellende Mikrostrukturmuster muss erfindungsgemäß zunächst als Rauheitsinformation auf die Substratoberfläche 12 aufgebracht werden. Insbesondere Bereiche verringerter Rauheit mit Rauheitswerten von kleiner als ±1 nm können dabei die Mikrostruktur bzw. die Punkte darstellen, an denen sich später das verdampfte Metall 20 sammeln soll. Bereiche der höheren, substrateignen Rauheit (mit Rauheitswerten von bevorzugt mindestens ±3 nm) stellen die Bereiche dar, die in der die Mikrostruktur ausgespart werden sollen.
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Hierfür kann jede Methode verwendet werden, mit der die Rauheit eines Substrats 10 lokal verringert werden kann. Beispielsweise kann hierfür eine Schattenmaske dienen. Die Maske kann dabei mit Öffnungen versehen werden, die der Anordnung des gewünschten Musters entsprechen. Die Maske kann anschließend auf dem Substrat 10 positioniert werden und einem Prozessschritt unterzogen werden, bei dem die Rauheit der Substratoberfläche 12 unter den abdeckenden Flächen der Maske unberührt bleibt, während die Rauheit der Substratoberfläche 12 unter den Öffnungen der Maske verringert wird. Dies kann beispielsweise durch einen chemischen oder physikalischen Ätzprozess (Plasmaätzen, Reaktives lonenätzen etc.) oder einen weiteren Aufdampfprozess, bei dem Substratmaterial geringerer Rauheit durch die Öffnungen aufgedampft wird, erfolgen. Bei Molybdän als Substratmaterial kann dies beispielsweise durch ein PVD-Prozess mittels Elektronenstrahlverdampfung bei Raumtemperatur unter Hochvakuum von 10-6 mbar bis 10-5 mbar erfolgen. Hierbei müssen lediglich 10 nm der Molybdänschicht hinzugefügt werden, um die Rauheit an den lokalen Bereichen effektiv zu Werten kleiner als ±1 nm zu verringern. Anschließend kann eine Kontrolle der erreichten Rauheit mittels AFM erfolgen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer lokalisierten Ausbildung von Metalltropfen 22. Zur Erzeugung kann ein erfindungsgemäß vorbereitetes Substrat 10 mit Abfolgen von Bereichen hoher und geringer Rauheit mit einem strukturgebenden Metall 20 bedampft werden. Hierfür bieten sich Methoden der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung (PVD/CVD, CVD - Chemical Vapor Deposition) an.
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Die Substrat- bzw. Oberflächentemperatur sollte dabei vorzugsweise nahe unterhalb des Siedepunktes des Metalls 20 in der Hochvakuumatmosphäre der PVD/CVD-Anlage liegen, mindestens jedoch über der Schmelztemperatur des Metalls 20, um eine hohe Mobilität der Metallteilchen auf der Substratoberfläche 12 für eine Ausbildung der Metalltropfen 22 zu ermöglichen. Aus diesem Grund eignen sich insbesondere Metalle 20 mit niedrigem Schmelzpunkt wie Gallium, Indium oder Zinn zur Strukturerzeugung.
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Eine hohe Teilchenmobilität kann zusätzlich dadurch gewährleistet werden, dass eine Aufheizung der Substratoberfläche 12 von der Verdampfungsrichtung aus erfolgt und indem die Verdampfung derart eingestellt ist, dass eine Abscheidungsrate von bevorzugt kleiner als 0,1 nm/s resultiert. Eine geringe Rate bei der Verdampfung verhindert die Bildung kritischer Metallteilchencluster auf der Substratoberfläche 12, was zu unerwünschten Materialansammlungen zwischen den zu erzeugenden Struktureinheiten oder zu unerwünschten Unter- bzw. Zwischenstrukturen führen kann. Für Indium-Strukturen auf Molybdän-Substraten bzw. Molybdän-Substratoberflächen ist insbesondere eine Elektronenstrahlverdampfung bei ungefähr 500 °C unter Hochvakuum von 10-6 mbar bis 10-5 mbar und bei einer Rate von etwa 0,03 nm/s besonders geeignet.
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Im Laufe des erfindungsgemäßen Abscheidens eines Metalls 20, z. B. während des Verdampfungsprozesses, sammelt sich das Metall 20 in Form seiner Schmelze auf den Bereichen verminderter Rauheit 16 an. Dies ist auf Effekte der Oberflächenenergien und repulsive Kräfte zurückzuführen. Ab einer bestimmten Metallmenge auf der Substratoberfläche 12 werden die Metallteilchen von den Bereichen hoher Rauheit effektiv abgestoßen bzw. von den Bereichen verringerter Rauheit effektiv angezogen. Die Folge ist die Ausbildung der gewünschten Mikrostruktur 24.
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Nach erfolgreicher Metallabscheidung und Strukturierung der Schmelze wird die Substratoberfläche 12 erfindungsgemäß abgekühlt. Dieses Abkühlen kann bevorzugt unmittelbar bis Raumtemperatur erfolgen. Während des Abkühlprozesses erstarren die Metalltropfen 22 und die zunächst noch flüssigen Strukturen der Schmelze wandeln sich in feste Metallstrukturen um. Hierbei sollte sichergestellt werden, dass sich die dabei erzeugten Mikrostrukturen nicht verformen und das gewünschte Muster erhalten bleibt. Um dies zu erreichen, kann die Probe entgegen der Schwerkraft (d. h. über Kopf) in der Anlage positioniert werden. Auf diese Weise drücken die Gravitationskräfte die erzeugten Struktureinheiten weder zusammen noch gegen das Substrat 10, was einem Kollabieren oder Auslaufen der Schmelzstrukturen entgegenwirkt. Ebenso ist ein möglichst schneller Abkühlprozess vorteilhaft. Dieser Prozess des thermischen Abschreckens beugt insbesondere einer temperaturbedingten Verformung der äußerlichen Mikrostruktur vor.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrostruktur 24. Es handelt sich hierbei um einen beispielhaften Ausschnitt eines erzeugten 40x40 Punktrasters, welches insbesondere von Indium-Tropfen mit einem Durchmesser d von 50 µm und einem Abstand a von 300 µm auf Molybdän erzeugt wurden.
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Bei Bedarf kann das Metall der Mikrostruktur 24 im Anschluss beliebig funktionalisiert oder weiterverarbeitet werden. Die bestehende und stabile Mikrostruktur eignet sich insbesondere für die weitere Umwandlung des Metalls hin zu Legierungen oder Funktionsmaterialien (wie Oxiden, Nitriden, Seleniden etc.). Das gezeigte System aus Indium-Punkten auf Molybdän kann beispielsweise mittels eines weiteren PVD-Prozesses unter Verwendung eines Widerstandsverdampfers bei 300 °C unter Hochvakuumbedingungen von 10-6 mbar bis 10-5 mbar mit einer Rate von 0,01 nm/s mit Gallium bedampft werden. Hierbei sammelt sich das Gallium (ähnlich wie bei der Herstellung der Mikrostruktur 24 selbst) am Indium an den lokal vordefinierten Bereichen. Nach einem kontrollierten Abkühlprozess liegt dann eine Indium-Gallium-Legierungsstruktur vor. Das Indium:Gallium-Verhältnis kann dabei frei über die verwendeten Metallmengen eingestellt werden.
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Durch Bedampfung mit Kupfer und Selen kann auch das für photovoltaische Anwendungen bedeutsame Kupfer-Indium-Gallium-Dieselenid erzeugt werden. Dies zeigt beispielhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch für Strukturen zur Weiterverarbeitung zu hochfunktionalisierten Komplexmaterialien geeignet ist.
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Daher stellt die Erfindung ein alternatives und vielseitiges Verfahren bereit, welches nur durch die verwendeten Materialien und deren Strukturpräferenzen begrenzt ist. Weitere Parameter wie die Größe der Gesamtstruktur sind allein von der Homogenität der Systemparameter in der jeweils verwendeten Anlage abhängig. Bei gewährleisteter Systemhomogenität sind auch großflächige Strukturierungen und Umwandlung in hochkomplexe Funktionsmaterialien möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Substrat
- 12
- Substratoberfläche
- 14
- Bereich festgelegter Rauheit
- 16
- Bereich verminderter Rauheit
- 20
- Metall
- 22
- Metalltropfen
- 24
- Mikrostruktur bzw. Mikrostruktureinheit
- 30
- Oberflächenerwärmung
- 32
- Substraterwärmung
- a
- Abstand
- d
- Durchmesser
