DE19634120A1 - Neuartige Dünnschichten für die Mikrosystemtechnik - Google Patents

Neuartige Dünnschichten für die Mikrosystemtechnik

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Torsten Dr Schulz
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Description

Die Erfindung betrifft neuartige Dünnschichten für die Mikrosystemtechnik und Mikrostrukturierung, die in vielfältiger Weise innerhalb dieser Technologien zum Einsatz gelangen können.
Bislang nach dem Stand der Technik in der Mikrosystemtechnik und Mikrostrukturierung eingesetzte Dünnschichten, bspw. zur Erzeugung von Membranen, Kontakt- und Leitbahnschichtsystemen, basieren auf dem Einsatz anorganischer Schichten, wie häufig verwendeter Schichten aus SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, und Metallschichten bzw. Metallschichtsystemen. Zur Erzeugung der gewünschten Strukturen kommen dabei gesundheitsschädigende und giftige Chemikalien, wie z. B. starke Säuren, Laugen und Oxidationsmittel zum Einsatz oder es sind äußerst kostenaufwendige Prozesse, wie reaktives Ionen- bzw. Plasmaätzen erforderlich (S. Büttgenbach, Mikromechanik, B. G. Teubner Stuttgart, 1994). Die einzigen organischen Schichten, die innerhalb dieser Strukturerzeugungsprozesse Verwendung finden, sind Fotoresiste, die nach der Übertragung der gewünschten Struktur in die zu strukturierende Schicht in der Regel wieder entfernt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Dünnschichten anzugeben, die sich problemloser und kostengünstiger als bislang übliche Schichten herstellen lassen und die Verwendung der vorhandenen Technologien der Mikrostrukturierung zulassen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
Es wurde gefunden, daß im Bereich der Mikrostrukturierung bislang zum Einsatz gelangende, strukturierbare Maskierungsschichten, wie Fotoresistschichten, allein durch ihre Anwesenheit lokal die Eigenschaften von Biopolymerfilmen, z. B. Gelatine, Agarose, Dextrose und Lipide, beeinflussen können. Überraschend wurde weiterhin gefunden, daß sich solche Biopolymerfilme auch in dem für die Dünnschichttechnik relevanten Dickenbereich von 30 nm-3 µm in sehr hoher Qualität herstellen lassen. Die Schichtdicken lassen sich durch das an sich bekannte spin-coating aus Lösungen mit einem Feststoffgehalt von 1-30%, im Bereich von einigen 10 nm reproduzieren. Die so aufgetragenen Schichten sind selbst in diesem extremen Dünnschichtbereich unerwarteter Weise homogen und defektfrei. Ebenso halten sie im weiteren Prozeß der Mikrostrukturierung häufig erforderlichen Temperschritten bis 250°C ohne Degradationserscheinungen problemlos Stand.
Der Hauptvorteil dieser Schichten aus Biopolymeren besteht jedoch in ihrer enzymatischen Abbaubarkeit, was eine hohe Spezifität des Abbaus zur Folge hat, der in der Regel unter moderaten Bedingungen, bei Raumtemperatur, in Lösungen mit pH-Werten vorzugsweise zwischen 4-9, erfolgt. Grundsätzlich bieten Biopolymere den Vorteil, daß sie definierte Funktionen zur kovalenten oder auch nichtkovalenten Ankopplung von weiteren Molekülen und Schichten bieten, so kann bspw. an eine Gelatineschicht über Amino-, Carboxy-, Thiofunktionen als auch über Wasserstoffbrückenbindungen gekoppelt werden. Weiterhin ist es problemlos möglich, Biopolymere zu vernetzen (z. B. mittels Glutardialdehyds bei Vorliegen von freien Keto-, Amino-, Hydroxygruppen) und damit die Eigenschaften der erzeugten Schicht entsprechend zu verändern, so wird z. B. aus wasserlöslicher Gelatine nach dem Quervernetzen ein nicht wasserlösliches Material, in dem Moleküle eingeschlossen oder aber an das diese kovalent und nichtkovalent gebunden werden können. Je nach Ausbildung können die vorgeschlagenen Dünnschichten im vorgesehenen Anwendungsgebiet zu vielfältigen Zwecken verwendet werden. Eine nähere Illustration dieser Anwendungsmöglichkeiten wird in folgenden Ausführungsbeispielen aufgezeigt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Eigenschaft von Enzymen als hochspezifische Katalysatoren angewandt, um eine freitragende Novolacstruktur unter Einsatz einer aus Gelatine bestehenden biopolymeren Dünnschicht zu erzeugen. Dazu wird auf einen gereinigten Siliziumwafer eine ca. 200 nm dicke Gelatineschicht durch Aufschleudern (spin-coating) aufgebracht. Im Beispiel wird diese Schicht durch in Wasser gelöste Gelatine (10% v/v), die mit 5% Glutardialdehyd versetzt wird gebildet. Diese Schicht ist nicht wasserlöslich und gegen übliche Fotolackentwickler resistent. Auf diese Schicht wird ebenfalls mittels spin-coating eine handelsübliche Fotoumkehrresist aufgebracht. Die Fotoresistschicht wird nach Vorschrift behandelt, entsprechend ihrer später gewünschten Struktur maskiert, belichtet und strukturiert. Der gesamte Schichtverbund in einen Behälter mit einem enzymatisches Bad eingebracht. Im Falle der Verwendung von Gelatine für die Biopolymerschicht besteht das enzymatische Bad bevorzugt aus einem Protease K-Puffer, der im wesentlichen durch 10% SDS, 10 mM NaCl, 10 mM EDTA und Tris-HCl gebildet wird und dem 10 mg/ml Protease K zugegeben sind. Der pH-Wert dieses Bades ist auf 8,5 eingestellt. Unter Einsatz eines solchen enzymatischen Bades erfolgt der vollständige Abbau der ca. 200 nm dicken Gelantineschicht bei Raumtemperatur innerhalb von ca. 8 h. In diesem Beispiel fand die Biopolymerschicht Anwendung als Opferschicht zur Generierung einer freitragenden Novolacstruktur.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem wieder von einem nach dem ersten Beispiel ausgebildeten Schichtverbund aus Gelatine und einem Fotoresist ausgegangen wird, wird die Eigenschaft von Enzymen als hochspezifische Katalysatoren, die in ihrer Funktion durch geeignete Inhibitoren bzw. Kompetitoren gehemmt werden, angewandt. So bindet Diazonaphtochinon, die in AZ-Fotoresists übliche fotosensitive Komponente, an OH-Gruppen der Gelatine und hindert somit eine in einer Pufferlösung eingesetzte Protease am Abbau. Beim Belichten wandelt sich das Diazonaphtochinon in eine Carboxylsäure um, die als Salz aus der Gelatine gelöst wird, so kann an solchen Stellen der Abbau ungehindert erfolgen. Der Abbau erfolgt somit in Analogie zu bisherigen selektiven Ätztechniken "anisotrop". An Stellen, an denen der Inhibitor nach wie vor vorhanden ist, ist die Abbaugeschwindigkeit deutlich herabgesetzt. Damit ist der Einsatz von Biopolymeren und den jeweils passenden Abbau- bzw. Modifikationsenzymen sowohl als mikrosystemtechnische Komponente als auch als Maskenmaterial gegeben.
In einem dritten Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, die Biopolymerdünnschichten mit einem lichtempfindlichen Zusatz (z. B. Diazonaphtochinon) zu versetzen und damit eine Schicht zu schaffen, die selbst als Fotoresist einsetzbar ist. Voraussetzung hierfür ist, daß der lichtempfindliche Zusatz entweder selbst als Inhibitor für das abbauende Enzym wirkt oder an einen solchen Inhibitor gekoppelt ist. Durch diese geschaffene Ausführungsmöglichkeit lassen sich enzymatisch entwickelbare Fotoresists herstellen.
In einem vierten Ausführungsbeispiel soll die Herstellung einer ca. 100 nm dicken Lipidschicht beschrieben werden. Dazu wird eine Lösung bestehend aus Phosphotidylethanolamin in Chloroform (0,1 g/ml) bei 5000 U/min in 30 s auf ein geeignetes Substrat aufgeschleudert.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, eine Dünnschicht aus Gelatine versetzt mit einem biogenen Inhibitor der Proteasefunktion, wie z. B. TFPI (tissue factor pathway inhibitor) 1 : 1000 Massenanteilen gemischt, mit einer Dünnschicht aus reiner Gelatine zu überschichten. Damit ist im Falle einer nachträglichen enzymatischen Behandlung ein Ätzstopp geschaffen. In analoger Weise kann unter Auswahl eines für das nachträglich eingesetzte Enzym inhibierend wirkender Substanz ein Abbaustopp in Schichten bestehend aus Agarose, Dextrose und Lipiden eingebracht werden.

Claims (12)

1. Neuartige Dünnschichten für die Mikrosystemtechnik und Mikrostrukturierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht aus einem enzymatisch abbaubaren Biopolymer gebildet ist und in einem Schichtdickenbereich von 30 nm bis 3 µm vorliegt.
2. Neuartige Dünnschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymatisch abbaubare biopolymere Dünnschicht partiell oder ganzflächig mit einem Inhibitor oder Kompetitor versehen ist.
3. Neuartige Dünnschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymatisch abbaubare biopolymere Dünnschicht volumenmäßig durchsetzt mit einem Inhibitor oder Kompetitor versehen ist.
4. Neuartige Dünnschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymatisch abbaubare biopolymere Dünnschicht mit lichtempfindlichen Zusätzen versehen ist.
5. Neuartige Dünnschichten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtempfindliche Zusatz durch Diazonaphtochinon gebildet ist.
6. Neuartige Dünnschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die biopolymere Dünnschicht durch Gelatine gebildet ist.
7. Neuartige Dünnschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die biopolymere Dünnschicht durch Agarose gebildet ist.
8. Neuartige Dünnschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die biopolymere Dünnschicht durch Dextrose gebildet ist.
9. Neuartige Dünnschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die biopolymere Dünnschicht durch ein Lipid gebildet ist.
10. Neuartige Dünnschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die biopolymere Dünnschicht aus einer Lösung mit einem Feststoffgehalt des biopolymeren Ausgangsmaterials von 1-30% mittels spin-coating in einem vorgebbaren Schichtdickenbereich aufgebracht ist.
11. Neuartige Dünnschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymatisch abbaubare biopolymere Dünnschicht durch Zusatz thermisch aktivierbarer Reagenzien vernetzt, insbesondere quervernetzt ist.
12. Neuartige Dünnschichten nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisch aktivierbare Reagenzien insbesondere Glutardialdehyd oder Formaldehyd eingesetzt sind, die der das Biopolymer enthaltenden Lösung mit einem Anteil von 1-5% zugesetzt sind.
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FR2245009A1 (en) * 1973-09-21 1975-04-18 Kodak Pathe Protein contng photo resist compsn with photoisomerisable cpd - which on exposure has greater enzyme inhibiting power

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