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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Stempel zur Verwendung in einem
Lithografieprozess, wobei der Stempel einen Stempelkörper mit
einer Druckfläche
umfasst und der genannte Körper
eine erste Vertiefung mit einer Öffnung
in der Druckfläche
hat.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines
Stempels zur Verwendung in einem Lithografieprozess, wobei der Stempel einen
Stempelkörper
mit einer Oberfläche
hat, die teilweise mit der Druckfläche übereinstimmt.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer
elektronischen Komponente mit dem Schritt, eine strukturierte Schicht
eines ersten Materials auf eine Oberfläche eines Substrats mithilfe
eines Stempels, der mit einem Stempelkörper und einer Druckfläche versehen
ist, aufzubringen, wobei der Stempelkörper eine erste Vertiefung mit
einer Öffnung
in der Druckfläche
umfasst und wobei in dem Verfahren die Druckfläche des Stempels auf die Oberfläche des
Substrats platziert wird, sich das genannte erste Material an der
Druckfläche
befindet, sodass die Oberfläche
des Substrats mit der strukturierten Schicht versehen wird.
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Ein
solcher Stempel ist bekannt von G.M. Whitesides und Y. Xia in Angew.
Chem. Int. Ed. 37 (1998), 500-575. Die erste, stabförmige Vertiefung wird
von einem Boden und von Wänden,
die an die Druckfläche
angrenzen und die auch als Seitenwände bezeichnet werden, begrenzt.
Die erste Vertiefung hat eine Tiefe, die gleich dem Abstand zwischen
dem Boden und der Druckfläche
ist. Die erste Vertiefung hat eine Weite in der Ebene der Öffnung und
eine Länge
senkrecht dazu, wobei die genannte Weite kleiner oder gleich der
Länge ist.
Der bekannte Stempel wird in Lithografieprozessen verwendet, die
in den letzten Jahren als eine Alternative zur Fotolithografie an
Wichtigkeit gewonnen haben. Solche Prozesse werden kollektiv als „sanfte
Lithografie" bezeichnet.
Ein erstes Beispiel ist das Mikrokontaktdrucken, wo zuerst das Material
auf die Druckfläche
des Stempels aufgebracht wird, und anschließend der Stempel mit seiner
Druckfläche
auf das Substrat platziert wird. Ein zweites Beispiel ist das Mikroformen, wo
die genannten Schritte in dem Lithografieprozess in umgekehrter
Reihenfolge ausgeführt
werden.
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Wie
auf Seite 556 des zitierten Artikels erwähnt ist, hat der bekannte Stempel
den Nachteil, dass das Weiten/Tiefen-Verhältnis der ersten Vertiefung
begrenzt ist. Dieses Verhältnis,
hiernach als Seitenverhältnis
bezeichnet, hat sowohl eine untere als auch eine obere Grenze, vor
allem zwischen 0,2 und 2. Wenn das Verhältnis groß ist, ist die Tiefe der ersten
Vertiefung klein. Durchbiegen des vergleichsweise großen Bodens
verursacht dann, dass ein Teil dieses Bodens in der Druckfläche liegt
und eine Störung in
der Anordnung der Druckfläche
auftritt.
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Eine
erste Maßnahme,
um ein solches Durchbiegen zu verhindern, ist, nicht-funktionale Pfosten
in dem Hohlraum zu schaffen. Solche Pfosten sind Vorsprünge, von
denen jeder eine Oberfläche
in der Druckfläche
hat. Wenn mithilfe des Stempels ein Abdruck der Stempeloberfläche gemacht wird,
enthält
der Abdruck auch das Muster der Pfosten, das zusätzlich und ohne Funktion in
dem Abdruck ist. Das Schaffen der Pfosten teilt die erste Vertiefung
in eine Anzahl von aneinander teilweise angrenzenden Vertiefungen
auf, wobei jede ein kleineres Seitenverhältnis hat als die erste Originalvertiefung.
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Diese
Maßnahme
führt aber
zu anderen Nachteilen: so muss die in der Herstellung des Stempels
verwendete Maske verglichen mit einer Standardlithografiemaske angepasst
werden. Außerdem bringt
die Verwendung einer Maske mit solchen Pfosten das Risiko von Kurzschlüssen und
der Erzeugung von parasitären
Kapazitäten
in der strukturierten Schicht, zum Beispiel in der Herstellung einer
strukturierten elektrisch leitenden Schicht, mit sich.
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Eine
zweite Maßnahme
zum Verhindern des Durchbiegens des Bodens der ersten Vertiefung
ist es, die Tiefe der ersten Vertiefung zu erhöhen. Wenn die Tiefe zunimmt
und das Seitenverhältnis
abnimmt, nimmt das Risiko des Durchbiegens der Seitenwände der
ersten Vertiefung zu, sodass das Muster nicht ausreichend übertragen
wird. Dieser Nachteil zeigt sich besonders, wenn eine zweite Vertiefung
in einem kurzen Abstand von der ersten Vertiefung vorhanden ist.
Der dazwischengebrachte Anteil des Stempelkörpers kann in dem Fall als
ein Pfosten angesehen werden, dessen Weite im Verhältnis zu
seiner Tiefe klein ist und der aus dem Grund eine geringe Stabilität hat.
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Es
ist eine erste Aufgabe der Erfindung, einen Stempel der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, der eine Druckfläche hat, die vergleichsweise
unempfindlich gegenüber
Störungen
ist, die durch die Anwesenheit einer ersten Vertiefung mit einem kleinen
oder einem großen
Seitenverhältnis
verursacht werden.
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Es
ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines Stempels der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, durch
das ein erfindungsgemäßer Stempel
hergestellt werden kann.
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Es
ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
eine strukturierte Schicht der eingangs beschriebenen Art aufzutragen,
wobei die Schicht in genauer Weise strukturiert wird.
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Erfindungsgemäß wird die
erste Aufgabe mit dem Stempel gemäß Anspruch 1 gelöst.
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In
dem erfindungsgemäßen Stempel
nimmt der Querschnitt der ersten Vertiefung ab, wenn der Abstand
zu der Druckfläche
zunimmt.
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Eine
weitere Vertiefung ist neben der ersten Vertiefung vorhanden, wobei
die weitere Vertiefung eine Öffnung
in der Druckfläche
hat, Querschnitte parallel zu der Druckfläche hat und enger wird, wenn der
Abstand zu der Druckfläche
zunimmt. Außerdem liegt
eine Projektion eines Querschnitts auf die Druckfläche innerhalb
der Öffnung
der Vertiefung. Diese Vertiefung hat eine Länge und eine Weite, die zueinander
senkrecht stehen, wobei die Länge
größer oder
gleich der Weite ist. Wenn die Öffnung
die Form eines Rechecks hat, verlaufen Länge und Weite parallel zu den
Seitenwänden
der Vertiefung. Im Allgemeinen hat die Öffnung eine Abmessung in einer
ersten Richtung parallel zu der Druckfläche. Diese Abmessung der Öffnung wird
vorzugsweise als die Weite gewählt,
besonders wenn die Länge
viel größer als
die Weite ist.
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Die Öffnung der
weiteren Vertiefung hat in einer ersten Richtung parallel zu der
Druckfläche
eine Abmessung, die größer ist
als die Abmessung der ersten Öffnung
in dieser selben Richtung. Ein Ergebnis davon ist, dass die Tiefe
der weiteren Vertiefung größer als
die Tiefe der ersten Vertiefung ist. Die Tiefe der weiteren Vertiefung
ist größer als
die Tiefe der ersten Vertiefung, weil in dem Fall der Boden der
weiteren Öffnung
eine kleinere Oberfläche
hat als wenn die genannten Tiefen gleich wären.
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Dieser
erfindungsgemäße Stempel
macht es möglich,
Muster mit Details verschiedener Abmessungen mithilfe ein und desselben
Stempels zu drucken. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Größe der Öffnung der
weiteren Vertiefung in einer ersten Richtung zu jener der Öffnung der
ersten Vertiefung in genannter Richtung mindestens fünf. Insbesondere
ist dieses Verhältnis
mindestens zwanzig. Insbesondere ist dieses Verhältnis mindestens fünfzig, wobei
viel größere Verhältnisse
erfindungsgemäß nicht
ausgeschlossen sind.
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Die
Möglichkeit
großer
Verhältnisse
zwischen den Größen der Öffnungen
der Vertiefungen ist ein Hauptvorteil, weil es möglich sein sollte, Muster mit
weit unterschiedlichen Größen und
jeglichen Formen wie auch immer in der Herstellung elektronischer
Komponenten zu schaffen. Wenn eine Schicht oder eine Ätzschicht
für eine
integrierte Schaltung gedruckt wird, können Linien mit einem Querschnitt von
0,1 μm und
Oberflächen
mit einem Querschnitt von 5 μm
auf diese Weise geschaffen werden. So können beispielsweise aktive
und passive Elemente in eine Schicht in einer integrierten Weise
gedruckt werden. Die Linie ist beispielsweise eine Verbindungsleitung,
während
die Oberfläche
eine Elektrode eines Kondensators ist.
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In
einer Ausführungsform
hat die Vertiefung ebene Seitenwände,
von denen mindestens einige einen Winkel kleiner als 90° mit der
Druckfläche
bilden. Vorzugsweise bildet jede der aneinander angrenzenden Vertiefungen
einen Winkel kleiner als 90° mit
der Druckfläche.
Dieser Winkel ist der Winkel zwischen einem ersten Vektor n1, der
senkrecht auf der Druckfläche
steht und von dem Stempel wegzeigt, und einem zweiten Vektor n2,
der senkrecht auf einer Wand der Vertiefung, die an die Druckfläche angrenzt,
steht und auch von dem Stempel weg zeigt. Vorzugsweise ist dieser
Winkel größer als
10° und kleiner
als 80°.
Insbesondere ist der Winkel größer als
40° und
kleiner als 60°.
In dem erfindungsgemäßen Stempel
ist der Boden der ersten Vertiefung kleiner als er in dem bekannten
Stempel für
eine gegebene Öffnung
ist. Durchbiegen des Bodens wird dementsprechend effektiver entgegengewirkt,
ohne dass nicht-funktionale Pfosten in dem Stempel enthalten sind.
Die Probleme, die zu kleinen Seitenverhältnissen gehörige Stabilität betreffen,
fehlen mindestens im Wesentlichen in dem erfindungsgemäßen Stempel
auch. Das Verengen der ersten Vertiefung mit zunehmendem Abstand
zu der Druckfläche
beinhaltet notwendigerweise den Effekt, dass die angrenzenden Teile
des Stempelkörpers
mit zunehmendem Abstand zu der Druckfläche breiter werden und so stabilisiert
sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Druckfläche weniger empfindlich auf
Abweichungen ist, wenn Kräfte
auf den Stempel ausgeübt
werden: da der Winkel kleiner als 90° ist, ist das auf die angrenzenden
Teile des Stempelkörpers
angewendete Kraftmoment kleiner. Dementsprechend ist das Risiko,
dass eine Seitenwand ihre Position ändert – wobei die Form der Öffnung geändert werden
würde – reduziert.
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Der
Boden der ersten Vertiefung des erfindungsgemäßen Stempels kann unter anderem
eine rechtwinklige und eine mehreckige Form haben. Es wird aber
bevorzugt, dass der Boden im Wesentlichen die Form einer Linie oder
eines Punktes hat. Tat sächlich
kann dann kein Durchbiegen des Bodens stattfinden. Die Vertiefung
sieht wie ein V-förmiger Graben
in der Druckfläche
aus und hat dann in einer Ebene senkrecht zu der Druckfläche gesehen
eine dreieckige Form. Die Vertiefung als ein Ganzes hat dann beispielsweise
die Form eines Konus, einer Pyramide oder eines unregelmäßigen Polyeders.
Die Form der Vertiefung hängt
von dem Muster der Druckfläche
des Stempels ab.
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Vorzugsweise
ist ein Querschnitt der ersten Vertiefung, der in einem Abstand
im Wesentlichen größer als
Nichts von der Druckfläche
liegt, mindestens im Wesentlichen deckungsgleich mit dem Querschnitt
in der Druckfläche.
Der zwischen einer Seitenwand und der Druckfläche gebildete Winkel ist so
im Wesentlichen für
jede Seitenwand an jedem Ort der Seitenwand der gleiche. Es gibt
keine Anisotropie in der Druckfläche:
die Stabilisierung der Öffnungen
in einer ersten Richtung ist die gleiche wie in jeder zweiten Richtung.
Die Druckfläche
kann dementsprechend ein Muster haben, in dem Linien und Öffnungen
gekrümmt
oder winklig sind, während
sie immer noch an allen Orten stabil sind und dieselben Abmessungen
haben können.
Ein solches Muster wird beispielsweise in einer strukturierten Schicht
einer integrierten Schaltung gewünscht.
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Im
Allgemeinen wird in dem Stempel zusätzlich zu der ersten Vertiefung
eine zweite Vertiefung vorhanden sein, wobei die zweite Vertiefung
eine Öffnung
in der Druckfläche
hat, enger wird, wenn der Abstand zu der Druckfläche zunimmt, und Querschnitte
parallel zu der Druckfläche
hat, die, wenn sie rechtwinklig auf die Druckfläche projiziert werden, innerhalb
der Öffnung
der Vertiefung liegen. Wenn die Vertiefungen aneinander angrenzen,
kann ein dazwischen liegender Teil des Stempelkörpers als ein erster Vorsprung
betrachtet werden. Die Oberfläche
eines parallel zur Druckfläche
gemachten Querschnitts durch diesen Vorsprung nimmt ab, wenn der
Abstand zu der Druckfläche
abnimmt. Der erste Vorsprung wird dadurch stabilisiert. Das Risiko
des Durchbiegens des Vorsprungs wird reduziert. Ein auf diese Weise
stabilisierter Vorsprung kann zusätzlich eine sehr kleine Oberfläche in der
Druckfläche
haben. Die Größe dieser
Oberfläche
wird durch den Abstand der Öffnung
der ersten Vertiefung und der Öffnung
der zweiten Vertiefung bestimmt. Es ist günstig, wenn dieser Abstand
kleiner als 1 μm
ist. Es ist sehr günstig,
wenn dieser Abstand kleiner als 0,5 μm ist. Das gilt, weil dieser
Abstand die Minimalabmessung in der strukturierten Schicht bestimmt.
Kleine, aber immer abnehmende Abmessungen werden besonders in integrierten
Schaltungen gewünscht,
wie allgemein bekannt.
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Es
kann sein, dass der erfindungsgemäße Stempel neben einer ersten,
einer zweiten oder einer dritten Vertiefung mehrere zusätzliche
Vertiefungen umfasst. Es ist für eine
Vertiefung möglich,
dass sie von einer ersten Kante zu einer zweiten Kante der Druckfläche durchgehend
ist.
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Der
Stempelkörper
wird vorzugsweise aus einem elastischen Material gefertigt. Ein
solches Material hat vorzugsweise einen Elastizitätsmodul
zwischen 103 und 106,
insbesondere zwischen 0,25·105 und 5·105 N/m2. Beispiele
für solche
Materialien sind unter anderem Poly(Dimethylsiloxan), das auch als PDMS
bekannt ist, Poly(Butadien), (Poly)Acrylamid, Poly(Butylstyren)
und Kopolymere dieser Materialien. Es ist erwünscht, die Eigenschaften der
elastischen Schicht zu optimieren, um so den gewünschten Grad an Flexibilität zu steuern.
Der Stempelkörper
kann alternativ ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul
umfassen, vorzugsweise über
106 N/m2. Es ist
in dieser Ausführungsform
günstig,
eine Schicht eines elastischen Materials in den Stempel einzubeziehen.
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Der
erfindungsgemäße Stempel
kann in einem Lithografieprozess verwendet werden, speziell in einem
Submikrometer-Lithografieprozess, in dem Muster verschiedener Formen
in einer zuverlässigen und
genauen Weise auf einem Substrat geschaffen werden. Beispiele von
Lithografieprozessen, in denen der erfindungsgemäße Stempel verwendet werden
kann, sind unter anderem Mikrokontaktdrucken, Mikroformung, Replikformung
und lösungsmittelunterstützte Mikroformung.
Der erfindungsgemäße Stempel
kann außerdem
in einem Lithografieprozess verwendet werden, in dem Licht durch
den Stempel geleitet wird. Solche Lithografieprozesse sind an sich bekannt.
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Die
zweite Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch
6 realisiert.
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Die
erste Vertiefung hat mindestens eine erste Seitenwand, die einen
Winkel ungleich 90° mit
der Matrizenoberfläche
bildet. Vorzugsweise ist der Winkel größer als 10° und kleiner als 80°. Insbesondere ist
der Winkel größer als
40° und
kleiner als 60°.
Dieser Winkel ist definiert als der Winkel zwischen einem ersten
Vektor n1, der senkrecht auf der Originaloberfläche steht und von der Matrize
weg zeigt, und einem zweiten Vektor n2, der senkrecht auf einer
Wand einer an die Originalfläche
angrenzenden Vertiefung steht und auch von der Matrize weg zeigt.
Vorzugsweise umfasst die Matrize nach der Strukturierung mehrere
zusätzliche
Vertiefungen zusätzlich
zu der ersten Vertiefung.
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Vorzugsweise
umfasst die Matrize hauptsächlich
Silicium und die erste für
das Ätzen
verwendete Oberfläche
ist die (100)-Oberfläche,
die kommerziell als eine Siliciumscheibe erhältlich ist. Vor dem Ätzen wird
beispielsweise eine Ätzmaske
direkt auf der Oberfläche
geschaffen. Der Ätzprozess
kann ein nass-chemischer Ätzprozess
sein. Die Technik des Trockenätzens,
unter anderem durch die Verwendung eines Plasmas, kann auch verwendet
werden. Die Ätzmaske
wird anschließend
entfernt, wenn es so gewünscht
wird.
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Der Ätzprozess
legt vorzugsweise die Kristallsymmetrieebenen in den Richtungen
(111), (1(-1)1), (1(-1)(-1)) und (11(-1)) frei. Diese Ebenen, hiernach
als die (111)-Ebenen
bezeichnet, bilden alle einen Winkel von näherungsweise 55° mit der (100)-Ebene.
Das Ergebnis ist, dass die gebildeten Vertiefungen Querschnitte
parallel zu der Originaloberfläche
haben, die mindestens im Wesentlichen deckungsgleich mit den Öffnungen
in der Originaloberfläche
sind. Wenn der Ätzprozess
nicht aktiv gestoppt wird, endet er von sich aus. Dieser automatische
Stopp geschieht, wenn die Oberfläche
des Bodens einer Vertiefung herunter auf eine Linie oder einen Punkt
reduziert ist. Die Ätzmaske
kann nach dem Ätzen
entfernt werden. Das Ergebnis ist, dass die Oberfläche der
Matrize strukturiert ist. Die Matrizenoberfläche, die vor dem Ätzen plan
war, ist zu einer Oberfläche
mit Variationen in drei Dimensionen geworden. Diese strukturierte
Matrizenoberfläche
wird anschließend
in einen ersten Körper
repliziert.
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Es
ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass es genau
ist und stabile Stempel produziert. Verglichen mit dem Schaffen
von Vertiefungen mithilfe von Laserabschmelzung ist das Verfahren
zudem nicht sehr arbeitsintensiv.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Replik von der strukturierten Oberfläche des ersten Körpers in
einen zweiten Körper
mit einer strukturierten Oberfläche
gemacht. Der erste Körper
in dieser Ausführungsform
ist eine Zwischenreplik. Die Oberfläche der Matrize kann nicht
direkt auf die Oberfläche
des Stempelkörpers
repliziert werden, wenn beide Oberflächen ihre gegenseitigen Positivkopien
sind. Ein erster Vorteil, Positivkopien zu sein, ist aber, dass
die einfache Technik anisotropen Ätzens zur Herstellung von Stempelkörpern, die
mit Vertiefungen unterschiedlicher Tiefen versehen sind, verwendet
werden kann. Es ist ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Zwischenreplik
ist, dass die Matrize nicht so oft verwendet werden muss, sodass sie
kaum Objekt von Verschleiß ist.
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Um
den ersten Körper
von der Matrize und den zweiten Körper von dem ersten Körper zu
entfernen, ist es besser, ein Entformungsmittel auf der Oberfläche der
Matrize des ersten Körpers
zu verwenden, wenn anwendbar. Das Entformungsmittel ist beispielsweise
ein Fluorsilan. Es ist vorzuziehen, dass das Entformungsmittel mithilfe
von Vakuumdeposition aufgebracht wird.
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Eine
Beschichtungstechnik kann verwendet werden, um auf die Matrize oder
auf den ersten Körper
Material aufzubringen. Beispiel von Beschichtungstechniken sind
Schleuderbeschichtung (spin coating) und Walzenbeschichtung (web
coating). Ein erster Vorteil davon ist, dass eine große Oberfläche beschichtet
werden kann. Es ist dann möglich,
eine große
Anzahl von Stempeln in einem Arbeitsvorgang herzustellen. Ein zweiter
Vorteil ist, dass eine zweite Oberfläche, die von der Druckfläche weg
gerichtet ist, gut planarisiert wird. Dies macht es möglich, diese zweite
Oberfläche,
die normalerweise im Wesentlichen parallel zu der Druckfläche liegt,
an einen Aussteifungskörper
jeglicher Form, wie z.B. einen zylindrischen Aussteifungskörper, zu
befestigen. Das Material wird nach seiner Aufbringung ausgehärtet, woraufhin
die Replik von der Matrize oder dem ersten Körper entfernt wird.
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Es
ist alternativ möglich,
eine Injektionsformungstechnik zu verwenden, um Material auf die
Matrize oder den ersten Körper
aufzubringen. Ein Vorteil dieser Technik ist unter anderem, dass
die Oberfläche,
die von der Druckfläche
weg gerichtet ist, an einen Aussteifungskörper jeglicher Form, wie z.B.
ein Metallband, geklebt werden kann. Ein solches Metallband mit
dem an ihm befestigten Stempelkörper
kann beispielsweise um eine zylindrische Druckwalze gespannt werden.
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Die
dritte Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung
einer elektronischen Komponente mit dem Schritt, eine strukturierte Schicht
der eingangs beschriebenen Art aufzubringen, in dem ein Stempel
nach Anspruch 1 verwendet wird, gelöst. Dies führt zu einer größeren Genauigkeit.
Eine geforderte Genauigkeit in dem Ergebnis bedeutet wirklich, dass
kleine oder keine Abweichung in allen Schritten, die zu dem Ergebnis
führen, auftreten
sollten. Dieses erfindungsgemäße Verfahren
ist in mindestens drei Schritten weniger empfindlich gegenüber Abweichungen.
Erstens ist der Stempelkörper
robuster. Durchbiegen des Bodens einer Vertiefung oder Durchbiegen
eines Vorsprungs wird effektiv in dem Stempel gemäß Anspruch
1 entgegengewirkt. Zweitens wurde die Fläche der Matrizenoberfläche reduziert,
was das Risiko von Abweichungen in der Replikation der Matrizenoberfläche auf
die Oberfläche
des Stempelkörpers
reduziert. Drittens ist das erfindungsgemäße Verfahren weniger empfindlich
für Variationen
in der Ausübung
einer Kraft während
der Übertragung
eines ersten Materials von der Druckfläche auf das Substrat. Diese
Empfindlichkeit bezieht sich insbesondere auf den Arbeitsschritt,
die Druckfläche
des Stempels in Kontakt mit der Substratoberfläche zu bringen, während dem eine
Kraft ausgeübt
wird. In Experimenten wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfah ren
eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber Variationen in der angewendeten
Kraft hat, sowohl was den Wert der Kraft angeht als auch was die
Streuung des Wertes der Kraft über
die Kontaktfläche
zwischen dem Stempel und dem Substrat angeht.
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Ein
erster Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass die höhere
Genauigkeit, mit der eine strukturierte Schicht auf einem Substrat
geschaffen wird, zu einer höheren
Ausbeute führt.
Es gibt tatsächlich
weniger Schichten, die aufgrund eines Defekts oder Abweichungen
außerhalb
der Toleranzen zurückgewiesen
werden müssen.
Ein zweiter Vorteil ist, dass das Muster der strukturierten Schicht Details
in einem Sub-Mikrometer-Maßstab enthalten kann.
Ein dritter Vorteil ist, dass das Muster Details in variierenden
Abmessungen enthalten kann.
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Diese
Vorteile sind wichtig für
die Herstellung von strukturierten Schichten innerhalb elektronischer Komponenten
wie Displays, Lampen, Netzwerke passiver Komponenten, zur Datenspeicherung
verwendete Platten und integrierte Schaltungen. Als ein Beispiel
integrierte Schaltung: die höhere
Ausbeute ist wichtig, weil eine große Anzahl strukturierter Schichten
für eine
integrierte Schaltung geschaffen werden muss. Die Details im Sub-Mikrometer-Maßstab sind
für eine
integrierte Schaltung wichtig, weil die Geschwindigkeit der Schaltung
teilweise durch die Größe der Details,
die einen Kanal in einem Transistor definieren, bestimmt wird. Der
Größenunterschied
zwischen den Details innerhalb eines Musters ist wichtig, weil integrierte
Schaltungen oft strukturierte Schichten mit komplexen Details umfassen,
wobei die Details unterschiedliche Funktionen haben.
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Das
erste Material, was auf die Druckfläche des Stempels aufgebracht
wird, entweder auf der Oberfläche
oder in den Vertiefungen, ist normalerweise eine Lösung oder
Aufschlämmung
einer gewünschten
Komponente in einem Lösungs-
oder Dispergierungsmittel. Ein Alkohol wie z.B. Äthanol ist ein oft verwendetes
Lösungsmittel.
Das Muster, was auf dem Substrat mithilfe des Stempels geschaffen
wird, kann eine Schichtdicke von einigen Nanometern haben. Ein Beispiel
einer Schicht mit einer solchen Schichtdicke ist eine Schicht eines
linearen Thiolalkohols, die als eine selbst-aufgebaute Monoschicht auf
einem passenden Substrat wie z.B. Substrat an der Oberfläche, das
hauptsächlich
Gold umfasst, vorhanden ist. Größere Schichtdicken
sind aber keineswegs ausgeschlossen.
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Eine
große
Vielfalt von anorganischen, organischen und polymeren Materialien
kann als das erste Material verwendet werden. Eine Bedingung ist hier
aber, dass das Dispersions- oder Lösungsmittel, in dem sich das
erste Material während
seiner Aufbringung auf die Druckfläche befindet, nicht verursacht,
dass das Material des Stempelkörpers quillt. Beispiele
erster Materialien sind unter anderem Beschichtungen in Lampen,
elektrisch isolierende, halbleitende und leitende Materialien in
passiven Komponenten, Netzwerken passiver Komponenten und Halbleiteranordnungen
und Masken zum Strukturieren des Substrats durch optische, chemische
oder elektromagnetische Mittel.
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Es
ist günstig,
wenn das erste Material ein elektrisch leitendes oder halbleitendes
organisches Material ist. Die Leitung solcher Materialien kann durch
Verwendung von Dotierstoffen verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer strukturierten Schicht macht es möglich, auf
eine leichte Art auf einem Substrat strukturiert dotierte, elektrisch
leitende organische Materialien und undotierte, elektrisch halbleitende
organische Materialien zu schaffen. Beispiele solcher organischer
Materialien sind unter anderem Pentacen, Polythienylen-Vinylen,
Polyfuranylen-Vinylen, Polyphenylen-Vinylen, Polythiophen, Polyanilin, Polypyrrol,
Polyacetylen und substituierte Varianten dieser Materialien. Substituenten
sind unter anderem Alkoxy-, Alkyl- und Alkylendioxi-Gruppen mit vorzugsweise
1 bis 10 Kohlenstoffatomen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
nimmt das erste Material an einer Reaktion teil, die an der Oberfläche des
Substrats stattfindet. Der Term Reaktion bezieht sich hier auf chemische
Reaktionen, Ätzen
oder zersetzende Reaktionen wie auch Oberflächenveränderungen durch physikalische
Prozesse wie z.B. Diffusion. Das erste Material kann sich in dem
Fall an der Druckfläche,
aber auch in den Vertiefungen befinden. Die Stabilisierung von Vorsprüngen an
der Druckfläche
des Stempels ist für
diese Ausführungsform
sehr vorteilhaft: die Vorsprünge
sind hoch widerstandsfähig
gegen die vergleichsweise hohen Kräfte, die durch die Flüssigkeit
in den Vertiefungen ausgeübt
werden.
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Diese
und andere Aspekte des erfindungsgemäßen Stempels und der erfindungsgemäßen Verfahren
wird im Folgenden mit Bezug auf Ausführungsformen und die Zeichnung
detaillierter erklärt. In
dieser zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des Stempels;
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2 eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform
einer Anzahl von Schritten des Verfahrens zum Herstellen eines Stempels;
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens
nach dem Stand der Technik zum Herstellen eines Stempels; und
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4 eine
Draufsicht eines Musters, das mit dem Verfahren zur Herstellung
einer strukturierten Schicht hergestellt werden kann.
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1 zeigt
einen senkrecht zu einer Druckfläche 3 gemachten
Querschnitt eines ersten erfindungsgemäßen Stempels 10. Der
erste Stempel 10 umfasst eine Trägerstruktur 1 und
einen Stempelkörper 5,
der mit einer Oberfläche 4 versehen
ist, von der ein Teil in der Druckfläche 3 vorhanden ist.
Eine erste Vertiefung 11, eine zweite Vertiefung 12 und eine
dritte Vertiefung 13 sind in dem Stempelkörper 5 geschaffen,
wobei die Vertiefungen ihre Öffnungen 15, 16 und 17 in
der Druckfläche 3 haben.
Ein erster Vorsprung 14 mit einer Oberfläche 19 in
der Druckfläche 3 befindet
sich zwischen der ersten und der zweiten Vertiefung 11, 12.
Der Vorsprung 14 wird dadurch stabilisiert, dass er mit
einem zunehmenden Abstand von der Druckfläche 3 breiter wird.
Die erste Öffnung 15 und
die dritte Öffnung 17 in
der Druckfläche
haben unterschiedliche Größen. In
der dritten Öffnung 17 in der
Druckfläche
aber passiert kein Durchbiegen, weil der Boden 18 der Vertiefung 13 eine
kleine Oberfläche
hat.
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2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines ersten Stempels 10 in sieben Schritten. 2a zeigt
das Ergebnis des ersten Schrittes, in dem eine Ätzmaske 26 auf eine Oberfläche 27 einer
Schicht 25 aufgebracht wird. Anschließend findet Ätzen statt,
mit dem Ergebnis, dass Vertiefungen 21, 22 und 23 und
ein Vorsprung 24 erzeugt werden. Diese sind in 2b dargestellt.
Vertiefung 21 hat eine Öffnung 41 in
der Originaloberfläche 27.
Die Vertiefung 21 wird – wie die Vertiefungen 22 und 23 – enger,
wenn ihr Abstand zu der Originaloberfläche 27 zunimmt und
hat Querschnitte parallel zu dieser Originaloberfläche 27,
die, wenn sie senkrecht auf die Originaloberfläche 27 projiziert
werden, innerhalb der Öffnung 41 liegen.
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Die Ätzmaske 26 wird
dann entfernt. Die Matrize 20 mit einer Matrizenoberfläche 29 ist
das Ergebnis, wie in 2c gezeigt. Eine Schicht 105 wird auf
die Matrize 20 aufgebracht, wobei in dieser Schicht die
Matrizenoberfläche 29 repliziert
wird. Dies wird in 2d gezeigt. Dann wird die Matrize 20 von
der Schicht 105 entfernt. Der erste Körper 110, in 2e gezeigt,
ist nun fertig und ist mit einer Oberfläche 104 versehen,
die das Negativ der Matrizenoberfläche 29 ist. Eine Schicht 5,
in der die Oberfläche 104 repliziert
wird, wird nun auf den ersten Körper 110 aufgebracht.
Dies wird in 2f gezeigt. Dann wird der erste
Körper 110 von
der Schicht 5 entfernt. Der Stempelkörper 5, in 2g gezeigt,
des Stempels 10 ist nun fertig und hat eine Oberfläche 4.
Diese Oberfläche 4 liegt
teilweise in der Druckfläche 3.
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3 zeigt ein in
US 5.900.100 gezeigtes Verfahren nach
dem Stand der Technik zum Herstellen eines zweiten Stempels
110 in
fünf Schritten.
3a zeigt
das Ergebnis des ersten Schritts, in dem eine Ätzmaske
26 auf eine
Oberfläche
27 einer Schicht
25 aufgebracht
wird. Anschließend
findet Ätzen
statt, mit dem Ergebnis, dass Vertiefungen
21,
22 und
23 mit
entsprechenden Böden
31,
32 und
33 und Vorsprüngen
24,
28 erzeugt
werden. Das Ätzen
wird bei Erreichen der Tiefe D gestoppt. Dies ist in
3b dargestellt.
Die Vertiefung
21 hat eine Öffnung
41 in der Originaloberfläche
27.
Die Vertiefung
21 wird – wie die Vertiefungen
22 und
23 – enger,
wenn ihr Abstand zu der Originaloberfläche
27 zunimmt und
hat Querschnitte parallel zu dieser Originaloberfläche
27, die,
wenn sie senkrecht auf die Originaloberfläche
27 projiziert
werden, innerhalb der Öffnung
41 liegen.
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Die Ätzmaske 26 wird
anschließend
entfernt. Die Matrize 20 mit einer Matrizenoberfläche 29 ist das
Ergebnis, wie in 3c gezeigt. Eine Schicht 105,
in welche die Matrizenoberfläche 29 repliziert wird,
wird über
die Matrize 20 aufgebracht. Dies ist in 3d gezeigt.
Dann wird die Matrize 20 von der Schicht 105 entfernt.
Dabei wurde die Matrizenoberfläche 29 in
der Oberfläche 104 des
Stempelkörpers 105 repliziert.
Der in 3e gezeigte zweite Stempel 110 ist
nun fertig, versehen mit einer Druckfläche 103, die ein Negativ
der Böden 31, 32 und 33 der
Matrize 20 ist. Die Druckfläche 103 umfasst die
Oberflächen
der Vorsprünge 111, 112 und 113.
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Ausführungsform 1
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Herstellung der Matrize
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Eine
Scheibe aus (100)-Si mit einem Durchmesser von 4 Zoll wird mit einer
Schicht Si3N4 beschichtet.
Diese Schicht wird in einem LPCVD-Prozess mithilfe SiH2Cl2 und NH3 in der
Gasphase bei einer Temperatur von näherungsweise 800°C deponiert.
Mithilfe von Sprühbeschichtung
wird eine dünne
Schicht von positivem Fotolack auf diese Scheibe aufgebracht. Nach
UV-Bestrahlung durch eine Maske und einem Entwicklungsschritt erhält man auf
der Scheibe ein Fotolackmuster. Das ungeschützte Si3N4 wird dann in Plasma von CHF3 und
O2 geätzt,
währenddessen
die Temperatur unter 100°C
bleibt (Ätzrate
1,25 nm/s). Der Fotolack wird in einem Sauerstoffplasma entfernt.
Dann wird das natürliche
Oxid entfernt, indem die Scheibe in eine wässrige HF-Lösung getaucht wird. Das ungeschützte Si
wird für
20 Minuten anisotrop in einer KOH-H2O-Lösung, die
mit 2- Propanol angereichert
ist, bei einer Temperatur von näherungsweise
70°C auf
eine Tiefe von 13 μm
oder etwas mehr geätzt.
Dann wird die Scheibe für
30 Minuten in eine wässrige
HCl-Lösung
getaucht. Das natürliche
SiO2 wird von dem Si3N4 entfernt, indem die Scheibe für eine kurze
Zeit in eine schwache, wässrige
HF-Lösung
eintaucht wird. Das Si3N4 wird
nun entfernt, indem die Scheibe für eineinhalb bis zwei Stunden
bei einer Temperatur zwischen 125 und 150°C in konzentrierte H3PO4 eingetaucht
wird.
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Nach
einem Spülen
wird die Si-Scheibe für 15 – 30 Minuten
in einem UV/Ozon-Reaktor behandelt. Die Scheibe wird zusammen mit
näherungsweise
0,5 ml (Heptadecafluoro-1,1,2,2-tretrahydrodecyl)Trichlorsilan in
einen Vakuumexsikkator eingebracht. Der Exsikkator wird herunter
auf einen Druck von näherungsweise
0,4 mbar evakuiert. Nach 30 Minuten wird der Exsikkator belüftet und
die Scheibe wird für
eine Stunde in einen vorgeheizten Ofen getan.
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Anfertigen einer Replik
der Matrizenoberfläche
in einem ersten Körper
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Das
Negativ der Mutter wird aus Sylgard 184-Silikonkautschuk (Dow Corning)
angefertigt. 30 g von Sylgard 184-„Basis" und 3 g von Sylgard 184-„Härtungsmittel" werden durch Rühren in
einem Polystyrol-Wegwerfbehälter
sorgfältig
gemischt. Jegliche als Ergebnis davon eingeschlossene Luftblasen werden
durch Entlüften
bei einem niedrigen Druck (≈ 0,5
mbar) während
näherungsweise
einer halben Stunde entfernt. Die blanke Si-Scheibe wird in eine geschlossene Plexiglasgussform
mit einer Injektionsöffnung
eingebracht. Diese Polymerisationsgussform wird in eine Vakuumhaube
eingebracht und herunter auf ~ 0,5 mbar evakuiert. Ein Trichter
wird in dem Vakuum mit der Sylgard 184-Mischung gefüllt und mit der Polymerisationsgussform
verbunden. Belüftung der
Haube bewirkt, dass die Sylgard 184-Mischung in die Plexiglasgussform
gesaugt wird. Die Plexiglasgussform wird für 16 – 20 Stunden bei 65°C in einen vorgeheizten
Ofen getan. Dann wird die Plexiglasgussform geöffnet und der erste Körper aus
der Plexiglasgussform herausgenommen.
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Herstellung des Stempels
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Nachdem
der erste Körper
durch Deposition von (Heptadecafluoro-1,1,2,2-tretrahydrodecyl)Trichlorsilan in einem
Vakuumexsikkator beschichtet worden ist, wird das Silikon-Negativ
in eine geschlossene Plexiglasgussform eingebracht. Diese wird in eine
Vakuumhaube eingebracht und herunter auf ~ 0,5 mbar evakuiert. Ein
Trichter wird in dem Vakuum mit frisch angefertigter und entlüfteter Sylgard 184-Mischung
gefüllt
und mit der Polymerisationsgussform verbunden. Belüftung des
Systems bewirkt, dass die Sylgard 184-Mischung in die Polymerisationsgussform
gesaugt wird. Die Plexiglasgussform wird für 16 – 20 Stunden bei 65°C in einen
vorgeheizten Ofen getan. Dann wird die Plexiglasgussform geöffnet und
die gesamte Baueinheit aus dem ersten Körper und dem Stempelkörper daraus
herausgenommen. Anschließend
wird der Stempelkörper
von dem ersten Körper
entfernt. Die der Druckfläche
abgewandte Seite des Stempelkörpers
wird an einer Trägeranordnung,
wie z.B. einer Glasschicht befestigt. Der mit seiner Trägeranordnung
versehene Stempel kann in einem Lithografieprozess verwendet werden,
beispielsweise zum Mikrokontaktdrucken.
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Ausführungsform 2
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Eine
erste Schicht aus näherungsweise
5 nm Titan und anschließend
eine Schicht von näherungsweise
20 nm Gold werden auf ein Siliciumsubstrat aufgebracht. Das Substrat
ist also an einer ersten Seite mit einer Schichtenoberfläche versehen.
Ein auf die in Ausführungsform
1 beschriebenen Weise hergestellter und mit einer Druckfläche versehener Stempel
wird mit seiner Druckseite in Kontakt mit einer 10–3 Mol/1-Lösung von
Octadecylthiol in Äthanol gebracht.
Anschließend
wird der Stempel mit einer Stickstoffströmung behandelt. Dann wird die
Druckfläche
in Kontakt mit der Oberfläche
des Substrats gebracht und nach einiger Zeit davon entfernt. Das Substrat
wird anschließend
für 5 bis
10 Minuten in eine 1 Mol/1-KOH-Lösung,
der etwas K2S2O3, K3Fe(CN)6 und K4Fe(CN)6 hinzugefügt wurde, eingetaucht. Dann
wird das Substrat mit Wasser gespült und getrocknet. So wurde
die Goldschicht auf dem Substrat entsprechend einem Muster, das
dem Muster auf der Druckfläche
des Stempels entspricht, strukturiert. So wurde das Muster, von
dem eine Draufsicht in 4 gezeigt wird, erzeugt.