WO2005038525A1 - Stempelvorrichtung für softlithografie und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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WO2005038525A1
WO2005038525A1 PCT/EP2004/010082 EP2004010082W WO2005038525A1 WO 2005038525 A1 WO2005038525 A1 WO 2005038525A1 EP 2004010082 W EP2004010082 W EP 2004010082W WO 2005038525 A1 WO2005038525 A1 WO 2005038525A1
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Maik Liebau
Eugen Unger
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Infineon Technologies Ag
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Definitions

  • the present invention relates generally to soft lithographic techniques based on physical contact of a reactant with a substrate.
  • the present invention relates to a structured, resilient stamping apparatus for providing physical contact of the reactant with the substrate.
  • the invention relates to a stamping device for performing soft lithographic processes comprising a
  • a base body made of a polymer material and comprising at least one structured stamping surface of the base body having a predeterminable surface relief, wherein the stamping surface is structured by means of an impression of a master element having a predetermined primary surface relief.
  • Soft lithographic methods are limited in terms of structure sizes, inter alia because of the deformability of the stamp device. Among other things, this is because such a stamp is exposed to high mechanical loads. On the one hand, the material used must have a high elasticity, i. On the other hand, it is necessary that a deformation of the given surface relief is avoided.
  • lithography To suppress deformations of conventional stamping devices in a soft lithographic process, lithography must adhere to "ideal" aspect ratios, ie, aspect ratios in the range of 0.9 to 1.1. Disadvantageously, such limitations introduce the interpretation of aspect ratios that conventional soft lithographic processes using conventional small-sized stamper devices, ie, structures having a feature width of less than 1 ⁇ m (microns) can not be used with sufficient reproducibility.
  • stamp devices made of a polymer material with a high degree of crosslinking and / or incorporated silicate particles.
  • the publication "H. Schmid, B. Michel, Macromolecules 2000, 33, 3042-3049” describes such polymers with a higher degree of crosslinking than conventional polymers. In this case, structures in the range of about 100 nm (nanometers) can be produced.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • siloxanes and their embodiment as base bodies for stamping devices are known to the person skilled in the art, as for example in the publication "A. Star, JF Stoddart, D. Steuermann, M. Diehl, A. Boukai, EW Wong, X. Yang, S. W. Chung, H. Choi, JR Heath, Angew Chem .. Int., Ed., 2001, 40, 1721-1725.
  • An essential idea of the invention is to provide for the base body of the stamping device a polymer material in which nanoele duck are introduced.
  • Nanocouples such as nanotubes or carbon nanotubes have a high mechanical strength as a major advantage in the above task.
  • a further advantage of introducing nano-elements into the polymer material forming the base body of the stamp device is that a higher elasticity of the base body material can be achieved in comparison to known, more highly crosslinked polymer materials. This advantageously leads to an avoidance of fractures, cracks, structural defects, etc., since a brittleness of the material can be avoided.
  • the present invention has the advantage that with the stamping device according to the invention structures in the nanometer range can be produced by means of soft lithographic processes. Since a high elasticity of the stamping device can be provided by the incorporation of, for example, carbon nanotubes (CNT, carbon nanotube) in the polymer material of the base body, a high durability of the stamp device is achieved. Even with a multiple use of the stamp device in soft lithographic processes, no changes in the interface properties of the stamp material result in an expedient manner.
  • CNT carbon nanotubes
  • the stamping device according to the invention for soft lithography essentially comprises:
  • a base body made of a polymer material
  • the method according to the invention for producing a stamping device for soft lithography essentially has the following steps:
  • Primary surface relief of the master element is structured; and d) peeling the cured polymer material from the master element to obtain a base body of the stamp device having the stamp surface of the stamp device structured according to the predetermined primary surface relief of the master element, the polymer material of the base body containing nanoelements.
  • the nanoelements are provided as nanotubes and / or as nanowires.
  • the nanotubes are carbon-based, i. such that the nano-elements are provided as carbon nanotubes (CNT).
  • the polymer material, from which the base body of the stamp device is formed comprises siloxanes.
  • the polymer material has such an elasticity that it can be peeled off from the master element, which has a predetermined primary surface relief, the surface relief of the structured stamp surface of the base body being a negative impression of the predetermined one Primary surface relief of the master element is provided.
  • the nano-elements are formed as silicon, germanium, boron nitride, gallium nitride and / or cadmium sulfide nanowires.
  • the proportion of nano-elements contained in the polymer material of the base body of the stamp device is between 0.001 and 0.00001% by weight.
  • the master element is made of a silicon material.
  • the predetermined primary surface relief of the master element has an aspect ratio in a range between 5 and 0.5.
  • curing of the polymer material, in which a stamp surface of the stamp device is structured in accordance with the predetermined primary surface relief of the master element is carried out by means of bakeout of the polymer material.
  • the annealing of the polymer material is carried out at a temperature of 120 ° C for a period of 12 hours.
  • the fluid containing a polymer material for the base body of the stamp device is provided by dispersing the nano-elements in a solvent to obtain a dispersion solution and mixing the resulting dispersion solution with a siloxane solution.
  • the resulting dispersion solution is carried out with the Siloxanlosung at room temperature.
  • the solvent in which the nano-elements are dispersed is provided from dichloromethane.
  • the fluid is shaken before curing of the polymer material.
  • the fluid is shaken at room temperature for a period of 60 minutes prior to curing the polymer material.
  • FIG. 1 shows the process steps (a), (b) and (c) for producing a stamp device according to the invention
  • FIG 3 shows two process steps (f) and (g) for structuring a substrate coated with a substrate coating in accordance with a predetermined surface relief of the stamp surface.
  • Fig. 1 (a) shows a master element 105 having a predetermined primary surface relief 107.
  • the primary surface relief 107 of the master element 105 is set such that a surface relief 103 of a structured stamp surface 104 (described below with reference to FIG. 1 (c)) is provided as a negative impression from the predetermined primary surface relief 107 of the master element 105 ,
  • the primary surface relief 107 of the master element 105 is covered with a fluid containing a polymer material 106.
  • nano-elements 102 are introduced into the fluid containing a polymer material 106.
  • polydimethylsiloxane As a preferable polymer material, polydimethylsiloxane (PDMS) is used in the embodiment of the present invention.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the mechanical properties of the polymer material can now be significantly changed such that a resulting base body 101 (see FIG. 1 (c)) of the stamping device has a high strength. In this way, structures in the nanometer range can advantageously be produced by soft lithography.
  • FIG. 1 (c) shows the predetermined surface relief 103 of the structured stamp surface 104 of the base body 101, which represents a negative impression of the predetermined primary surface relief 107 of the master element 105.
  • the polymer material 106 contains nanoelements 102 such that the prepared base body 101, which forms an integral part of the stamp device 100 together with the stamp surface 104, also contains nano-elements 102. This advantageously leads to a high strength, since nano-elements and in particular carbon nanotubes have a high strength.
  • Figures 2 (d) and 2 (e) show schematically the use of the stamping device according to the invention in a soft lithographic process.
  • the surface relief 103 of the base body 101 containing the nano-elements 102 is wetted with ink, for example, as shown in Fig. 2 (d).
  • the wetted stamp is pressed on a substrate 201 provided with a substrate coating 202 in the direction indicated by the arrows of Fig. 2 (e).
  • the substrate coating 202 preferably consists of a gold material, which transmits a monolayer 204 of the stamp wetting 203 from the stamp device 100 to the substrate coating 202 of the substrate 201.
  • a stamp wetting 203 at the raised portions of the surface relief 103 of the structured stamp surface 104 of the base body 101, there is a stamp wetting 203, such a pattern being transferred to the surface of the substrate coating 202 as a monolayer 204 as illustrated in Fig. 3 (f).
  • stamp device 100 Due to the high strength of the stamp device 100 according to the invention, it is advantageously possible to produce substrate structures 205 in the nanometer range by means of soft lithographic processes. Since a high elasticity of the stamp device 100 is maintained, the stamp is not destroyed even in a multiple use nor are interface properties of the stamp material changed. This results in a good reusability of the stamp device, which leads to a considerable cost reduction of soft lithographic processes.
  • a polymeric material 106 is used, preferably provided as a polydimethylsiloxane (PDMS), such as Sylgard 184 from Dow Corning.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the cured polymer material 106 is peeled off from the master element 105 in order to separate the base body 101 of the stamp device 100.
  • the curing of the polymer material is carried out by means of a bake.
  • the annealing of the polymeric material 106 is performed at a temperature of 120 ° C for a period of 12 hours.
  • nano-elements 102 provided, for example, of carbon nanotubes (CNT) are dispersed in a solvent such that a dispersion solution is obtained. Subsequently, the resulting dispersion solution is mixed with a Siloxanlosung.
  • CNT carbon nanotubes
  • the mixing of the resulting dispersion solution with the siloxane solution is carried out at room temperature.
  • the fluid is shaken to achieve a uniform distribution of the nano-elements 102 in the polymer material. After curing of the polymer material 106 containing the nano-elements 102, an elastic base body 101 of the stamp device 100 having sufficient mechanical strength is obtained.
  • the proportion of the nano-elements 102 in the polymer material can be varied by a variation of the nano-elements 102 in the fluid.
  • the proportion of the nano-elements 102 in the polymer material can be varied by a variation of the nano-elements 102 in the fluid.
  • the proportion of nano-elements is varied between 0.001 and 0.00001 wt .-% based on the polymer material 106.
  • the surface relief 103 of the structured stamp surface 104 of the base body 101 results as an exact negative impression of the predetermined primary surface relief 107 of the master element 105.
  • dichloromethane is preferably used as a solvent to obtain a dispersion solution which in the further, above-described process step is then mixed with the Siloxanlosung.
  • the substrate can be coated (gold), but for example only consist of silicon.
  • gold for example only consist of silicon.
  • silicon here would be a natural oxide layer suffice to create a structuring by means of soft lithographic processes.

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Stempelvorrichtung (100) für softlithografische Prozesse, die einen Basiskörper (101), der aus einem Polymermaterial (106) ausgeführt ist, und mindestens eine strukturierte Stempeloberfläche (104) des Basiskörpers (101) umfasst, die ein vorgebbares Oberflächenrelief (103) aufweist, wobei die Stempeloberfläche (104) mittels eines Abdrucks von einem Masterelement (105), das ein vorgegebenes Primär-Oberflächenrelief (107) aufweist, strukturiert ist, wobei das Polymermaterial (106) des Basiskörpers (101) Nanoelemente (102) enthält.

Description

Beschreibung
Stempelvorrichtung für Softlithografie und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein softlithografi- sche Techniken, welche auf einem physikalischen Kontakt eines Reaktanden mit einem Substrat beruhen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine strukturierte, elastische Stempelvorrichtung zur Herstellung des physikalischen Kontakts des Reaktanden mit dem Substrat.
Spezifischer betrifft die Erfindung eine Stempelvorrichtung zur Durchführung softlithografischer Prozesse, die einen
Basiskörper, der aus einem Polymermaterial ausgeführt ist, und mindestens eine strukturierte Stempeloberfläche des Basiskörpers umfasst, die ein vorgebbares Oberflachenrelief aufweist, wobei die Stempeloberfläche mittels eines Abdrucks von einem Masterelement, das ein vorgegebenes Primär- Oberflächenrelief aufweist, strukturiert ist.
Softlithografische Verfahren sind hinsichtlich der Strukturgrößen unter anderem wegen der Deformierbarkeit der Stempel- Vorrichtung nur eingeschränkt einsetzbar. Dies liegt unter anderem darin, dass ein derartiger Stempel hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Einerseits muss das verwendete Material eine hohe Elastizität aufweisen, d.h. "soft" sein, um einen ausreichend guten Kontakt mit dem Substrat zu ermög- liehen, andererseits ist es erforderlich, dass eine Deformation des vorgegebenen Oberflächenreliefs vermieden wird.
Zur Unterdrückung von Deformationen herkömmlicher Stempelvorrichtungen bei einem softlithografischen Prozess müssen bei der Lithografie "ideale" Aspektverhältnisse, d.h. Aspektverhältnisse in dem Bereich von 0,9 bis 1,1 eingehalten werden. In nachteiliger Weise führen derartige Einschränkungen bei der Auslegung der Aspektverhältnisse dazu, dass herkömmliche softlithografische Prozesse unter Verwendung herkömmlicher Stempelvorrichtungen für kleine Strukturen, d.h. Strukturen mit einer Strukturbreite von weniger als 1 μm (Mikrometer) nicht mit einer hinreichenden Reproduktionsgenauigkeit eingesetzt werden können.
Zur Lösung dieser Probleme ist vorgeschlagen worden, Stempelvorrichtungen aus einem Polymermaterial mit einem hohen Ver- netzungsgrad und/oder eingebrachten Silikatpartikeln einzusetzen. In der Publikation "H. Schmid, B. Michel, Macromole- cules 2000, 33, 3042-3049" sind derartige Polymere mit einem höheren Vernetzungsgrad als herkömmliche Polymere beschrieben. Hierbei können Strukturen im Bereich von ca. 100 nm (Nanometer) hergestellt werden.
Ein Nachteil eines derartigen Einsatzes von Polymermaterialien mit einem höheren Vernetzungsgrad in Softlithografie- Prozessen nach dem Stand der Technik besteht jedoch darin, dass die größere Härte des Polymermaterials durch den erhöhten Vernetzungsgrad zu einer erhöhten Material-Sprödigkeit führt. Eine derartige Sprödigkeit lässt es in unzweckmäßiger Weise zu, dass Risse, Strukturdefekte etc. auftreten oder dass die Stempelvorrichtung Risse und/oder Brüche aufweist.
In herkömmlicher Weise wird als das Polymermaterial, aus welchem der Basiskörper der Stempelvorrichtung ausgebildet wird, aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt. Derartige Siloxane und ihre Ausführung als Basiskörper für Stempelvor- richtungen sind dem Fachmann bekannt, wie beispielsweise in der Publikation "A. Star, J. F. Stoddart, D. Steuermann, M. Diehl, A. Boukai, E.W. Wong, X. Yang, S.-W. Chung, H. Choi, J. R. Heath, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1721-1725" beschrieben.
Somit ist eine ausreichende Festigkeit des Basiskörpers und damit eine Herstellung von kleinen Strukturen nicht möglich. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stempelvorrichtung für Softlithografie zu schaffen, die einen Basiskörper mit einer größeren Festigkeit als Stempelvorrich- tungen nach dem Stand der Technik aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ferner wird die Aufgabe durch ein im Patentanspruch 11 angegebenes Verfahren gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, für den Basiskörper der Stempelvorrichtung ein Polymermaterial vorzusehen, in welches Nanoele ente eingebracht sind. Nanoelemente wie beispielsweise Nanoröhrchen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen weisen als einen Hauptvorteil betreffend die obige Aufgabenstellung eine hohe mechanische Festigkeit auf. Ein weiterer Vorteil eines Einbringens von Nanoelementen in das den Basiskörper der Stempelvorrichtung ausbildende Polymermaterial besteht darin, dass eine höhere Elastizität des Basiskörper- Materials im Vergleich zu bekannten, höher vernetzten Polymermaterialien erreicht werden kann. Dies führt in vorteil- hafter Weise zu einer Vermeidung von Brüchen, Rissen, Strukturdefekten etc., da eine Sprödigkeit des Materials vermieden werden kann.
Insbesondere weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, dass mit der erfindungsgemäßen Stempelvorrichtung Strukturen im Nanometerbereich mittels softlithografischer Prozesse erzeugt werden können. Da durch den Einbau von beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, Carbon Nano Tube) in das Polymermaterial des Basiskörpers eine hohe Elastizität der Stem- pelvorrichtung bereitgestellt werden kann, wird eine hohe Haltbarkeit der Stempelvorrichtung erreicht. Auch bei einem mehrfachen Einsatz der Stempelvorrichtung in softlithografischen Prozessen ergeben sich in zweckmäßiger Weise keine Veränderungen der Grenzflächeneigenschaften des Stempelmaterials .
Hierbei ist es vorteilhaft, dass eine Wiederverwendbarkeit der Stempelvorrichtung aufgrund einer erhöhten mechanischen Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Stempelvorrichtungen sichergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Stempelvorrichtung für Softlithografie weist im Wesentlichen auf:
a) einen Basiskörper, der aus einem Polymermaterial ausge- führt ist; und
b) mindestens eine strukturierte Stempeloberfläche des Basiskörpers, die ein vorgebbares Oberflachenrelief aufweist, wobei die Stempeloberfläche mittels eines Abdrucks von einem Masterelement, das ein vorgegebenes Polymer-Oberflächenrelief aufweist, strukturiert ist, wobei das Polymermaterial des Basiskörpers Nanoelemente enthält.
Ferner weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Stempelvorrichtung für Softlithografie im Wesentlichen die folgenden Schritte auf:
a) Bereitstellen eines Masterelements, das ein vorgegebenes Primär-Oberflächenrelief aufweist ;
b) Belegen des Primär-Oberflächenreliefs mit einem Fluid, das ein Polymermaterial enthält;
c) Aushärten des Polymermaterials, wobei eine Stempeloberflä- ehe der Stempelvorrichtung entsprechend dem vorgegebenen
Primär-Oberflächenrelief des Masterelements strukturiert wird; und d) Abschälen des ausgehärteten Polymermaterials von dem Masterelement, um einen Basiskörper der Stempelvorrichtung zu erhalten, der die Stempeloberfläche der Stempelvorrichtung entsprechend dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief des Masterelements strukturiert aufweist, wobei das Polymermaterial des Basiskörpers Nanoelemente enthält.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildun- gen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Nanoelemente als Nanoröhrchen und/oder als Nanodrähte bereitgestellt. Vorzugsweise sind die Nanoröhrchen auf Kohlenstoffbasis gebildet, d.h. derart, dass die Nanoelemente als Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, Carbon Nano Tube) bereitgestellt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Polymermaterial, aus welchem der Basiskörper der Stempelvorrichtung ausgebildet ist, Siloxane auf .
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Polymermaterial eine derartige Elastizität auf, dass es von dem Masterelement, das ein vorgegebenes Primär-Oberflächenrelief aufweist, abschälbar ist, wobei das Oberflachenrelief der strukturierten Stempelober- fläche des Basiskörpers als ein Negativabdruck von dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief des Masterelements bereitgestellt ist.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vor- liegenden Erfindung ist das Polymermaterial, welches die
Nanoelemente enthält, aus Polydimethylsiloxan (PDMS) bereitgestellt . Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Nanoelemente als Silizium-, Germanium-, Bornitrid-, Galliumnitrid- und/oder Cadmiumsul- fidnanodrahte ausgebildet.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung betragt der Anteil von Nanoelementen, die in dem Polymermaterial des Basiskorpers der Stempelvorrich- tung enthalten sind, zwischen 0,001 und 0 , 00001 Gew.-%.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Masterelement aus einem Siliziummaterial bereitgestellt.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das vorgegebene Primar- Oberflächenrelief des Masterelements ein Aspektverhaltnis in einem Bereich zwischen 5 und 0,5 auf.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Ausharten des Polymermaterials, bei dem eine Stempeloberflache der Stempelvorrichtung entsprechend dem vorgegebenen Primar-Oberflächenrelief des Mas- terelements strukturiert wird, mittels eines Ausheizens des Polymermaterials durchgeführt. Vorzugsweise wird das Ausheizen des Polymermaterials bei einer Temperatur von 120°C für eine Zeitdauer von 12 Stunden ausgeführt.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das Fluid, das ein Polymermaterial für den Basiskorper der Stempelvorrichtung enthalt, durch ein Dispergieren der Nanoelemente in einem Losungsmittel, um eine Dispersionslosung zu erhalten, und durch ein Mischen der erhaltenen Dispersionslosung mit einer Siloxanlosung bereitgestellt . Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die erhaltene Dispersionslosung mit der Siloxanlosung bei Raumtemperatur durchgeführt.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das Losungsmittel, in welchem die Nanoelemente dispergiert werden, aus Dichlormethan bereitgestellt.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird das Fluid vor einem Ausharten des Polymermaterials geschüttelt. Vorzugsweise wird das Fluid vor dem Ausharten des Polymermaterials bei Raumtemperatur für eine Zeitdauer von 60 Minuten geschüttelt.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert .
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Prozessschritte (a) , (b) und (c) zur Herstellung einer erfmdungsgemaßen Stempelvorrichtung;
Fig. 2 die Prozessschritte (d) und (e) , mit welchen eine softlithografische Strukturierung vorbereitet wird; und
Fig. 3 zwei Prozessschritte (f) und (g) zur Strukturierung eines mit einer Substratbeschichtung beschichteten Substrats gemäß einem vorgegebenen Oberflachenrelief der Stempeloberflache.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte. Fig. 1 (a) zeigt ein Masterelement 105, das ein vorgegebenes Primär-Oberflächenrelief 107 aufweist. Das Primär- Oberflächenrelief 107 des Masterelements 105 wird derart vorgegeben, dass ein Oberflachenrelief 103 einer strukturier- ten Stempeloberfläche 104 (untenstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 (c) beschrieben) als ein Negativabdruck von dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief 107 des Masterelements 105 bereitgestellt wird.
In dem in Fig. 1 (b) bezeigten Prozessschritt ist das Primär- Oberflächenrelief 107 des Masterelements 105 mit einem Fluid belegt, das ein Polymermaterial 106 enthält. Erfindungsgemäß sind Nanoelemente 102 in das Fluid, das ein Polymermaterial 106 enthält, eingebracht.
Als ein bevorzugtes Polymermaterial wird in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Polydimethylsiloxan (PDMS) eingesetzt. Durch den Einbau der Nanoelemente in der Form von vorzugsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen können nun die mechanischen Eigenschaften des Polymermaterials signifikant verändert werden, derart, dass ein entstehender Basiskörper 101 (siehe Fig. 1 (c)) der Stempelvorrichtung eine hohe Festigkeit aufweist. Auf diese Weise lassen sich vorteilhaft Strukturen im Nanometerbereich softlithografisch erzeugen. Nach einem Belegen des Primär-Oberflächenreliefs 107 des
Masterelements 105 mit dem Fluid, das das Polymermaterial 106 und die Nanoelemente 102 enthält, wird das Polymermaterial 106 ausgehärtet, wobei eine Stempeloberfläche 104 der Stempelvorrichtung 100 entsprechend dem vorgegebenen Primär- Oberflachenrelief 107 des Masterelements 105 strukturiert wird, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 (c) veranschaulicht.
Fig. 1 (c) zeigt das vorgegebene Oberflachenrelief 103 der strukturierten Stempeloberfläche 104 des Basiskörpers 101, welches einen Negativabdruck von dem vorgegebenen Primär- Oberflächenrelief 107 des Masterelements 105 darstellt. Erfindungsgemäß enthält das Polymermaterial 106 Nanoelemente 102 derart, dass der hergestellte Basiskörper 101, der zusammen mit der Stempeloberfläche 104 einen wesentlichen Bestandteil der Stempelvorrichtung 100 bildet, ebenfalls Nanoelemente 102 enthält. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer großen Festigkeit, da Nanoelemente und insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine hohe Festigkeit aufweisen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine große Elastizität des Polymermaterials aufrecht erhalten bleibt, wobei durch eine Vermeidung von Sprödigkeit ein Auftreten von Brüchen und/oder Rissen und/oder Strukturdefekten verhindert wird.
Die Fig. 2 (d) und 2 (e) zeigen die Verwendung der erfindungsgemäßen Stempelvorrichtung in einem softlithografischen Verfahren schematisch. Hierzu wird das Oberflachenrelief 103 des Basiskörpers 101, der die Nanoelemente 102 enthält, beispielsweise mit Tinte benetzt, wie in Fig. 2 (d) gezeigt.
Anschließend wird der benetzte Stempel auf ein Substrat 201, das mit einer Substratbeschichtung 202 versehen ist, in der durch die Pfeile der Fig. 2 (e) angezeigten Richtung aufgedrückt. Vorzugsweise besteht die Substratbeschichtung 202 aus einem Goldmaterial, welches eine Monoschicht 204 der Stempel- benetzung 203 von der Stempelvorrichtung 100 auf die Sub- stratbeschichtung 202 des Substrats 201 überträgt. An den erhabenen Stellen des Oberflächenreliefs 103 der strukturierten Stempeloberfläche 104 des Basiskörpers 101 befindet sich somit, wie in Fig. 2 (d) gezeigt, eine Stempelbenetzung 203, wobei eine derartige Struktur auf die Oberfläche der Sub- stratbeschichtung 202 als eine Monoschicht 204 übertragen wird, wie in Fig. 3 (f) veranschaulicht.
Nach einem Ätzen der in Fig. 3 (f) gezeigten Struktur, beispielsweise durch einen Nassätzprozess, verbleiben auf dem Substrat 201 die durch eine Substratstruktur 205 in Fig. 3
(e) veranschaulichten, nicht geätzten Anteile der Substratbeschichtung 202 auf dem Substrat 201. In vorteilhafter Weise lassen sich aufgrund der hohen Festigkeit der erfindungsgemäßen Stempelvorrichtung 100 Substratstrukturen 205 im Nanometerbereich mittels softlithografi- scher Prozesse erzeugen. Da eine hohe Elastizität der Stempelvorrichtung 100 erhalten bleibt, wird der Stempel auch bei einer mehrfachen Verwendung nicht zerstört noch werden Grenzflächeneigenschaften des Stempelmaterials verändert. Daher ergibt sich eine gute Wiederverwendbarkeit der Stempelvor- richtung, was zu einer erheblichen Kostenreduktion von softlithografischen Prozessen führt.
Zur Herstellung des Basiskörpers 101, der das vorgegebene Oberflachenrelief 103 aufweist, wird ein Polymermaterial 106 eingesetzt, das vorzugsweise als ein Polydimethylsiloxan (PDMS), wie beispielsweise Sylgard 184 von Dow Corning hergestellt, bereitgestellt.
Nach einem Aushärten des Polymermaterials 106 wird das ausge- härtete Polymermaterial 106 von dem Masterelement 105 abgeschält, um den Basiskörper 101 der Stempelvorrichtung 100 zu separieren. Vorzugsweise wird das Aushärten des Polymermaterials mittels eines Ausheizens durchgeführt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Ausheizen des Polymermaterials 106 bei einer Temperatur von 120°C für eine Zeitdauer von 12 Stunden durchgeführt.
Zur Herstellung des Fluids, das das Polymermaterial 106 enthält, werden Nanoelemente 102, die beispielsweise aus Kohlen- stoff-Nanoröhrchen (CNT) bereitgestellt sind, in einem Lösungsmittel dispergiert, derart, dass eine Dispersionslösung erhalten wird. Anschließend wird die erhaltene Dispersionslösung mit einer Siloxanlosung gemischt.
Vorzugsweise wird das Mischen der erhaltenen Dispersionslösung mit der Siloxanlosung bei Raumtemperatur durchgeführt. Weiterhin ist es zweckmäßig, dass vor einem Aushärten des Polymermaterials 106 das Fluid geschüttelt wird, um eine gleichmäßige Verteilung der Nanoelemente 102 in dem Polymermaterial zu erreichen. Nach dem Aushärten des die Nanoelemente 102 enthaltenden Polymermaterials 106 wird ein elastischer Basiskörper 101 der Stempelvorrichtung 100 erhalten, der eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Anteil der Nanoelemente 102 in dem Polymermaterial durch eine Variation der Nanoele- mente 102 in dem Fluid variierbar ist. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Anteil von Nanoelementen zwischen 0,001 und 0,00001 Gew.-% bezogen auf das Polymermaterial 106 variiert.
Durch die hohe mechanische Festigkeit des Basiskörpers 101, verbunden mit einer ausreichenden Elastizität ist es möglich, Masterelemente 105 vorzusehen, die ein Aspektverhältnis in einem Bereich zwischen 5 und 0,5 aufweisen. Hierbei ergibt sich das Oberflachenrelief 103 der strukturierten Stempel- Oberfläche 104 des Basiskörpers 101 als ein exakter Negativabdruck von dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief 107 des Masterelements 105. Zum Dispergieren der Nanoelemente 102 wird als ein Lösungsmittel vorzugsweise Dichlormethan eingesetzt, um eine Dispersionslösung zu erhalten, welche in dem weiteren, oben beschriebenen Prozessschritt dann mit der Siloxanlosung gemischt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar .
Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
Das Substrat kann beschichtet sein (Gold), aber z.B. auch nur aus Silizium bestehen. Hier würde eine natürliche Oxidschicht genügen, um mittels softlithographischer Prozesse eine Strukturierung zu erzeugen.
Bezugszeichenliste
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
100 Stempelvorrichtung
101 Basiskörper
102 Nanoelement
103 Oberflachenrelief
104 Stempeloberfläche
105 Masterelement
106 Polymermaterial
107 Primär-Oberflächenrelief
201 Substrat
202 Substratbeschichtung
203 Stempelbenetzung
204 Monoschicht
205 Substratstruktur

Claims

Patentansprüche
1. Stempelvorrichtung (100) für Softlithographie, mit:
a) einem Basiskörper (101), der aus einem Polymermaterial (106) ausgeführt ist; und
b) mindestens einer strukturierten Stempeloberfläche (104) des Basiskörpers (101), die ein vorgebbares Oberflachenrelief (103) aufweist, wobei die Stempeloberfläche (104) mittels eines Abdrucks von einem Masterelement (105), das ein vorgegebenes Primär-Oberflächenrelief (107) aufweist, strukturiert ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass c) das Polymermaterial (106) des Basiskörpers (101) Nanoelemente (102) enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nanoelemente (102) als Nanoröhrchen und/oder als
Nanodrähte bereitgestellt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nanoelemente (102) als Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass- das Polymermaterial (106) Siloxane aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Polymermaterial (106) eine derartige Elastizität aufweist, dass es von dem Masterelement (105) abschälbar ist, wobei das Ober lachenrelief (103) der strukturierten Stempeloberfläche (104) des Basiskörpers (101) als ein Negativabdruck von dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief (107) des Masterelements (105) bereitgestellt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Polymermaterial (106) aus Polydimethylsiloxan (PDMS) besteht .
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nanoelemente (102) als Silizium-, Germanium-, Bornitrid-, Galliumnitrid- und/oder Cadmiumsulfidnanodrähte ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Polymermaterial (106) einen Anteil von Nanoelementen (102) aufweist, der zwischen 0,001 und 0,00001 Gewichtsprozent (Gew.-%) liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Masterelement (105) aus einem Siliziummaterial bereitgestellt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das vorgegebene Primär-Oberflächenrelief (107) des Masterelements (105) ein Aspektverhältnis in einem Bereich zwischen 5 und 0,5 aufweist.
11. Verfahren zum Herstellen einer Stempelvorrichtung (100) für Softlithographie, mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Masterelements (105), das ein vorgegebenes Primär-Oberflächenrelief (107) aufweist;
b) Belegen des Primär-Oberflächenreliefs (107) des Masterele- ments (105) mit einem Fluid, das ein Polymermaterial (106) enthält;
c) Aushärten des Polymermaterials (106) , wobei eine Stempeloberfläche (104) der Stempelvorrichtung (100) entsprechend dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief (107) des Masterelements (105) strukturiert wird; und
d) Abschälen des ausgehärteten Polymermaterials (106) von dem Masterelement (105), um einen Basiskörper (101) der Stempel- Vorrichtung (100) zu erhalten, der die Stempeloberfläche (104) der Stempelvorrichtung (100) entsprechend dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief (107) des Masterelements (105) strukturiert aufweist;
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass e) das Polymermaterial (106) des Basiskörpers (101) Nanoelemente (102) enthält.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Aushärten des Polymermaterials (106), bei dem eine Stempeloberfläche (104) der Stempelvorrichtung (100) entsprechend dem vorgegebenen Primär-Oberflächenrelief (107) des Masterelements (105) strukturiert wird, mittels eines Ausheizens des Polymermaterials (106) durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Ausheizen des Polymermaterials (106) bei einer Temperatur von 120 °C für eine Zeitdauer von zwölf Stunden durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Fluid bereitgestellt wird durch:
i) ein Dispergieren der Nanoelemente (102) in einem Lösungsmittel, um eine Dispersionslösung zu erhalten; und
ii) ein Mischen der in dem Schritt i) erhaltenen Dispersions- lösung mit einer Siloxanlosung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Mischen der in dem Schritt i) erhaltenen Dispersi- onslösung mit der Siloxanlosung bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Lösungsmittel, in welchem die Nanoelemente (102) dispergiert werden, aus Dichlormethan bereitgestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Fluid vor dem Schritt c) eines Aushärtens des Polymermaterials (106) geschüttelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Fluid vor dem Aushärten des Polymermaterials (106) bei Raumtemperatur für eine Zeitdauer von 60 Minuten geschüttelt wird.
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