DE19747813A1

DE19747813A1 - Nanostrukturierung von Oberflächen

Info

Publication number: DE19747813A1
Application number: DE1997147813
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Spatz; Martin Prof Dr Moeller; Thomas Herzog; Stefan Moessmer; Paul Prof Dr Ziemann; Peter Eibeck
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: Universitaet Ulm
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-05-06

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Element, welches aus einem Substrat, einem darauf aufgebrachten Film, der ein unterschiedliche Blöcke enthaltendes Polymer, welches auf der Substratoberfläche eine Mikrodomänenstruktur bildet, umfaßt, und einem darauf angeordneten Film aus Metall- und/oder Metallchalko genidschichten aufgebaut ist, ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung von Substraten sowie im Nanometerbereich oberflächenstrukturierte Substrate. Die vorliegende Erfindung basiert insbesondere auf der Selbstorganisation dünner Zweiblockcopolymerfilme, bei denen die Ausbildung chemisch unterschiedlicher Oberflächendomänen die örtlich selektive Deposition eines metallischen oder metallchalkogenidischen Films ermöglicht.

Periodische und aperiodische Mikrostrukturen von einigen Mikrometern bis einigen 100 Nanometern werden für eine Vielzahl von Anwendungen, insbeson dere für elektronische und optische Bauelemente, Sensoren und in der Mikro technologie mittels lithographischer Techniken hergestellt. Eine weitere Reduzie rung der geometrischen Dimensionen ermöglicht nicht nur eine weitere Minitiari sierung, sondern erlaubt auch die Nutzung dimensionsabhängiger physikalischer Eigenschaften, wie z. B. Quanteneffekte, superferromagnetische Eigenschaften oder Elektronenplasmonenresonanzen. Grundsätzlich erfordert die Umsetzung in makroskopische Effekte oder Meßgrößen aber eine hohe Einheitlichkeit eines Ensembles von mikroskopischen Strukturen.

Für die in diesem Zusammenhang interessanten Strukturen unterhalb von 100 nm ist die Anwendung herkömmlicher lithographischer Verfahren äußerst schwierig und wenig wirtschaftlich. Komplementär zu herkömmlichen Verfahren müssen hierzu neue Verfahren entwickelt werden, die entweder auf einem größenkontrollierten Wachstum anorganischer Strukturen oder auch auf moleku laren Konzepten der organischen und makromolekularen Chemie beruhen.

Ein Zwei- oder Multiblockcopolymer besteht aus chemisch unterschiedlichen makromolekularen Ketten, welche an den Enden oder an einer anderen molekula ren Position (beispielsweise im Fall von Stern- oder Propfblockcopolymeren) kovalent verbunden sind. In den meisten Fällen mischen sich die unterschiedli chen Blöcke nicht miteinander und separieren in sogenannten Mikrodomänen. Deren Größe und morphologische Ordnung wird unter anderem von den Volu menanteilen der einzelnen Blöcke und der Molekulargewichtsverteilung bestimmt. So erlaubt die Änderung des Volumenanteils der Polymerblöcke die Einstellung unterschiedlicher Mikrodomänenstrukturen wie z. B. Kugeln, Zylinder und Lamel len. Typischerweise betragen die damit erreichbaren Perioden zwischen 10 und 200 nm.

Eine Mikrophasenseparation kann auch in ultradünnen Filmen beobachtet wer den. Entscheidend ist hierbei, inwieweit die Mikrodomänenstruktur und deren Organisation von den Grenzflächen- und Oberflächenenergien und der geome trischen Einengung beeinflußt wird.

Park et al. beschreiben das Übertragen der Mikrodomänenstruktur eines Zweib lockcopolymers auf ein unterliegendes Siliziumnitridsubstrat (Park et al., Science 1997, 276, 1401 sowie Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 2586). Zwei unterschiedli che Techniken, basierend auf einer reaktiven Ionenätzung, erlauben die Her stellung von Löchern mit 20 nm Durchmesser mit einer Periodizität von 40 nm sowie die entsprechende inverse Struktur. In gleicher Weise konnten zusammen hängende Kanäle von 30 nm Durchmesser und 15 nm Abstand auf ein Substrat übertragen werden. Dabei wurden Mikrodomänenbereiche aus Polybutadien eines Polystyrol-b-Polybutadien Zweiblockcopolymers mit Ozongas versetzt und aus der Polystyrolmatrix ausgelöst oder mit Osmiumatomen markiert. Beide Verfahren resultieren in einer lokalen Inhomogenität bezüglich des Ätzwider standes, was letztendlich ermöglicht, Zweiblockcopolymermuster als Maske für nanometergroße Oberflächenstrukturen einzusetzen. Solche Muster im Bereich einiger Nanometer können prinzipiell für die Herstellung von Nanostrukturen und für den Einsatz als Masken für die Lithographie technologisch nutzbar zu werden.

Für Strukturierungen über 100 nm waren bisher optische Lithographieverfahren sehr erfolgreich. Da dies ein paralleles Verfahren ist, welches zudem einen großen Durchsatz erlaubt, dominiert es eindeutig die Produktion mikroelektro nischer Schaltkreise. Die erreichbare minimale Strukturgröße ist durch einen technischen Kompromiß zwischen der physikalisch möglichen Auflösung und der apparativ erforderlichen Tiefenschärfe bestimmt. In der Produktion liegen die Abmessungen integrierter Schaltkreise bereits standardmäßig unter 350 nm. Die Verwendung von Röntgenlicht unter technisch sehr hohem Aufwand erreicht Dimensionen von ca. 90 nm.

Mit der Elektronenstrahl- und Ionenstrahllithographie kann man schon seit längerem Strukturen mit Nanometer-Abmessungen herstellen, und entsprechende Anlagen sind im Handel erhältlich. Die Atomstrahllithographie erlaubt durch die Kontrolle der Wechselwirkung der Atomstrahlen mit Lichtmasken, großflächig periodische Linienmuster und verschiedene zweidimensionale periodische Struk turen mit einer Auflösung unter 100 nm zu erzeugen. Dabei werden Atome entweder direkt auf einem Substrat deponiert oder zur Modifikation organischer Resists genutzt.

Durch Ausnützung des Kristallwachstums auf GaAs(311)B-orientierten Sub straten konnten nicht nur kleine Einheiten, sondern auch wohlgeordnete Quan tendotstrukturen dargestellt werden. Nach dem Wachstum einer dünnen InGaAs- Schicht über eine AlGaAs-Pufferschicht bricht der verspannte InGaAs-Film in kleine Stücke auf, die spontan unter AlGaAs vergraben werden. So bilden sich auf natürliche Weise geordnete Reihen von AlGaAs-Mikrokristallen mit einem Kern aus scheibenförmigen InGaAs-Dots. Größe und Abstand der Dots lassen sich dabei unabhängig voneinander allein durch die Wachstumsparameter kon trollieren. Die Photolumineszensspektren der Dots sind durch hohe Effizienz und schmale Linienbreiten gekennzeichnet.

Nachteilig ist jedoch für die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren, daß sie ökonomisch nicht vertretbar sind und/oder keine periodischen Strukturen im unteren Nanometerbereich liefern und/oder nur durch physikalische Parameter gesteuert werden können und deshalb apparativ zu aufwendig sind.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein auf molekula ren Konzepten der organischen bzw. makromolekularen Chemie basierendes Verfahren, welches die Oberflächenstrukturierung von Substraten im Nanometer bereich erlaubt, sowie im unteren Nanometerbereich (bevorzugt kleiner als 20 nm, mehr bevorzugt kleiner als 5 nm) oberflächenstrukturierte Substrate bereit zustellen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausfüh rungsformen gelöst. Insbesondere wird ein Element bereitgestellt, umfassend ein Substrat und einen mindestens auf einer Seite des Substrats aufgebrachten Film, welcher mindestens ein unterschiedliche Blöcke enthaltendes Polymer umfaßt, welches auf der Substratoberfläche eine Mikrodomänenstruktur durch Segrega tion der unterschiedlichen Blöcke derart bildet, daß mindestens ein Teil der Blöcke sich im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche und mindestens ein anderer Teil der Blöcke sich im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche anordnet, und auf dem Film angeordnet ein oder mehrere, gleiche oder unter schiedliche Metall- und/oder Metallchalkogenidschichten, deren lokale Schicht dicke in Abhängigkeit von der Mikrodomänenstruktur des Polymers variiert.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Polymer ist vorzugsweise aus Blockcopolyme ren, Sternpolymeren, Pfropfcopolymeren und Mikroarmsternpolymeren ausge wählt.

Mehr bevorzugt ist das Polymer Polystyrol-b-polyethylenoxid, Polystyrol-b- poly(2-vinylpyridin), Polystyrol-b-poly(4-vinylpyridin) oder ein Gemisch davon. Der Polystyrolblock darin kann aber auch durch andere nicht-polare Polymere, wie beispielsweise Polyisopren, Polybutadien, Polymethylmethacrylat oder andere Polymethacrylate ersetzt werden. Der zweite bzw. polare Block in einem solchen Zweiblockcopolymer kann ein solcher sein, der ebenfalls eine möglichst starke Wechselwirkung mit dem Substrat eingeht. Beispiele hierfür sind Poly acrylsäure, Polymethacrylsäure, aminosubstituierte Polystyrole, Polyacrylate bzw. Polymethacrylate, aminosubstituierte Polydiene, Polyethylenimine, verseifte Polyoxazoline oder hydriertes Polyacrylnitril. Der erste Block kann auch aus einem polaren Polymer aufgebaut sein, jedoch mit der Maßgabe, daß dann das Substrat derart gewählt ist, daß es hauptsächlich, d. h. selektiv, mit dem zweiten polaren Block wechselwirkt. Die zu verwendende Metallverbindung und die entsprechenden Polymerblöcke sind derart zu wählen, daß die Metallverbindung bevorzugt mit einem der Polymerblöcke wechselwirkt bzw. sich an einen der Polymerblöcke anlagert.

Die Metall und/oder Metallchalkogenidschicht, ist vorzugsweise aus Cr, Cr_xO_y, Ti, TiO₂, In, In_xO_y, Si, SiO₂, Au, Ag, Ag_xO_y, Pt, und Pd ausgewählt. Vorzugs weise werden als Metallchalkogenide die Metalloxide verwendet.

Verwendbare Substrate sind Edelmetalle, oxidische Gläser, mono- oder multikri stalline Substrate, Halbleiter, Metalle mit oder ohne passivierter Oberfläche, Isolatoren oder allgemein Substrate mit hoher Resistenz gegen die nachfolgenden Ätzprozeduren. Insbesondere handelt es sich hierbei um Pt, Au, GaAs, In_yGaAs, Al_xGaAs, Si, SiO₂, Ge, Si_xN_y, Si_xGaAs, InP, InPSi, GaInAsP, Glas, Graphit, Diamant, Glimmer, SrTiO₃ sowie deren dotierte Modifikationen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Her stellung des Elements, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Aufbringen mindestens eines unterschiedliche Blöcke enthaltenden Poly mers auf ein Substrat, wobei das Polymer auf der Substratoberfläche eine Mikrodomänenstruktur durch Segregation der unterschiedlichen Blöcke derart bildet, daß mindestens ein Teil der Blöcke sich im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche und mindestens ein anderer Teil der Blöcke sich im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche anordnet, und
(b) Beschichten des in Schritt (a) erhaltenen Substrats mit einem oder mehre ren, gleichen oder unterschiedlichen Metall- und/oder Metallchalkogenid schichten, deren lokale Schichtdicke in Abhängigkeit von der Mikrodomä nenstruktur des Polymers variiert.

In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Aufbringen des Films in Mono- oder Multischichten auf mindestens eine Seite eines Substrats vorzugs weise durch Tauch-, Gieß-, Spinschleuderverfahren oder durch Adsorption aus verdünnter Lösung durchgeführt. Mehr bevorzugt wird das Aufbringen in Mono- oder Multischichten durch Tauchverfahren aus verdünnter Lösung durchgeführt.

Typischerweise wird eine amphiphiles Zwei- oder Dreiblockcopolymer, Stern polymere, Pfropfcopolymere oder Mikroarmsternpolymere auf einem Substrat, wie z. B. Glimmer, aus einer niederkonzentrierten Chloroformlösung (vorzugs weise zwischen 10^-6 und 100 mg/ml) adsorbiert, oder durch Rotationsschleuder verfahren (1-10⁵ U/min) oder durch Herausziehen eines Substrats aus der Lösung mit einer definierten Geschwindigkeit zwischen beispielsweise 0,001 mm/min und 2 m/min aufgetragen.

Die Dicke des sich bildenden Films und die Wechselwirkung des Substrats mit den unterschiedlichen Komponenten bzw. Blöcken des eingesetzten Polymer systems wird derart gewählt, daß sich auf der Substratoberfläche eine Mikrodo mänenstruktur durch Segregation der unterschiedlichen Blöcke derart bildet, daß mindestens ein Teil der Blöcke sich im wesentlichen parallel zur Substratober fläche und mindestens ein anderer Teil der Blöcke sich im wesentlichen senk recht zur Substratoberfläche anordnet, d. h. die Substratoberfläche wird von einem oder mehreren Blöcken "benetzt" ("im wesentlichen parallel angeordnet"), während dagegen die anderen Blöcken die Substratoberfläche "entnetzen" ("im wesentlichen senkrecht angeordnet"). In Fig. 1 ist eine solche Segregation unterschiedlicher Blöcke hinsichtlich eines abgeschiedenen Polymerfilms schema tisch gezeigt. Vorzugsweise weist die freie Oberfläche des Polymerfilms che misch unterschiedliche Domänen in einem Größenbereich von beispielsweise 5 bis 500 nm auf. In Abhängigkeit des eingesetzten Polymersystems (z. B. Polysty rol-b-Polyvinylpyridin) und der Blockverhältnisse bilden sich demgemäß durch Selbstorganisation z. B. quasi-hexagonal angeordnete Inseln oder Stege mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 bis 500 nm. Diese Inseln oder Stege sind Aggregate der die Oberfläche entnetzenden Blöcke. Das Insel- bzw. Stegvolumen (125 nm³ - 1 µm³) sowie der laterale Abstand der Aggregate wird durch die Molekulargewichte der Blöcke des verwendeten Polymersystems und durch das Ausmaß der Wechselwirkung mit dem Substrat eingestellt. Der Abstand der Aggregate kann dabei beispielsweise zwischen 5 nm und 1 µm variieren. Es resultiert eine regelmäßige Mikrodomänenbildung an der Oberfläche des Sub strats, wobei sich die Oberflächendomänen chemisch und/oder physikalisch unterscheiden (s. Fig. 1).

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Film während oder nach dem Aufbringen einem elektrischen Feld (1-10⁶ V/cm) unterworfen werden, um die gebildete Mikrodomänenstrukur, insbesondere die gebildeten Stege, anisotrop auszurichten oder in ihren Größenbereichen zu verändern, so daß gezielt eine anisotrope Ausrichtung der Stege bzw. Inseln über makroskopische Bereiche erfolgt. Vorzugsweise kann zur anisotropen Ausrichtung der gebildeten Mikrodo mänenstrukur das elektrisches Feld bei erhöhter Temperatur angelegt werden. Die Ausrichtung in einem elektrischen Feld (1-10⁶ V/cm) während der Adsorption kann in Lösung oder in einem Lösungsmittelfluß erfolgen. Mit 1 g Polymer können auf diese Weise z. B. bis zu 2000 m² beschichtet werden.

In Schritt (b) werden die entsprechenden Metall- und/oder Metallchalkogenid schichten beispielsweise durch Bedampfung, Sputtern, Chemical Vapor Deposi tion (CVD), Molecular Chemical Vapor Deposition (MOCVD) oder Chemical Beam Epitaxy (CBE) oder durch Abscheidung aus Lösung bei einer definierten Substrat temperatur zwischen 50 und 1500 Kelvin aufgebracht. Dabei resultiert ein Metall-/Metallchalkogenidschicht bzw. -film mit örtlich variierender Schichtdicke entsprechend der durch das Blockcopolymer vorgegebenen lateralen Ober flächenstruktur des Polymerfilms (Insel- und Stegdurchmesser beispielsweise 5-500 nm und Periodizität beispielsweise 5 nm-1 µm), wobei der durch das Poly mer vorgegebene Topographieunterschied drastisch verstärkt wird. Typischer weise betragen die Höhenunterschiede aufgrund der örtlich selektiven Abschei dung der entsprechenden Metall und/oder Metallchalkogenidschichten zwischen 1 und 100 nm. Die derart strukturierten Metall-/Metallchalkogenidschichten auf der Substratoberfläche des Elements, deren Dicke über Abstände von 5 nm und 1 µm beispielsweise zwischen 1 und 100 nm variieren kann, können erfindungs gemäß als Masken für die ortsselektive Strukturierung unterschiedlicher Sub strate eingesetzt werden. Die Masken können nicht dabei nur direkt auf dem gewünschten Substrat erzeugt werden, sondern auch durch eine Abschwimm technik von einem Substrat auf ein anderes übertragen werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Substraten, worin das erfindungs gemäße Element einer reaktiven Ionenätz-Methode, einer Ionensputter-Methode oder einer naßchemischen Methode oder einer Kombination davon unterworfen wird, wobei mindestens ein Teil der Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht zusammen mit dem im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche aufweisende Blöcke enthaltenden Polymerfilm und mindestens ein Teil der Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht ohne oder zusammen mit dem im wesentlichen senk recht zur Substratoberfläche aufweisende Blöcke enthaltenden Polymerfilm aufgrund und in Abhängigkeit von der ortsselektiv abgeschiedenen Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht sowie der Dauer der jeweiligen Methode oder Kombination davon entfernt wird. Ein teilweises Entfernen der Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht zusammen mit dem Polymerfilm führt im allgemeinen zu einer Verstärkung der durch die Polymer/Metall- und/oder Metallchalkogenid schicht vorgegebenen Struktur bzw. Topographie. In einer bevorzugten Aus führungsform wird die Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht zusammen mit dem Polymerfilm vollständig entfernt, wobei die von der Polymer/Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht vorgegebene Struktur bzw. Topographie in eine Reliefstruktur des unterliegenden Substrats überführt wird. Vorzugsweise wird das Element einem Argonionen-Sputterverfahren unterworfen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Element zuerst einem Sauerstoffplasma und anschließend einem Argonionen-Sputterverfahren unterworfen werden. Es kann aber auch ein Argon-/Sauerstoffionengemisch zum Sputtern verwendet werden. Die Sputter-Prozedur kann dabei beliebig oft wiederholt werden.

Aufgrund der Eigenschaft der ortsselektiv abgeschiedenen Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht als Maske gelingt durch das reaktive Ionenätzverfahren oder Ionenbeschuß oder einem naßchemischen Prozeß die ortsselektive Ab tragung unterliegender Substrate bzw. die Verstärkung der durch die Poly mer/Metall- bzw. Metallchalkogenidschichten vorgegebenen Struktur bzw. Topographie, wodurch regelmäßig angeordnete Strukturen, insbesondere Inseln, Säulen und Stege, in Abhängigkeit von der vorgegebenen Polymer/Metall- bzw. Metallchalkogenidstrukturen erzeugt werden können.

Das vorgelegte Verfahren erlaubt somit die Ätzung von Stegen, Säulen und Inseln sowie deren inverse Strukturen mit lateralen Dimensionen zwischen beispielsweise 5 und 500 nm über große makroskopische Bereiche in entspre chenden Substraten. Die dabei erreichten Höhen- und Tiefenabmessungen der Strukturen können die lateralen Dimensionen um ein Vielfaches übertreffen.

Die als Masken verwendbaren, strukturierten Polymer/Metall- und/oder Metall chalkogenid-Filme können nicht nur direkt auf dem gewünschten Substrat erzeugt werden, sondern auch durch eine Abschwimmtechnik von einem Sub strat auf ein anderes übertragen werden. Dabei wird die Metall- und/oder Metall chalkogenidschicht entweder zusammen mit mindestens einem Teil der Polymer films oder ohne den Polymerfilm vor dem reaktiven Ionenätz-Verfahren, Ionen sputter-Verfahren bzw. naßchemischen Verfahren auf ein anderes Substrat transferiert. Vorzugsweise wird der Transfer durch Flotieren bzw. Abschwem men auf flüssigen Medien, vorzugsweise Wasser, durchgeführt.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren oberflächenstrukturier ten Substrate sind vorzugsweise aus Edelmetallen, oxidischen Gläsern, mono- oder multikristallinen Substraten, Halbleitern, Metallen mit oder ohne passivierter Oberfläche oder Isolatoren. Mehr bevorzugt sind sie aus Pt, Au, GaAs, In_yGaAs, Al_xGaAs, Si, SiO₂, Ge, Si_xN_y, Si_xGaAs, InP, InPSi, GaInAsP, Glas, Graphit, Diamant, Glimmer, SrTiO₃ oder deren dotierte Modifikationen ausgewählt.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung bezüglich der lateralen Phasensepara tion eines Block A-b-Block B Zweiblockcopolymers.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung bezüglich der selektiven Abscheidung von beispielsweise Titan über beispielsweise Polystyrol-Domänen.

Fig. 3 zeigt rasterkraftmikroskopische Aufnahmen dünner Polymerfilme auf Glimmer, bestehend aus Poly[styrol]_x-b-Poly[2-vinylpyridin]_y-Zweiblockcopolyme ren (x und y geben die Anzahl der Monomereinheiten pro jeweiligem Block an: (a) Poly[styrol]₁₅₀-b-Poly[4-vinylpyridin]₁₁₀, (b) Poly[styrol)₃₀₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₃₀₀, (c) Poly[styrol]₅₅₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₆₆₀, (d) Poly[styrol]₅₅₀-b-Poly[2-vinylpyri din]₁₄₀₀, (e) Poly[styrol]₈₀₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₈₆₀, (f) Poly[styrol]₁₃₅₀-b-Poly[2- vinylpyridin]₄₀₀, (g) Poly[styrol)₁₇₀₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₄₅₀, (h) Poly[styrol]₃₃₀-b- Poly[4-vinylpyridin]₁₃₀.

Fig. 4 zeigt rasterkraftmikroskopische Aufnahmen sowie die Höhenprofile längs einer horizontal über die Oberfläche verlaufenden Linie des in Beispiel 1 mit Ti-be schichteten Polymerfilms (f).

Fig. 5 zeigt rasterkraftmikroskopische Aufnahmen des in Beispiel 1 hergestellten Ti/TiO₂ (3 nm)-beschichteten Polymerfilms (f) nach Behandlung mit Argonionen (1,1 keV/0,3 mA/cm²) für 15 min sowie das Höhenprofil längs einer horizontal über die Oberfläche verlaufenden Linie.

Fig. 6 zeigt (a) die Topographie und (b) die relative Abbildung des Reibungs koeffizienten eines in Beispiel 1 hergestellten, erfindungsgemäßen oberflächen strukturierten Substrats auf der Basis des verwendeten Polymerfilms (f), welches einer Argonionenbehandlung unterworfen wurde. Ti-Schichten befinden sich nur noch auf den Inseln.

Fig. 7 zeigt eine kraftmikroskopische Aufnahme eines adsorbierten, lateral phasenseparierten Poly[styrol]₈₀₀-poly[2-vinylpyridin]₄₃₀-b-poly[methylmeth acrylat]₇₃₀-Dreiblockcopolymers auf Glimmer.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend durch Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Dünne Polymerfilme, bestehend aus (a) Poly[styrol]₁₅₀-b-Poly[4-vinylpyridin]₁₁₀-, (b) Poly[styrol]₃₀₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₃₀₀-, (c) Poly[styrol]₅₅₀-b-Poly[2-vinylpyri din]₆₆₀-, (d) Poly[styrol]₅₅₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₁₄₀₀-, (e) Poly[styrol]₈₀₀-b-Poly[2- vinylpyridin]₈₆₀-, (f) Poly[styrol]₁₃₅₀-b-Poly[2-vinylpyridin]₄₀₀-, (g) Poly[styrol]₁₇₀₀-b- Poly[2-vinylpyridin]₄₅₀-, (h) Poly[styrol]₃₃₀-b-Poly[4-vinylpyridin]₁₃₀-Zweiblockco polymeren wurden auf Glimmeroberflächen aufgebracht, indem die Glimmer plättchen jeweils mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min aus einer jeweils 0,01 mg/ml konzentrierten Chloroform-Polymerlösung gezogen wurden. Fig. 3 zeigt rasterkraftmikroskopische Aufnahmen der trockenen Filme. In der nachstehenden Tabelle 1 sind die spezifischen Strukturparameter der Filme (a) bis (h) aufgeführt.

Tabelle 1: Oberflächenstrukturparameter verschiedener Zweiblockcopolymere

Die Polymerfilme (a) bis (h) wurden anschließend mit unterschiedlich dicken Ti-Schich ten bedampft. Die auf einem chemisch homogenen bzw. glatten Substrat theoretisch zu erwartenden Schichtdicken wurden mittels Schwingquarztechnik bestimmt. In Abhängigkeit der Dicke der bedampften Schichten wurden die Aggregathöhen rasterkraftmikroskopisch charakterisiert und rasterkraftmikrosko pisch vermessen (vgl. Fig. 4). In der nachstehenden Tabelle 2 sind die jeweiligen Aggregathöhen bezüglich des Polymerfilms (f) (Poly[styrol]₁₃₅₀-b-poly[2-vinylpyri din]₄₀₀) mit zunehmender Ti-Schichtdicke aufgeführt.

Tabelle 2: Aggregathöhe des Polymerfilms (f) (Poly[styrol]₁₃₅₀-b-poly[2-vinylpyri din]₄₀₀) mit zunehmender Ti-Schichtdicke im Vergleich zum gemäß Schwing quarztechnik zu erwartenden Wert

Anschließend werden die Ti/Polymerfilme für 10 min im Sauerstoffplasma unter einer Bildung einer dünnen TiO₂-Haut und anschließend für 15 min mit Argonio nen (1,1 keV/0,3 mA/cm²) behandelt. Die Inselhöhe wächst dabei von 11 auf 27 nm an (vgl. Fig. 5). Die Reibungskraftmikroskopie zeigt nach der Argonbe handlung einen Materialkontrast zwischen den Inseln und der zwischen den Inseln liegenden Oberfläche (vgl. Fig. 6). Es wurde festgestellt, daß TiO₂ die Inseln bedeckt und daß das Glimmersubstrat zwischen den Inseln minimal 16 nm tief abgetragen wurde.

Beispiel 2

Adsorbierte Polystyrol-b-poly(2-vinylypyridin)-b-polymethylmethacrylat-Dreiblock copolymerfilme werden durch Ziehen einer Glimmeroberfläche aus einer 0,01 mg/ml Lösung mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min auf Glimmer abgeschie den. Fig. 7 zeigt eine kraftmikroskopische Aufnahme der Oberflächentopologie. Regelmäßig angeordnete Polystyrol-Inseln werden dabei von einem Ring aus Polymethylmethacrylat umgeben.

Claims

1. Element, umfassend
ein Substrat,
einen mindestens auf einer Seite des Substrats aufgebrachten Film, wel cher mindestens ein unterschiedliche Blöcke enthaltendes Polymer um faßt, welches auf der Substratoberfläche eine Mikrodomänenstruktur durch Segregation der unterschiedlichen Blöcke derart bildet, daß minde stens ein Teil der Blöcke sich im wesentlichen parallel zur Substratober fläche und mindestens ein anderer Teil der Blöcke sich im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche anordnet, und
auf dem Film angeordnet ein oder mehrere, gleiche oder unterschiedliche Metall- und/oder Metallchalkogenidschichten, deren lokale Schichtdicke in Abhängigkeit von der Mikrodomänenstruktur des Polymers variiert.

2. Element nach Anspruch 1, wobei das unterschiedliche Blöcke enthaltende Polymer aus Blockcopolymeren, Sternpolymeren, Pfropfcopolymeren und Mikroamsternpolymeren ausgewählt ist.

3. Element nach Anspruch 2, wobei das Polymer aus Polystyrol-b-poly(2- vinylpyridin), Polystyrol-b-poly(4-vinylpyridin), Polystyrol-b-poly(2-vinylpy ridin)-b-polymethylmethacrylat oder Gemischen davon ausgewählt ist.

4. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht aus Cr, Cr_xO_y, Ti, TiO₂, In, In_xO_y, Si, SiO₂, Au, Ag, Ag_xO_y, Pt, und Pd ausgewählt ist.

5. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat aus Pt, Au, GaAs, In_yGaAs, Al_xGaAs, Si, SiO₂, Si_xGaAs, Ge, Si_xN_y, InP, InPSi, GaInAsP, Glas, Graphit, Diamant, Glimmer, SrTiO₃ oder deren dotierte Modifikationen ausgewählt ist.

6. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die freie Oberfläche des Polymerfilms chemisch unterschiedliche Domänen in einem Größenbereich von 5 bis 500 nm aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung des Elements nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Aufbringen mindestens eines unterschiedliche Blöcke enthaltenden Polymers auf ein Substrat, wobei das Polymer auf der Substratober fläche eine Mikrodomänenstruktur durch Segregation der unter schiedlichen Blöcke derart bildet, daß mindestens ein Teil der Blöcke sich im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche und minde stens ein anderer Teil der Blöcke sich im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche anordnet, und
(b) Beschichten des in Schritt (a) erhaltenen Substrats mit einem oder mehreren, gleichen oder unterschiedlichen Metall- und/oder Metall chalkogenidschichten, deren lokale Schichtdicke in Abhängigkeit von der Mikrodomänenstruktur des Polymers variiert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin in Schritt (a) das Aufbringen des Polymerfilms durch Tauch-, Gieß-, Spinschleuderverfahren oder durch Adsorption aus verdünnter Lösung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das Aufbringen durch Tauchverfahren aus verdünnter Lösung durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin während dem Aufbringen des Films ein elektrisches Feld angelegt wird, um die gebildete Mikrodomänenstruktur anisotrop auszurichten oder in ihren Größenbereichen zu verändern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin nach dem Aufbringen des Films ein elektrisches Feld angelegt wird, um die gebildete Mikrodomänenstruktur anisotrop auszurichten oder in ihren Größenbereichen zu verändern.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin zur anisotropen Ausrichtung der gebildeten Mikrodomänenstruktur das elektrisches Feld bei erhöhter Temperatur angelegt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, worin die Metall- und/oder Metallchalkogenidschichten durch Bedampfung, Sputtern, Chemical Vapor Deposition (CVD), Molecular Chemical Vapor Deposition (MOCVD) oder Chemical Beam Epitaxy (CBE) oder durch Abscheidung aus Lösung bei einer definierten Substrattemperatur zwischen 50 und 1500 Kelvin durch geführt wird.

14. Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Substraten, worin das Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 einer reaktiven Ionenätz-Methode, einer Ionensputter-Methode oder einer naß chemischen Methode oder einer Kombination davon unterworfen wird, wobei mindestens ein Teil der Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht zusammen mit dem im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche auf weisende Blöcke enthaltenden Polymerfilm und mindestens ein Teil der Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht ohne oder zusammen mit dem im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche aufweisende Blöcke enthaltenden Polymerfilm aufgrund und in Abhängigkeit von der orts selektiv abgeschiedenen Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht sowie der Dauer der reaktiven Ionenätz-Methode und/oder der Ionensputter- Methode und/oder der naßchemischen Methode entfernt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin die Metall- und/oder Metallchalkoge nidschicht zusammen mit dem Polymerfilm vollständig entfernt wird, wobei die von der Polymer/Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht vorgegebene Struktur in eine Reliefstruktur des unterliegenden Substrats überführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, worin das Element einem Argonio nen-Sputterverfahren unterworfen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin das Element zuerst einem Sauerstoff plasma und anschließend einem Argonionen-Sputterverfahren unterworfen wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei vor dem reaktiven Ionenätz-Verfahren, Ionensputter-Verfahren bzw. naßchemischen Verfah ren die Metall- und/oder Metallchalkogenidschicht zusammen mit minde stens einem Teil des Polymerfilms oder ohne den Polymerfilm auf ein anderes Substrat transferiert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Transfer durch Flotieren auf flüssigen Medien durchgeführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das flüssige Medium Wasser ist.

21. Oberflächenstrukturiertes Substrat, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20.

22. Substrat nach Anspruch 21, welches aus Edelmetallen, oxidischen Glä sern, mono- oder multikristallinen Substraten, Halbleitern, Metallen mit oder ohne passivierter Oberfläche oder Isolatoren ausgewählt ist.

23. Substrat nach Anspruch 22, welches aus Pt, Au, GaAs, In_yGaAs, Al_xGaAs, Si, SiO₂, Ge, Si_xN_y, Si_xGaAs, InP, InPSi, GaInAsP, Glas, Graphit, Diamant, Glimmer, SrTiO₃ oder deren dotierte Modifikationen ausgewählt ist.