DE60102600T2

DE60102600T2 - Verfahren und vorrichtung zur bildung von mustern in filmen unter verwendung von temperaturgradienten

Info

Publication number: DE60102600T2
Application number: DE60102600T
Authority: DE
Inventors: Erik SCHÄFFER; Ullrich Steiner
Original assignee: APPLIED NANOSYSTEMS GRONINGEN; Applied Nanosystems BV
Current assignee: Applied Nanosystems BV
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: CA2428118A1; WO2002038386A1; US20040063250A1; NZ525162A; EP1339550B1; WO2002038386B1; DE60102600D1; JP2004512974A; ATE263034T1; EP1207048A1; EP1339550A1; AU2002226328A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen bzw. Herstellen von Mustern, insbesondere Hochauflösungsmustern, in Filmen, Schichten und/oder Trennflächen, welche Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Insbesondere wird ein Verfahren zum Erzeugen von lithographischen dreidimensionalen Strukturen durch Aussetzen von wenigstens einem Film, einer Schicht und/oder Trennfläche auf einem Substrat an einen Temperaturgradienten zur Verfügung gestellt, wobei der Temperaturgradient Kräfte in dem Film generiert bzw. erzeugt, welche einen Massentransfer in dem Film bewirken, um dadurch ein lithographisches Muster zu erzeugen bzw. auszubilden.
In Mikroelektronik-, Biotechnologie- und Mikrosystemindustrien ist es wichtig, hoch auflösende bzw. Hochauflösungsmuster in Substraten zu erzeugen. Beispielsweise sind Hochauflösungsmuster notwendig, um integrierte Schaltkreise herzustellen. Gegenwärtig wird Photolithographie verwendet, um Muster auf Substraten zu erzeugen. Photolithographietechniken bringen es mit sich bzw. bedingen, einen Photolack bzw. -resist einem optischen Muster auszusetzen und Chemikalien zu verwenden, um entweder die ausgesetzten bzw. belichteten oder unbelichteten Abschnitte des Photolacks zu ätzen, um das Muster auf dem Substrat zu erzeugen. Die Auflösung des Musters ist somit durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt, welches zum Herstellen bzw. Erzeugen des optischen Musters verwendet wird. Da kleinere Wellenlängen benützt werden müssen, um Submikron-Muster zu erzeugen, wird Photolithographie zunehmend komplex und kostspielig.
JP-A-02 128890 beschreibt ein musterformendes Verfahren, in welchem eine Metallmaske fix bzw. unbeweglich auf ein Übertragungsmedium gelegt bzw. befestigt wird, welches aus einer Glasplatte zusammengesetzt ist, und eine leitfähige Silberpaste, welche eine Glasfritte als ein musterformendes Material aufweist, in einer dichten Richtung eines Punktmusters auf diese Maske mit einer Klinge aufgebracht wird. Anschließend wird ein Punktmuster für eine Silberelektrodenleitung auf dem Übertragungsmedium geformt, indem die Metallmaske von dem Übertragungs- bzw. Transfermedium abgeschält wird, um entfernt zu werden. Das derart geformte bzw. gebildete Transfermuster bzw. Übertragungsmuster wird getrocknet und durch mehrere Temperatur-Zeit-Gradienten hitzebehandelt.
D. Hansen et al. "Method for studying polymer crystallization in a temperature-gradient field with controlled crystal growth", veröffentlicht in dem Journal of Polymer Science, Band 10, Nummer 8, August 1972, Seiten 1615–1619, offenbart ein Einlegen bzw. Einschließen einer Schicht von Polymer zwischen zwei Metallplatten. Die Temperaturen der Metallplatten werden durch eine eingebettete elektrische Widerstandsheizung und Kühlspulen geregelt bzw. gesteuert. Beide Platten werden über den Schmelzpunkt des Polymers erhitzt und es wird eine Temperaturdifferenz während des Abkühlens zwischen den Platten errichtet; US-A-5 135 048 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung zum Züchten von Kristallen, wobei der einzige Hauptunterschied darin besteht, daß metallische Kristalle gezüchtet bzw. gezogen werden.
EP-A-0 487 794 beschreibt ein Verfahren zum Vorbereiten von Photolackmustern für Lithographie aus einem chemisch ver stärkten Photolack, welcher aus einem photoaktiven Säuregenerator zusammengesetzt ist, einschließlich eines Schritts eines Regelns bzw. Steuerns einer photoaktiven, säurekatalytischen Reaktion, welche durch den Säuregenerator induziert wird, benachbart zu einem Gebiet bzw. Bereich der Oberfläche, welche einer Überschußbestrahlung unterworfen ist. Die Reaktionssteuerung kann durch ein Einfangen von Überschußsäure durchgeführt werden, welche an Gebiete der Photolackoberfläche angrenzend erzeugt wurde, indem ein Temperaturgradient in dem Photolack gebildet wird, um die photoaktive Reaktion in ausgewählten Gebieten bzw. Bereichen zu drosseln bzw. zu beschränken, oder indem der Photolack in der Richtung seiner Dicke bzw. Materialstärke geladen wird, um positive Ladung von der erzeugten Säure zum Errichten bzw. Aufbauen einer homogenen Ladungsverteilung in dem Photolack zu bewegen. Das Muster wird geformt bzw. gebildet, indem Teile des dem Licht ausgesetzten Films entfernt werden, indem ein chemisches Lösungsmittel verwendet wird.
Chemical Abstracts, Vol. 85, Nr. 4, 26. Juli 1976, Columbus, Ohio, US, Abstract Nr. 27333 C, T. Shigeo et al.: "Thermographic Recording Sheet based on poly(carbon fluoride) and Zeolithe" offenbart ein thermographisches Aufzeichnungsblatt auf der Basis von Poly(Carbonfluorid) und Zeolith. Die bildaufzeichnenden Schichten der thermographischen Blätter bzw. Folien beinhalten ≥ 1 anorganisches C Fluoridpolymer und einen Molekularsieb-Zeolith als Hauptbestandteile. Das Verfahren zum Erzeugen eines derartigen thermographischen Aufzeichnungsblatts umfaßt ein Verteilen eines flüssigen Acrylharzes und eines fluorierten Graphits in einer Isophoron-C₆H₆ (1:1) Mischung, Hinzufügen von Ca Zeolith X, welcher darauf ungefähr 10 Gew.-% NEt₃ adsor biert hat, in die Lösung bzw. Dispersion und ein Beschichten der Dispersion auf eine Papierunterstützung, um einen weißes thermographisches Papier zu ergeben. Somit kann ein zweidimensionales Muster in dem thermographischen Aufzeichnungsblatt geformt bzw. ausgebildet werden.
Dementsprechend ist es ein Gegenstand bzw. Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches zum Erzeugen von Mustern, insbesondere Hochauflösungsmustern, geeignet ist, welches einfach, leistungsfähig und für eine Musterherstellung zu niedrigen Kosten geeignet ist. Vorzugsweise sollte das Verfahren ein Mustern ohne die Anwendung von optischer Strahlung bzw. Bestrahlung erlauben, um dadurch die obige Begrenzung durch die Wellenlänge des Lichts zu vermeiden, welches zum Erzeugen solcher Muster verwendet wird. Weiters sollte ein derartiges Verfahren nicht die Verwendung von Chemikalien erfordern, um Abschnitte des Films zu ätzen oder zu entfernen. Darüber hinaus ist es ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ausführen eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Dieser Gegenstand wird durch ein in Anspruch 1 definiertes Verfahren und durch eine in Anspruch 14 definierte Vorrichtung gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Deshalb wird entsprechend der Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen bzw. Herstellen eines gemusterten Films bereitgestellt, umfassend die Schritte

(a) Bereitstellen eines Substrats, das ein Substratoberfläche aufweist, um den zu bemusternden bzw. mit einem Muster zu versehenden Film zu unterstützen,
(b) Abscheiden von wenigstens einem Film, enthaltend ein thermisch leitfähiges Material auf der Substratoberfläche, und
(c) Aussetzen dieses wenigstens einen Films wenigstens teilweise an einen Temperaturgradienten, um dadurch in dem Film Kräfte zu erzeugen, welche einen Massentransfer in dem Film bewirken, um dadurch ein dreidimensionales Muster in dem Film auszubilden.

Der Ausdruck "Film" soll so verstanden werden, daß alle Typen und selbstunterstützenden bzw. selbsttragenden oder unterstützten Filmen und/oder Schichten als auch Trennflächen zwischen wenigstens zwei Filmen und/oder Schichten umfaßt werden. Beispielsweise ist der Prozeß bzw. das Verfahren auch anwendbar, um eine Grenz- bzw. Trennfläche zu mustern, die durch die Kontaktfläche von zwei benachbarten Filmen oder Schichten definiert ist. Eine wesentliche Eigenschaft der Erfindung ist, daß ein Mustern des Films durch einen Massentransfer innerhalb des Films erzielt wird. Mit anderen Worten unterliegt das einem Mustern unterliegende bzw. unterworfene Material nicht irgendeinem bemerkenswerten Verlust an Masse, so daß, vorzugsweise, das Musterungsverfahren ein Masse konservierendes bzw. Masse erhaltendes Verfahren ist (obwohl Lösungsmittel, falls verwendet, verloren werden können). Darüber hinaus muß entsprechend der Erfindung das Material des zu musternden Films nicht irgendeiner Veränderung in seinen chemischen Eigenschaften unterliegen.
Somit unterscheidet sich die Erfindung grundsätzlich von photolithographischen Techniken, welche nicht Masse erhaltenden Verfahren sind. Herkömmliche photolithographische Techniken, welche zum Ausbilden von dreidimensionalen Strukturen verwendet werden, beruhen auf dem (chemischen) Entfernen von Teilen des Films, welche durch Strahlung belichtet wurden (positiver Photolack) oder welche nicht belichtet wurden (negativer Photolack).
Das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung schließt mehrere Vorteile ein. Beispielsweise können Muster ohne optische Strahlung erzeugt werden. Im Prinzip kann die laterale bzw. seitliche Auflösung des Musters durch ein Regeln bzw. Steuern des angelegten Temperaturgradienten und ein Auswählen eines Films mit geeigneten Eigenschaften willkürlich klein gemacht werden. Darüber hinaus können hoch auflösende Muster, z.B. lithographische Strukturen, durch das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung erhalten werden, ohne die Verwendung von Chemikalien zum Ätzen oder Entfernen von Abschnitten bzw. Bereichen des Films zu erfordern.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Temperaturgradient erzeugt, indem die Substratoberfläche und wenigstens eine Montageoberfläche, die gegenüberliegend der Substratoberfläche vorgesehen wird, in thermischen Kontakt mit wenigstens ersten und zweiten Temperatursteuer- bzw. -regelmitteln gebracht werden, die auf unterschiedliche Temperaturen festgelegt bzw. eingestellt werden. Der Abstand bzw. Zwischenraum zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche ist vorzugsweise in dem Bereich von 10 nm bis 5000 nm, bevorzugter 50 nm bis 1000 nm, noch bevorzugter 150 nm bis 600 nm. Die Montageoberfläche, auch als Deckplatte bezeichnet, kann gemustert sein, um beispielsweise eine Vielzahl von Vertiefungen und Vorsprüngen oder einige andere topographische Eigenschaften aufweisen. Somit resultieren, da die Temperatur der Montageoberfläche durch die zweiten Temperaturregelungsmittel geregelt werden kann, die topographischen Eigenschaften, welche in der Montageoberfläche geformt sind, in unterschiedlichen Abständen zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche, welche einen seitlich variierenden Temperaturgradienten zwischen der Substrat- und Montageoberfläche ergibt. Mehr als eine Montageoberfläche oder Deckplatte kann vorgesehen sein, um räumlich komplexe Temperaturgradienten zu erzeugen. Die Substrat- und Montageoberflächen müssen keine planaren bzw. ebenen Oberflächen sein, sondern können jede gewünschte Gestalt bzw. Form aufweisen. Darüber hinaus muß die Montageoberfläche nicht parallel zu der Substratoberfläche sein.
Um große Filmbereiche zu strukturieren, kann eine Rolle/Prägeplatte eingesetzt werden. In dieser Hinsicht ist anzumerken, daß typische Techniken zum Strukturieren großer Bereiche bzw. Flächen in jedem Fall, mit oder ohne Oberflächenstruktur bzw. -textur, wo das Filmmaterial an diesen vorbeigeführt wird und in Kontakt mit wenigstens einem Teil der Oberfläche kommt, beinhalten: die Verwendung von Rollen bzw. Walzen, wie z.B. in traditionellen Zeitungsdruckpressen und Filmprägelinien: Prägeplatten, ähnlich Platten, die zur Herstellung von Gravuren oder zum Drucken von Tapeten verwendet werden: und fortlaufende Stahlgürtelverfahren, ähnlich zu jenen, welche zum Herstellen von Gußpolymer oder Glasfilmen verwendet werden.
Das Verfahren zum Erzeugen eines gemusterten Films entsprechend der Erfindung unterscheidet sich grundsätzlich von Prägetechniken, wie sie beispielsweise in der vorher zitierten JP-A-02 128890 beschrieben sind. Entsprechend zu diesem herkömmlichen Prägeverfahren wird eine Paste mecha nisch in in einer Maske gebildete Punkte bzw. Löcher gepreßt, um das gewünschte Muster zu erzeugen. Entgegengesetzt dazu erzeugt ein Verfahren entsprechend der Erfindung Kräfte in dem zu strukturierenden Film durch Anwendung bzw. Anlegen eines Temperaturgradienten über den Film hinweg. Diese Kräfte veranlassen bzw. induzieren einen Massentransfer in dem Film, um dadurch das Muster zu erzeugen. Das Verfahren entsprechend der Erfindung stellt eine positive Kopie (erhabene bzw. erhöhte Gebiete sind im Spiegelbild wieder erhabene Gebiete) der Montageoberfläche (der gemusterten Maske oder Deckplatte) statt einer negativen Kopie (erhabene Gebieten entsprechen Vertiefungen) wie in JP-A-02 128890 her.
Weiters braucht im Gegensatz zu allen Prägetechniken die Montageoberfläche (Deckplatte) nicht in mechanischem Kontakt mit dem Film, der Schicht oder Trennschicht zu sein, welche(r) gemustert werden soll. Wenn ein Film durch eine Prägetechnik gemustert wird, wird Material des Films mechanisch durch ein Prägewerkzeug zur Seite gedrückt. Im Gegensatz dazu schlägt die Erfindung den Massentransfer in dem Film durch Kräfte vor, welche durch den Temperaturgradienten erzeugt wurden, der über den Film angelegt wird. Wenn das Verfahren entsprechend der Erfindung so ausgewählt ist, daß der Film die Montageoberfläche kontaktiert, wird dieser Kontakt nur zwischen einer oberen bzw. Deckfläche des Films und der Montageoberfläche (Maskenoberfläche) hergestellt, wodurch eine Entfernung der Maske leichter gemacht wird.
Das Verfahren entsprechend der Erfindung unterscheidet sich von Drucktechniken insbesondere darin, daß das zu musternde Material zuerst auf dem Substrat aufgebracht und dann gemustert wird, anstatt umgekehrt. Weiters muß ein physikali scher Kontakt zu dem zu musternden Material nicht erforderlich sein. In der Tat ist die Abwesenheit von physikalischen Kontakten häufig wünschenswert, um Probleme mit einer Masken/Bildtrennung zu vermeiden.
Der Temperaturgradient, welchem der wenigstens eine Film ausgesetzt wird, liegt innerhalb des Bereichs von 10⁶ °C/m bis 10¹⁰ °C/m, bevorzugter 10⁷ °C/m bis 10⁹ °C/m.
Der Film kann in einem flüssigen oder einem festen Zustand vorliegen. Ein zweiter Film, welcher den zu musternden Film, die zu musternde Schicht oder Trennschicht kontaktiert, kann bereitgestellt werden. In diesem Fall wird die Kontaktoberfläche der beiden Filme, d.h. die Trennschicht der beiden benachbarten Film, gemustert werden und vorzugsweise wird die Struktur bzw. Textur in einer Flüssig-Flüssig-Trennschicht erzeugt. Nach Vollendung des Musterungsvorgangs kann der/die zweite Film oder Schicht beispielsweise durch ein chemisches Lösungsmittel entfernt werden, um die gemusterte Oberfläche des ersten Films freizulegen. Ein derartiges Mustern in einem Flüssig-Flüssig-Trennschichtsystem erlaubt mehr Möglichkeiten für ein Mustern als eine Flüssigkeits-Gas-Trennschicht.
Die Abschneidung des wenigstens einen Films in Schritt (b) kann durch die konventionell bekannten Techniken, wie Spinbeschichten, Aufsprühen, Tauchen usw. durchgeführt werden. Vorzugsweise ist der Film nach seiner Abscheidung auf die Substratoberfläche flüssig. Wenn der Film nach seiner Abscheidung auf die Substratoberfläche nicht flüssig ist, kann der Film vor und/oder während einem Aussetzen an einen Temperaturgradienten in Schritt (c) des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung verflüssigt werden. Die Verflüssigung kann beispielsweise durch ein Erhitzen bzw. Erwärmen oder ein Behandeln mit einem Lösungsmittel oder in einer Lösungsmittelatmosphäre durchgeführt werden. Nach Schritt (c) entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann der Film dann beispielsweise durch ein Kühlen, eine chemische Reaktion, ein Quervernetzungsverfahren, eine Polymerisationsreaktion oder durch Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens erstarrt bzw. verfestigt werden.
Der zu musternde Film kann aus einer einzelnen Schicht bestehen oder kann eine Vielzahl von Schichten einschließen bzw. beinhalten, d.h. zwei oder mehrere Iterationen bzw. Schritte. Die Schichten können in der Beschaffenheit gasförmig, flüssig oder fest sein. Die gasförmigen Materialien können auf normalem, erhöhtem oder reduziertem Druck befindlich sein. Das thermisch leitfähige bzw. leitende Material, welches in dem wenigstens einen zu musternden Film enthalten ist, ist vorzugsweise ein organisches Polymer oder ein organisches Oligomer. Das Molekulargewicht des verwendeten organischen Polymers oder organischen Oligomers ist nicht Gegenstand irgendeiner besonderen Begrenzung. Beispielsweise können Polymere, welche ein Molekulargewicht von ungefähr 100 g/mol aufweisen, verwendet werden. Als bevorzugte Beispiele für das verwendbare organische Polymer im Verlauf des Verfahrens entsprechend der vorliegenden Erfindung können Polystyrol, teilweise oder vollständig chloriertes oder bromiertes Polystyrol, Polyacrylate und Polymethacrylate beispielsweise angeführt werden.
Wenn der Film ein organisches Polymer beinhaltet, ist es insbesondere bevorzugt, den Film während der Durchführung von Schritt (c) des Verfahrens entsprechend der vorliegen den Erfindung oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten organischen Polymers zu halten.
Das Substrat kann eine einzelne Schicht oder eine Vielzahl von Schichten beinhalten. Die Substratoberfläche kann eine Oberfläche eines festen oder flüssigen Materials sein. Vorzugsweise ist die Substratoberfläche eine ebene und ungemusterte Oberfläche. Jedoch ist die Erfindung auch auf nicht ebene Substrate anwendbar. Vorzugsweise kann das Substrat eine Halbleiterscheibe bzw. ein Halbleiterwafer, bevorzugter eine Silikonscheibe sein. Eine derartige Halbleiterwafer kann auch mit einer Edelmetallschicht, z.B. einer Goldschicht, überzogen bzw. beschichtet werden. Vorzugsweise liegt die Filmstärke innerhalb des Bereichs von 10 nm bis 1000 nm, bevorzugter zwischen 50 nm bis 250 nm.
Das durch das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung erzielte bzw. erhaltene Muster kann weiter spezifiziert werden durch ein räumliches Regeln bzw. Steuern des Temperaturgradienten. Das Muster kann sogar noch weiter durch ein räumliches Variieren der Oberflächenenergie von einer der Substratoberfläche und der Montageoberfläche spezifiziert werden. Um das durch den angelegten Temperaturgradienten angetriebene Musterungsverfahren zu unterstützen, können zusätzliche (unterstützende) Effekte eingesetzt werden. Insbesondere elektrische Effekte, wie konstante und/oder zeitveränderlich elektrische Felder und/oder elektromagnetische Wellen beliebiger Frequenz können verwendet werden, um das Musterungsverfahren zu fördern. Darüber hinaus können auch zusätzliche mechanische Effekte, wie Bulk- bzw. Volums- und Oberflächenschallwellen, Vibrationen, mechanische Kräfte, Druck und/oder Verdampfungseffekte in Betracht gezogen werden, um das Verfahren eines Musterns bzw. den Musterungsprozeß zu verbessern. Jeder dieser Effekte kann mit Abweichungen bzw. Variationen in räumlichen Geometrien und zeitlichen Faktoren, einschließlich Feldumkehrung, angewendet werden.
Das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung kann einen gemusterten Film mit seitlichen Eigenschaften kleiner als 10 μm, insbesondere kleiner als 1 μm, noch genauer kleiner als 100 nm bilden. Die Auflösung des Musters hängt ab von dem Betrag bzw. der Größe des Temperaturgradienten, der Stärke bzw. Dicke des Films, der Oberflächenspannung des Filmmaterials, dem Unterschied der Schallgeschwindigkeit des Filmmaterials und dem Substrat, den thermischen Leitfähigkeiten des Filmmaterials und des benachbarten Mediums und dem Unterschied in der Dichte zwischen dem Filmmaterial und dem benachbarten Medium, wie beispielsweise Luft. Beispielsweise ist die Schallgeschwindigkeit (bei einer akustischen Wellenlänge von ungefähr 1 μm) von Polystyrol 1250 m/s, von Polymethylmethacrylat 2150 m/s bzw. als Substrat verwendetem Silizium 8400 m/s; die thermische Leitfähigkeit von Polystyrol ist 0,16 W/mK, von Polymethylmethacrylat 0,20 W/mK und von Luft 0,034 W/mK; die Dichte von Polystyrol ist 0,987 g/m³, von Polymethylmethacrylat 1,116 g/m³ und von als Substrat verwendetem Silizium 2,33 g/m³; und die Oberflächenspannung von Polystyrol ist 0,03 N/m.
Wenn dies gewünscht ist, kann das Muster des Films auf ein anderes Substrat durch Verwendung von konventionell bekannten Ätztechniken übertragen werden, z.B. reaktive Ionen- oder chemische Ätzverfahren. Alternativ kann der gemusterte Film selbst in nachfolgenden Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise in einer Einrichtung, beispielsweise einer Diode, einem Transistor, einer Anzeigeeinrichtung oder einem chemischen, biologischen, medizinischen oder mechanischen Sensor oder einem Teil davon.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Substratoberfläche und/oder die Montageoberfläche relativ zueinander während wenigstens eines Zeitanteils bzw. Zeitabschnitts der Verfahrenszeit bewegt. Besonders können die Substratoberfläche und/oder die Montageoberfläche während des Formens (Musterns), Kühlens und/oder Nachwalzstufen des Verfahrens bewegt werden. Vorzugsweise werden die Substratoberfläche und/oder Montageoberfläche relativ zueinander bewegt während eines Zeitabschnitts, in dem der Film dem Temperaturgradienten ausgesetzt ist und das Materials des Films (z.B. das Polymer) verflüssigt wird. Dies erlaubt die Ausbildung von beispielsweise winkeligen bzw. abgewinkelten Texturen bzw. Strukturen relativ zur Substratoberfläche, welches beispielsweise für die Auslöschung von schillernden Effekten für Signalisierungsanwendungen wichtig sein kann.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird weiters eine Vorrichtung zum Herstellen eines gemusterten Films bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfaßt ein Substrat, welches eine Substratoberfläche zum Unterstützen bzw. Tragen des zu musternden Films aufweist; einen Temperaturgradienten-Generator zum Generieren bzw. Erzeugen eines Temperaturgradienten in einem Temperaturgradientenvolumen, wobei der Temperaturgradient eine Komponente aufweist, welche entlang einer normalen bzw. Normalrichtung der Substratoberfläche ausgerichtet ist, wobei das Temperaturgradientenvolumen wenigstens einen Volumsabschnitt bzw. -bereich beinhaltet, welcher sich von wenigstens einem Bereich bzw. Gebiet der Substratoberfläche in normaler Richtung darauf erstreckt. Um unnötige Wiederholungen von Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen/Eigenschaften zu vermeiden, ist anzumerken, daß Eigenschaften, welche vorher in Verbindung mit dem Verfahren entsprechend der Erfindung beschrieben wurden, auch in einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung angewendet werden können.
Das Substrat ist vorzugsweise ein planares bzw. ebenes und ungemustertes Substrat, z.B. eine Halbleiterscheibe oder eine Glasplatte. Jedoch können auch nicht planare und strukturierte Substrate eingesetzt bzw. verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Temperaturgradienten-Generator wenigstens erste und zweite Temperaturregel- bzw. -steuermittel, wobei die Temperaturregelmittel voneinander beabstandet sind, so daß das Substrat betrieblich bzw. operativ wenigstens teilweise dazwischen angeordnet ist, und das Temperaturgradientenvolumen wenigstens teilweise dazwischen definiert wird. In einer bevorzugteren Ausführungsform ist wenigstens eine Montageoberfläche gegenüber der Substratoberfläche bereitgestellt, wobei die ersten Temperaturregelmittel mit dem Substrat verbunden sind, während die zweiten Temperaturregelmittel mit der Montageoberfläche verbunden sind. Der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche kann vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 10 nm bis 5000 nm, bevorzugter von 50 nm bis 1000 nm, noch bevorzugter von 150 nm bis 600 nm sein.
Die Temperaturregelmittel werden geregelt bzw. gesteuert, um einen Temperaturgradienten zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche gegenüber der Substratoberfläche innerhalb des Bereichs von 10⁶ °C/m bis 10¹⁰ °C/m, bevorzugter 10⁷ °C/m bis 10⁹ °C/m zu erzeugen. Es gibt keine Begrenzungen betreffend das geometrische Design der Montageoberfläche. Vorzugsweise kann die gegenüber der Substratoberfläche bereitgestellte Montageoberfläche beispielsweise in Form einer Platte (oberen bzw. Deckplatte) entworfen sein. Jedoch kann die Montageoberfläche auch eine nicht planare Oberfläche sein. Insbesondere kann die Montageoberfläche eine gemusterte Oberfläche sein, welche eine Vielzahl von Vorsprüngen bzw. Erhebungen und Vertiefungen aufweist.
Der Temperaturgradienten-Generator kann angepaßt bzw. adaptiert sein, um wenigstens teilweise homogene und/oder wenigstens teilweise heterogene Temperaturgradienten zu generieren bzw. zu erzeugen, insbesondere Temperaturgradienten, welche sich seitlich über der Substratoberfläche verändern.
In einer anderen Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine der Substratoberfläche und/oder der Montageoberfläche mit topographischen Eigenschaften gemustert und/oder weist eine räumlich veränderliche bzw. variierende Oberflächenenergie und/oder eine räumlich veränderliche thermische Leitfähigkeit auf.
Der zu musternde Film und die gegenüberliegend bereitzustellende Montageoberfläche können beispielsweise durch einen Luftspalt getrennt werden, d.h. der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche kann beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Alternativ können der Film und die Montageoberfläche durch ein beliebiges gasförmiges, flüssiges oder festes Material getrennt werden. Beispielsweise kann ein Doppelschichtsystem von zwei festen Materialien verwendet werden, wo eine Schichten als der zu musternde Film wirkt, während der obere darauf überlagerte als benachbartes Medium dient. Bei Erhitzung bzw. -wärmung werden beide Schichten flüssig, während beide Schichten wiederum fest werden, wenn sie abgekühlt werden. Als ein Ergebnis wird eine Struktur oder ein Muster von jeweils einem Material in dem anderen Material erzielt bzw. erhalten.
Um die Phononenreflexion, wie später unten erklärt werden wird, zu steigern, kann es angebracht sein, dünne Goldschichten vorzusehen, welche eine Dicke bzw. Stärke im Bereich von z.B. 1 nm bis 100 nm auf beiden Oberflächen (Trennflächen) der ersten Schicht aufweisen, welche als der mit einem Muster zu versehende Film wirkt, so daß die Phononen, welche sich in der ersten Schicht des Doppelschichtsystems von zwei festen Materialien ausbreiten, viel besser an der Trennfläche der ersten Schicht/zweiten Schicht reflektiert werden. Die Goldschichten können auf die Substratoberfläche und dann auf die Filmoberfläche, in dieser Reihenfolge, aufgebracht bzw. abgeschieden werden. Alternativ kann zuerst die erste Schicht des Doppelschichtsystems, welches als der zu musternde Film wirkt, zwischen beiden Goldschichten eingeschlossen bzw. geschichtet werden und diese Zusammenstellung kann dann auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, bevor die zweite Schicht des Doppelschichtsystems auf die obere Goldschicht dieser Zusammenstellung aufgebracht wird. Die zweite Schicht des Doppelschichtsystems wiederum kann auf diese Zusammenstellung aufgebracht werden, bevor diese Zusammenstellung auf die Substratoberfläche aufgebracht wird. Ein derartiges Verfahren, welches ein Doppelschichtsystem verwendet, ist interessant für Anwendungen wie die Halbleiterindustrie, photovoltaische Anwendungen oder für die Vorbereitung von Photo dioden. Nach dieser Prozedur kann eines der beiden festen Materialien auch beispielsweise durch ein Ätzen oder Auflösen entfernt werden, um eine lithographische Maske zu erhalten.
Die Trenndistanz, d.h. der Abstand, kann während einer Anwendung bzw. eines Anlegens des Temperaturgradienten variiert werden. Zusätzlich kann das Längen- bzw. Seitenverhältnis des gemusterten Films bemerkenswert größer sein als das der (gemusterten) Montageoberfläche (der gemusterten Deckplatte). Um das Seitenverhältnis zu erhöhen, kann der Abstand zwischen der Montageoberfläche und der Substratoberfläche gesteigert bzw. erhöht werden, während der Film verflüssigt wird und der Temperaturgradient angelegt wird. Wenn nötig, kann der Temperaturgradient während der relativen Verschiebung der Substrat- und der Montageoberfläche verändert werden. In einer weiteren Ausführungsform können die Substrat- und die Montageoberfläche in einer Richtung parallel zur Montageoberfläche oder zur Substratoberfläche bewegt werden, während der Film verflüssigt wird und der Temperaturgradient angelegt wird, um einen gemusterten Film zu erhalten, der in einer oder zwei seitlichen Richtungen deformiert ist.
Wie oben erwähnt wird, kann der Temperaturgradient durch ein Einstellen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche auf zwei unterschiedlichen Temperaturen erhalten werden, welche durch die ersten und zweiten Temperaturmittel geregelt bzw. gesteuert werden. Die Temperaturregel- bzw. -steuermittel können beispielsweise Temperaturbäder, Heizungseinrichtungen oder Kühlungseinrichtungen oder andere konventionelle Temperatureinrichtungen sein, welche in der Technik bekannt sind. Alternativ kann wenigstens eine der Substratoberfläche und/oder der Montageoberfläche einer Strahlung von einer Strahlungsquelle ausgesetzt sein, d.h. Strahlung von einer Strahlungsquelle erhitzt bzw. erwärmt die Rückseite von wenigstens einer der Substratoberfläche und/oder der Montageoberfläche. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise ein Laser, eine Infrarotlampe oder eine beliebige andere intensive Strahlungsquelle sein. Die Strahlungsquelle kann in einem konstanten Modus betrieben werden, d.h. die Strahlungsquelle ist für eine längere Zeitperiode des Musterungsverfahrens eingeschaltet, so daß ein thermisches Gleichgewicht, d.h. ein konstanter Temperaturgradient, erreicht wird. Andererseits kann die Strahlungsquelle in einem gepulsten Modus betrieben werden, so daß ein Temperaturgradient nur für eine kurze Zeit eingestellt wird, um beispielsweise einen Temperaturunterschied zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche von 1000°C oder mehr zu erreichen, um dadurch augenblicklich den zu musternden Film zu destabilisieren. Die letzte Vorgangsweise bzw. Prozedur ist besonders vorteilhaft, wenn Filmmaterialien verwendet werden, welche einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, wie beispielsweise Metalle und Legierungen.
Die Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung kann während des Betriebs erhitzt oder gekühlt werden.
Die obigen Verfahren bzw. Prozesse und Vorrichtungen entsprechend der Erfindung können in einer Vielzahl von möglichen Anwendungen in der allgemeinen Kategorie von Nanomaßstabstrukturen verwendet werden, wie beispielsweise multigeschichtete Strukturen und dem Mustern von aktiven Materialien, wie auch "inerten" Substraten. Die zu musternden Materialien können inerte Materialien sein, z.B. chemisch inert, beispielsweise wo dies chemisch wiederstandsfähige Materialien sind, welche die Kanäle und Vertiefungen ausbilden, durch welche Chemikalien beispielsweise einfließen werden, in einer Biochipeinrichtung: oder z.B. elektrisch inert, d.h. Isolatoren in mikroelektronischen Schaltkreisen: oder sie können aktive Materialien sein, z.B. chemisch und/oder magnetisch und/oder optisch und/oder elektrisch aktiv, d.h. die "Elektronenträger-" und "Lochträger-" organischen Materialien, welche als die beiden Komponenten der Licht absorbierenden stromerzeugenden Strukturen einer organischen photovoltaischen Zelle verwendet werden.
Insbesondere könnte die vorliegende Erfindung vorteilhaft in den folgenden technischen Gebieten eingesetzt werden:

• Mikroelektronik, Mikrooptoelektronik, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), und mikrooptoelektromechanische Systeme (MOEMS).
• Biochips, insbesondere das Mustern von Substraten und anderen Materialien, z.B. Nährgels.
• Polymerphotonische Einrichtungen (besonders photovoltaische Zellen, Polymer-Photodioden, Bandlücken-Materialien, Optoelektronik, elektrolumineszente Materialien), besonders formende Materialien mit großen Brechungsindexdifferenzen und die vertikal gemusterte Trennschicht bilden für Polymer-Polymer-Photovoltaik-Materialien und Photodioden. Weiters könnte Belastung durch Selbstorganisation oder durch Feldunterstützung oder Platte(n) musterunterstütztes Mustern in Betracht gezogen werden.
• Antireflexions-Eigenschaften/Beschichtungen, insbesondere "abgestufte Brechungsindexeffekte" und "Licht-Irrgarten"-Effekte und die Fähigkeit hinterschnittene Strukturen herzustellen.
• Irisierende/Interferenzstrukturen, welche einfache Auslöseeigenschaften aufweisen: hoch irisierende bzw. schillernde Strukturen erfordern Lichtstrahlen, um konstruktiv nach einer Reflexion von vielfachen dünnen Platten zu interferieren, wobei diese Platten und deren Trennungen hoch periodisch und (für Effekte für sichtbares Licht) im Nanobereich sind, wobei die Länge (oder Tiefe) von derartigen Platten, um vielfache Wechselwirkungen von wenigstens einigen Gesichtspunkten zu erlauben, typischerweise eine Größenordnung oder vorzugsweise noch größer sein muß. Ein Herstellen derartiger Strukturen (auch "hochglänzende Rasterung" genannt) wurde nicht unter Verwendung konventioneller materialformender Techniken, wie z.B. Prägen, gezeigt, weil die Kombination des sehr feinen horizontalen Maßstabs des Musters und der vergleichsweise großen vertikalen Tiefe der Strukturen, welche benötigt werden, eine Formentfernung von dem sehr hohen Oberflächengebiet und seine sehr hohe Komponente in der (vertikalen) Formablöserichtung abzulösen, extrem schwierig machen, ohne eine Zerstörung sowohl an der Form wie auch der Rasterung zu verursachen. Die durch diese Erfindung vorgeschlagene Technik, welche Möglichkeiten zum Herstellen derartiger Strukturen in derartigen Maßstäben bietet, wo nur ein kleiner Abschnitt der Oberfläche (falls tatsächlich) in Kontakt mit der Form ist, umgeht diese Schwierigkeit und erlaubt es, daß derartige Strukturen mit Leichtigkeit hergestellt werden.
• Polarisation/Polarisationsdrehungsstrukturen, insbesondere mehrschichtige bzw. Multischichtstrukturen, welche unterschiedliche Materialien einschließlich Diazo verwenden.
• Antibenetzungsoberflächen und Oberflächenenergie/Oberflächenspannungsveränderungen, z.B. durch Mikrobohrungen (Lotusblätter): es wurde kürzlich demonstriert, daß eine Kombination von chemischen Eigenschaften, z.B. eine Verwendung von hydrophilen Materialien (für Oberflächen, welche anti-benetzt oder durch Wassertropfen gereinigt werden sollen) und Nanostrukturen, wie beispielsweise Gruben, Hügel und Grate von besonderer bzw. bestimmter Größe auf der Oberfläche, welche es erlauben Luft einzufangen und welche Schmutzpartikel von dem Großteil der Oberfläche fernhalten, wichtig für eine Herstellung von anti-benetzbaren und sogenannten "selbstreinigenden" Oberflächen ist: der Effekt wurde in der Natur in den Blütenblättern des Heiligen Lotusblatts durch Professor Barthlott und Mitarbeiter an der Universität von Bonn (siehe Planta, 1997, Vol. 202, Seiten 1–8) bemerkt. Das Verfahren entsprechend der Erfindung ist ideal geeignet, um die Musterung in derartigen Oberflächen zu erzeugen.
• Oberflächen mit erweiterter katalytischer Aktivität.
• Datenspeicherung
• Vertikale Übertragung von Signalen, z.B. optisch – Faserbündeleffekt: die Verwendung von faseroptischen Bündeln zum Übertragen von Signalen ist bekannt: weniger geschätzt wird, daß ein kohärentes Bündel ein Bild an seinem weiteren Ende anzeigen kann. Eine derartige Übertragung von entweder einfachen Signalen oder eines Vollbilds wird in Scheiben gesehen, welche rechtwinkelig zu den Fasern von natürlichen, hoch kohärenten Asbest ersetzenden Materialien, wie beispielsweise Ulexit, geschnitten werden, welches aus einem kohärenten Faserbündel besteht: der Effekt wurde auch künstlich in Glas durch Fiox Limited gezeigt. Die vorliegende Erfindung bietet einen Weg zum Herstellen eines Faserbündels, welches darüber hinaus ein kohärentes Fiberbündel wäre, mit einer optischen Übertragung vertikal zu der Ebene des Films, welcher gemustert wird.

Im Folgenden wird die Erfindung durch bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft erläutert, welche in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. In den Figuren:
zeigt 1 ein schematische Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Erzeugen bzw. Herstellen des gemusterten Films entsprechend der vorliegenden Erfindung;
zeigen 2a–2c schematisch eine säulenartige Struktur, welche wohl definierte Säulendurchmesser und Abstände zwischen den Säulen aufweist, wie dies in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erarbeitet bzw. entwickelt wurde;
zeigen 3a–3c schematisch eine säulenartige Struktur, die in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erarbeitet wurde, wobei eine Deckplatte verwendet wurde, welche topographisch gemustert ist;
zeigen 4a–4c schematisch eine säulenartige Struktur, wie sie in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erarbeitet wurde, wobei ein Substrat verwendet wurde, welches eine seitliche Abwandlung bzw. Variation in seiner Oberflächenenergie aufweist;
zeigt 5a eine schematische Darstellung des theoretischen Modells, welches dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, wobei J_q einen Wärme- bzw. Hitzefluß darstellt, und J_ph einen Phononenfluß darstellt;
ist 5b eine Kurve, welche die experimentell bestimmte Instabilitätswellenlänge λ verglichen mit den theoretischen Vorhersagen zeigt, wobei die Karos, Dreiecke und Kreise Polystyrolfilmen mit h = 96 nm, ΔT = 11°C; h = 80 nm, ΔT = 43°C, bzw. h = 100 nm , ΔT = 46°C entsprechen, während die Quadrate einen 92 nm dicken Polystyrolfilm repräsentieren, welcher auf ein mit Gold (100 nm) überzogenes bzw. beschichtetes Siliziumsubstrat (ΔT = 37°C) spinbeschichtet wurde, wobei die festen Linien theoretische Vorhersagen sind;
zeigen 6a–6c optische Mikrographen bzw. Mikrokurven von Polystyrol (PS) Filmen, welche nach einem Aussetzen an einen Temperaturgradienten erzielt wurden, wenn ein homogenes Feld angelegt wurden, wie dies in den Beispielen hierunter ausgeführt wurde; und
zeigen 7a–7c optische Mikrographen von Polystyrol (PS) Filmen, welche nach einem Aussetzen an einen Temperaturgradienten erzeugt wurden, wenn ein heterogenes Feld angelegt wurde, wie dies in den Beispielen hierunter ausgeführt wurde.
Andere Eigenschaften bzw. Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus dem Folgenden erkennbar.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zum Produzieren bzw. Herstellen des gemusterten Films entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in 1a gezeigt. Ein Film wird auf einem Substrat gebildet, welches einer Montageoberfläche in Form einer Platte (oberen bzw. Deckplatte) gegenüberliegt. In dieser besonderen Ausführungsform ist der Film ein Polymerfilm, der Film kann aber alternativ irgendein flüssiges oder festes Material sein. Das Substrat und die Montageoberfläche werden in thermischen Kontakt mit ersten und zweiten Temperaturregel- bzw. -steuermittel gebracht, welche während eines Betriebs einen Temperaturgra dienten zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche produzieren, welche in Form einer Deckplatte entworfen ist. Ein besonderes Medium ist zwischen dem Film und der Montagefläche anwesend, welches eine thermische Leitfähigkeit, Dichte oder Schallgeschwindigkeit aufweist, welche sich von der des Filmmaterials unterscheidet. Beispielsweise kann dieses Medium Vakuum, Luft oder jedes andere flüssige oder feste Material sein. Wie unten detaillierter erklärt wird, veranlaßt der Temperaturgradient den Film zum Bilden eines Musters. Vorzugsweise kann der Film ein organisches Polymer oder ein organisches Oligomer beinhalten. Beispielsweise kann der Film ein glasartiges Polymer beinhalten (z.B. Polystyrol), welches auf das Substrat spin- bzw. rotationsbeschichtet wurde. Vorzugsweise wird der Film verflüssigt, bevor und/oder während er dem Temperaturgradienten unterworfen wird. Wenn der Film ein glasartiges oder semi-kristallines Polymer ist, kann er beispielsweise bei Raumtemperatur flüssig sein und durch Erhitzen flüssig werden.
Wenn zwei unterschiedliche Temperaturen an die Substratoberfläche und die Montageoberfläche angelegt werden, wird der resultierende Temperaturgradient zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche einen thermomechanischen Druck an der Trennfläche zwischen dem Film und dem Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche induzieren, welcher letztlich den Film destabilisieren und über konkurrierende Kräfte dominieren wird. Der Film entwickelt eine Oberflächenwellenform mit einer wohl definierten Wellenlänge, wie dies in 2a gezeigt wird. Mit der Zeit steigen die Amplituden dieser Wellen, bis der Film die Montageoberfläche berührt (Deckplatte), wie dies in 2b gezeigt wird, wodurch eine säulenartige Struktur erzeugt wird, welche wohl definierte Säulendurchmesser und Zwischensäulenabstände aufweist. Durch Verfestigung des Filmmaterials, z.B. durch Kühlen, wird die Struktur erhalten bzw. konserviert, wie dies in 2c gezeigt wird. Die Säulendurchmesser und -abstände hängen jeweils von Parametern, wie der Temperaturdifferenz, der Stärke bzw. Dicke des Films, den thermischen Leitfähigkeiten des Filmmaterials und des benachbarten Mediums, den Dichten des Filmmaterials und des benachbarten Mediums und der Schallgeschwindigkeit des Filmmaterials und des Substratmaterials ab.
Die in 2a–2c beschriebene Ausführungsform stimmt mit einer seitlich homogenen, äußerlich angelegten Temperaturdifferenz überein. In einem seitlich heterogenen Temperaturfeld wird die thermomechanisch induzierte Instabilität des Films zusätzlich durch die seitlichen Temperaturgradienten modifiziert. Dieser Effekt kann dazu verwendet werden, um ein Master- bzw. Vorlagemuster auf eine laterale Struktur in dem Film zu replizieren. Zu diesem Zweck kann bzw. können die Substratoberfläche, die Montageoberfläche oder beide ein seitliches Muster aufweisen, d.h. die Substratoberfläche kann ebenfalls gemustert werden, entweder alternativ oder zusätzlich zu der Montageoberfläche. Derartige Muster können beispielsweise durch Elektronenstrahlätzen erzeugt werden. Eine derartige Ausführungsform ist in 3a gezeigt, wobei die Montageoberfläche durch eine Deckplatte ersetzt wird, welche topographisch gemustert ist. In diesem Fall veranlaßt die extern angelegte Temperaturdifferenz die Filmwellenform zu einem Fokussieren in der Richtung des stärksten Temperaturgradienten. Als ein Ergebnis bildet der Film ein Muster, welches mit der topographisch gemusterten Deckplatte übereinstimmt, wie dies in 3b gezeigt wird. Bei bzw. nach einem Verfestigen des Films wird die Struktur in dem Film beibehalten, wie dies in 3c gezeigt wird. Zusätzlich kann das Längen- bzw. Seitenverhältnis des gemusterten Films deutlich größer sein als das der gemusterten Platte. Um das Seitenverhältnis zu erhöhen, kann der Abstand zwischen der Montageoberfläche und der Substratoberfläche erhöht werden, während der Film verflüssigt wird und die Temperaturdifferenz angelegt wird. Wenn nötig, können die angelegten Temperaturen während der relativen Verschiebung der Montageoberfläche und der Substratoberfläche variiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform, wie in 4a gezeigt wird, wird das Substrat durch ein Substrat ersetzt, welches eine seitliche Variation in seiner Oberflächenenergie aufweist. Die seitliche bzw. laterale Variation in der Oberflächenenergie kann beispielsweise durch ein Mikrokontaktdrucken erzeugt werden. Danach wird der Film auf das Substrat aufgebracht. Wie in den anderen Ausführungsformen kann der Film verflüssigt werden und eine Temperaturdifferenz wird dann an das Substrat und die Deckplatte angelegt. Der Temperaturgradient resultiert in einer Instabilität des Films, wie oben beschrieben wurde. Die sich entwickelnden Oberflächenwellenformen richten sich hinsichtlich des Oberflächenenergiemusters des Substrats aus. Wie in 4b gezeigt wird, wird die so in dem Film erzielte bzw. erhaltene Struktur dann durch ein Verfestigen des Polymers erhalten bzw. bewahrt. Alternativ kann in anderen Ausführungsformen die Montageoberfläche eine seitliche Variation in der Oberflächenenergie entweder alternativ oder zusätzlich zu der Substratoberfläche aufweisen. Weiters können die Wärmeleitfähigkeiten entweder der Substratoberfläche und/oder der Montageoberfläche räumlich variieren. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine seitliche Variation in der Oberflächenenergie der Substratoberfläche oder der Montageoberfläche oder beiden und ein topographisches Muster auf der Substratoberfläche oder Montageoberfläche oder beiden zu haben.
Obwohl es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung in irgendeiner Weise theoretisch zu begrenzen, kann der Ursprung der Filminstabilität verstanden werden, wenn das Gleichgewicht von Kräften beachtet bzw. berücksichtigt wird, welche auf eine Polymer-Luft-Grenz- bzw. -Trennfläche wirken (siehe
5a). Die Oberflächenspannung γ minimiert das Polymer-Luft-Oberflächengebiet und stabilisiert den homogenen Polymerfilm. Der Temperaturgradient verursacht einen Fluß von thermischer Energie J_q in dem Polymerfilm und dem Luftspalt. Verbunden mit dem Fluß J_q ist ein Fluß von thermischen Erregungen, sogenannten Phononen (J_ph) zu niedrigeren Temperaturen, wie in 5a gezeigt ist. Aufgrund der unterschiedlichen akustischen Impedanzen der beiden Schichten wird ein Teil des Spektrums der Phononen, welche sich in dem Polymerfilm fortpflanzen, nahezu perfekt an der Flüssigkeit-Luft-Trennfläche reflektiert. Die Reflexionen der Phononen auf der Filmoberfläche führen zu einem Strahlungsdruck. Dieser Strahlungsdruck kann zusätzlich durch vielfache Reflexionen an den Film-Luft- und Film-Substrat-Trennflächen verstärkt werden. Der Strahlungsdruck p_r ist entgegengesetzt zu dem Laplace-Druck, der von der Oberflächenspannung stammt. Eine örtliche Störung der Filmstärke h resultiert in einem Druckgradienten, welcher einen Fluß bzw. Strom der Flüssigkeit in die Ebene des Films antreibt. Der Flüssigkeitsfluß neben einer festen Oberfläche ist durch eine Formel eines Poiseuille-Typs gegeben, welche zusammen mit einer Massenerhaltungsgleichung eine Differentialglei chung aufstellt, welche die zeitliche Antwort der Flüssigkeit beschreibt. Eine übliche Annäherung zum Untersuchen des Effekts von externen bzw. äußeren Kräften auf einen Flüssigkeitsfilm ist die lineare Stabilitätsanalyse. Eine kleine sinusförmige Störung wird auf einen andererseits flachen Film angewendet bzw. angelegt und seine Antwort wird mit Hilfe einer linearisierten Version der Differentialgleichung berechnet. Die resultierende Dispersions- bzw. Ausbreitungsrelation quantifiziert den Abfall bzw. das Abklingen oder die Verstärkung einer gegebenen Störungswellenlänge mit der Zeit. Die schnellste verstärkte Mode ist gegeben durch:
λ_m ist die Wellenlänge der Mode und stimmt mit der Auflösung des gebildeten Musters überein, p_r ist eine Funktion des Temperaturgradienten, der thermischen Leitfähigkeit des Polymers und den Schallgeschwindigkeiten des Polymers und des Substrats. h ist die Stärke des Films. Die Linien in 5b zeigen λ_m als eine Funktion des Wärme- bzw. Hitzeflusses J_q für vier verschiedene Parametersätze. Die Symbole sind das Ergebnis von Experimenten. Eine ähnliche Gleichung quantifiziert die charakteristische Zeit τ_m für die Bildung der Instabilität. Die in 5b gezeigten experimentellen Daten werden weiter unten beschrieben werden.
Der Ausdruck für λ_m kann weiter ausgedrückt werden als:
k₀ und k_p sind die thermischen Leitfähigkeiten von Luft bzw. Polymer, ΔT ist die Temperaturdifferenz, welche zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche gegenüber der Substratoberfläche angelegt wird, γ ist die Polymer-Luft-Oberflächenspannung, u_p ist die Schallgeschwindigkeit in dem Polymer und Q ist ein Gütefaktor, welcher auf die Einzelheiten der Phononenreflexion entfällt. Die Filmstärke bzw. -dicke ist h und der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche gegenüber der Substratoberfläche ist d.
Im allgemeinen zeigt die Gleichung an, daß keine Eigenschaften ausgebildet werden ohne das Vorhandensein einer Temperaturdifferenz ΔT. Sie zeigt auch an, daß die Auflösung des Musters beliebig klein ist, weil im Prinzip d, h und ΔT beliebig geregelt bzw. gesteuert werden können. Beispielweise können Hitze bzw. Wärme isolierende Abstandhalter verwendet werden, um den Abstand d präzise zu kontrollieren. Der Temperaturgradient überschreitet wenigstens teilweise 10⁶ °C/m, bevorzugter 10⁷ °C/m. Der Temperaturgradient liegt innerhalb des Bereichs von 10⁶ °C/m bis 10¹⁰ °C/m, bevorzugter 10⁷ °C/m bis 10⁹ °C/m.
Während die Topographie des Films spontan auftritt, wird eine Regelung der seitlichen Struktur durch ein laterales Variieren der Montageoberfläche erzielt, beispielsweise durch ein räumliches Variieren der Oberflächenenergie, durch räumliches Variieren der thermischen bzw. Wärmeleitfähigkeit der Montageoberfläche, wie beispielsweise durch ein Mustern der Deckplatte mit topographischen Eigenschaften, oder durch räumliches Variieren der thermischen Leitfähigkeiten entweder der Substratoberfläche und/oder der Montageoberfläche. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Montageoberfläche, welche gegenüber der Substratoberfläche bereitgestellt ist, als eine (Deck) Platte entworfen. In einer bevorzugteren Ausführungsform kann die obere bzw. Deckplatte durch eine topographisch gemusterte Mustervorlage ersetzt werden (siehe 3a–3c). Da die thermomechanischen Kräfte für kleinste Abstände d am stärksten sind, ist die Zeit zum Ausbilden der Instabilität viel kürzer für kleinere Werte von d. Als eine Folge ist die entstehende Struktur in dem Film zu der Struktur der Montageoberfläche (Deckplatte) fokussiert. Dies führt zu einer Replikation bzw. Nachbildung der Mustervorlage.
Im allgemeinen nützt die vorliegende Erfindung die Verwendung von thermomechanischen Kräften aus, um auf eine Grenze von unterschiedlichen thermischen bzw. Wärmeleitfähigkeiten zu wirken. Wenn der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche, welche gegenüber der Substratoberfläche vorgesehen ist, klein genug gewählt wird, insbesondere < 1 μm, sind kleine Temperaturdifferenzen ΔT im Bereich von 10°C bis 100°C, insbesondere 20°C bis 40°C, noch genauer ungefähr 30°C ausreichend, um Hochtemperaturgradienten in dem Film zu erzeugen. Dies resultiert in starken Drücken, welche auf die Filmoberfläche wirken (ungefähr ~ 10 kN/m²). Diese Kräfte verursachen das Aufbrechen des Films. Für seitlich homogene Temperaturen weist die Filminstabilität eine charakteristische Wellenlänge auf, welche eine Funktion des Temperaturgradienten und der Differenz in den thermischen Leitfähigkeiten des Films und des besonderen bzw. speziellen Mediums ist, welches der Abstand d, d.h. beispielsweise den Luftspalt, füllt. Dies kann durch eine lineare Stabilitätsanalyse gut beschrieben werden. Wenn die Substratoberfläche oder die Montageoberfläche, welche gegenüber der Substratoberfläche vorgesehen ist, durch ein gemustertes Vorlagenmuster bzw. einen gemusterten Master ersetzt wird, wird die Struktur durch den Film nachgebildet. Wie in den experimentellen Ergebnissen unten beschrieben wird, kann die laterale bzw. seitliche Länge bis zu 500 nm verkleinert werden. Vorteilhafterweise sind durch die vorliegende Erfindung die Ausdehnung bzw. Erstreckung zu seitlichen Längenmaßstäben von weniger als 100 nm und Seitenverhältnissen größer als 1 erzielbar.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele illustriert werden.
Homogene Felder
Ein dünner Polymerfilm von Polystyrol (PS), welcher eine Dicke H aufweist, wurde von einer Lösung auf eine höchst polierten Siliziumwafer spinbeschichtet, welcher als ein Substrat dient. Nachfolgend wurde eine Montageoberfläche gegenüberliegend zu dem Substrat bereitgestellt, indem ein anderer Siliziumwafer als eine gegenüberliegende Deckplatte unter einem Abstand d (Abstand bzw. Zwischenraum d) montiert wurde, welche einen dünnen Luftspalt hinterließ. Diese Zusammenstellung wurde auf einer Heizplatte plaziert, die auf 170°C eingestellt ist, und ein gekühlter Kupferblock, dessen Temperatur auf 127°C gehalten wurde, wurde auf die Spitze der Zusammensetzung gesetzt, wodurch eine Temperaturdifferenz ΔT = 43°C aufgebaut wurde. Beide Temperaturen waren oberhalb der Glasübergangstemperatur des verwendeten Polymers (T_g). Um den Luftspalt sicherzustellen, wies die obere bzw. Deckplatte eine kleine Stufe auf. Indem eine keilförmige Geometrie verwendet wurde, wurde Werte von d im Bereich von 150 nm bis 600 nm auf diese Weise erzielt. Die Temperaturdifferenz ΔT und die Geometrie der Zusammenstellung bzw. Anordnung bestimmten den Temperaturgradienten in dem Polymerfilm. Die thermomechanische Antriebskraft steigt mit dem Temperaturgradienten. Sie steigt mit sinkenden Werten von d und ansteigender Polymerdicke h. Die Temperaturdifferenz kombiniert mit dem kleinen Abstand zwischen dem Substrat und der Deckplatte (d < 1 μm) führt zu hohen Temperaturgradienten (~ 10⁸ °C/m). Nach einer Aushärtungs- bzw. Anlaßzeit von einigen Stunden wird das Polymer durch ein Abschrecken unter Tg immobilisiert bzw. erstarrt, die Montageoberfläche wird mechanisch entfernt, und die Morphologie des Polymerfilms wurde durch optische und Atomkraftmikroskopie (AFM) untersucht.
Die Ergebnisse des Experiments sind in 6a–6c gezeigt, welche optische Mikrographen von Polystyrol (PS) Filmen sind, welche an einen Temperaturgradienten ausgesetzt wurden. In 6a und 6b wurde ein 100 nm dicker PS-Film für 18 h gehärtet, während welcher das Substrat und die Montageoberfläche auf 170°C bzw. 124°C gehalten wurden, entsprechend ΔT = 46°C. In 6a war der Abstand d = 345 nm, während in 6b der Abstand d = 285 nm war. 6a und 6b stimmen jeweils mit den frühen und späten Stadien bzw. Stufen der Instabilität überein. Zusätzlich zu säulenartigen Strukturen werden auch streifenähnliche Morphologien, wie in 6c gezeigt wird, für einen 110 nm dicken PS-Film mit einem Abstand von d = 170 nm und einer Temperaturdifferenz ΔT = 54°C beobachtet.
Die Morphologie weist in allen drei Bildern einen wohl definierten Seitenlängenmaßstab auf. Die Wellenlänge λ ist eine Funktion eines Temperaturgradienten, welcher umgekehrt mit dem Abstand d zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche variiert. Die seitlichen Strukturabmessungen wie auch die Plateauhöhe wird leicht mit dem Atomkraftmikroskop vermessen, welche λ als eine Funktion des Wärme- bzw. Hitzeflusses Jq ergibt. Die Morphologien in 6 zeigen eine stochastische Verteilung und keine Ordnung. In 5b ist λ als eine Funktion von J_q für vier Polystyrolproben aufgezeichnet, mit h = 96 nm und ΔT = 11°C, h = 80 nm und ΔT = 43°C, und h = 100 nm und ΔT = 46°C, bzw. h = 92 nm und ΔT = 37°C jeweils für die Rauten, Dreiecke, Kreise und Quadrate. Die Linien stimmen mit den Vorhersagen von Gl. (2) mit keinen einstellbaren Parametern überein. Für die Proben, welche durch die Quadrate dargestellt werden, wurde der als Substrat verwendete Siliziumwafer mit einem 200 nm dicken Goldfilm vor der Abscheidung des Polymerfilms beschichtet. Dies führt zu einem Ansteigen im Q-Faktor in Gl. (2) und in der Folge zu kleineren Werten von λ, verglichen mit den Rauten, Kreisen und Dreiecken. Für eine gegebene Filmdicke h ist die charakteristische laterale Struktur invers bzw. umgekehrt zu dem Hitzefluß J_q bemessen.
Heterogene Felder
Gemusterte Montageoberflächen in Form von gemusterten oberen bzw. Deckplatten wurden gegenüber einem Polystyrolfilm (h = 106 nm) montiert bzw. angeordnet. Dann wurde der Film einer Temperaturdifferenz von ΔT = 37°C ausgesetzt, gefolgt von einer Härtungszeit von 20 h. Um sicherzustellen, daß kein Polymer auf dem Master bzw. der Mustervorlage nach dem Abbau verbleibt, kann die Deckplatte nicht polar gereinigt werden, z.B. durch Abscheiden einer selbst aufgebauten Alkan-Monoschicht. 7a–7c zeigen optische mikroskopische Bilder, welche Anordnungen von Hexagonen mit Periodizitäten von 2 mm (7a), 4 mm (7b) und 10 mm (7c) zeigen, welche die Silizium-Mastermuster replizieren bzw. wiedergeben. Der Abstand d war 160 nm in 7a, 214 nm in 7b, 220 nm in 7c bzw. 155 nm in 7d. Die Einfügung bzw. der Einsatz in 7a zeigt ein höher vergrößertes Atomkraft-Mikroskopbild von 7a. In 7d wurde die Deckplatte auf eine höhere Temperatur erhitzt (T = 189°C) als das Substrat (T = 171°C), welches von einem 65 nm dicken Polystyrolfilm bedeckt war. Das kreuzweise schraffierte Muster besteht aus 500 nm breiten und 155 nm hohen Linien. Die Einfügung ist ein höher vergrößertes Atomkraft-Mikroskopbild. Die hohe Qualität der Nachbildung erstreckte sich über das gesamte 100 × 100 mm² Gebiet, welches von dem Vorlagenmuster-Muster für alle 4 Bilder abgedeckt wurde.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines gemusterten bzw. strukturierten Films, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Substrats, das eine Substratoberfläche aufweist, um den zu bemusternden bzw. mit einem Muster zu versehenden Film zu unterstützen, (b) Abscheiden von wenigstens einem Film, enthaltend ein thermisch leitfähiges Material auf der Film abstützenden Oberfläche, und (c) Aussetzen dieses wenigstens einen Films wenigstens einem Temperaturgradienten in dem Bereich von 10⁶ °C/m bis 10¹⁰ °C/m in einer derartigen Weise, um Kräfte in dem Film zu generieren bzw. zu erzeugen, welche einen Massentransfer in dem Film bewirken, um dadurch ein dreidimensionales Muster in dem Film auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Temperaturgradient erzeugt wird, indem die Substratoberfläche und wenigstens eine Montageoberfläche, die gegenüberliegend der Substratoberfläche vorgesehen wird, in thermischen Kontakt mit wenigstens ersten und zweiten Temperatursteuer- bzw. -regelmitteln gebracht werden, die auf unterschiedliche Temperaturen festgelegt bzw. eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Abstand bzw. Zwischenraum zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche innerhalb des Bereichs von 10 nm bis 5000 nm, bevorzugter 50 nm bis 1000 nm liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, weiters umfassend den Schritt eines Verflüssigens des Films vor und/oder während eines Aussetzens an einen Temperaturgradienten in Schritt (c).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, weiters umfassend den Schritt eines Verfestigens des Films nach Schritt (c).
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin die Filmdicke innerhalb des Bereichs von 10 nm bis 1000 nm, bevorzugter 50 nm bis 250 nm liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin der Film ein organisches Polymer oder ein organisches Oligomer enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin der zu bemusternde Film aus einer Einzelschicht besteht oder eine Mehrzahl von Schichten umfaßt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin der Temperaturgradient räumlich gesteuert bzw. geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin die Oberflächenenergie von einer aus der Substratoberfläche und der Montageoberfläche räumlich gesteuert bzw. geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin die Substratoberfläche und/oder die Montageoberfläche relativ zueinander für wenigstens einen Teil der Zeit, während welcher der Film dem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, bewegt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, worin ein elektrischer, magnetischer, elektromagnetischer, mechanischer und/oder Verdampfungs-Effekt auf dem Film angewandt wird, um das Muster bildende Verfahren zu unterstützen.
Vorrichtung zum Herstellen eines gemusterten bzw. strukturierten Films, wobei die Vorrichtung umfaßt ein Substrat, welches eine Substratoberfläche, um den zu bemusternden bzw. mit einem Muster zu versehenden Film zu unterstützen, und wenigstens eine Montageoberfläche aufweist, die gegenüberliegend der Substratoberfläche vorgesehen ist; einen Temperaturgradienten-Generator, um einen Temperaturgradienten in einem Temperaturgradientvolumen zu erzeugen, wobei der Temperaturgradient eine Komponente aufweist, die entlang einer normalen Richtung der Substratoberfläche ausgerichtet ist, worin – das Volumen des Temperaturgradienten wenigstens einen Volumensbereich beinhaltet, der sich von wenigstens einer Fläche bzw. einem Gebiet der Substratoberfläche in der normalen Richtung derselben erstreckt, – der Generator bzw. die Erzeugungseinrichtung des Temperaturgradienten wenigstens erste und zweite Temperatursteuer- bzw. -regelmittel umfaßt, wobei die ersten Temperatursteuer- bzw. -regelmittel mit dem Substrat verbunden sind, die zweiten Temperatursteuer- bzw. -regelmittel mit der Montageoberfläche verbunden sind, die Temperatursteuer- bzw. -regelmittel voneinander beabstandet sind, so daß das Substrat operativ wenigstens teilweise dazwischen angeordnet ist, und das Volumen des Temperaturgradienten wenigstens teilweise dazwischen definiert ist, – der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche innerhalb des Bereichs von 10 nm bis 5000 nm liegt, und – die ersten und zweiten Temperatursteuer- bzw. -regelmittel ausgelegt sind, um einen Temperaturgradienten zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche, die gegenüberliegend der Substratoberfläche zur Verfügung gestellt ist, innerhalb des Bereichs von 10⁶ °C/m bis 10¹⁰ °C/m zu erzeugen bzw. zu generieren.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin der Abstand zwischen der Substratoberfläche und der Montageoberfläche innerhalb des Bereichs von 50 nm bis 1000 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, worin der Generator des Temperaturgradienten adaptiert ist, um wenigstens teilweise homogene und/oder wenigstens teilweise heterogene Temperaturgradienten zu generieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, worin wenigstens eine aus der Substratoberfläche und der Montageoberfläche mit topographischen Merkmalen gemustert ist und/oder eine räumlich variierende Oberflächenenergie und/oder eine räumlich variierende thermische Leitfähigkeit aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, worin das Substrat ein Halbleiterwafer, insbesondere ein Siliziumwafer ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, worin Mittel zum Aufbringen bzw. Anwenden von elektrischen, magnetischen, elektromagnetischen, mechanischen und/oder Verdampfungs-Effekten auf dem Film zur Verfügung gestellt sind, um das Muster bildende Verfahren zu unterstützen.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 13, um einen gemusterten Film nach einem der Ansprüche 1 bis 12 herzustellen.