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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Drucken und im
Besonderen Verfahren und Stempel zum Übertragen von Mustern auf ein
Substrat in Gegenwart eines dritten Mediums.
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Das
Drucken dünner
Schichten von Druckfarbe oder anderem Material von einer strukturierten
Oberfläche
ist in der Druckindustrie wohl bekannt. Druckprozesse wurden ursprünglich zum
Austauschen und Speichern von Informationen entwickelt, die an die
optische Wahrnehmung des Menschen angepasst sind. Hierfür sind typischerweise
Muster- und Überlagerungsgenauigkeiten
mit einer Auflösung
von bis zu 20 µm
erforderlich, um eine einwandfreie Wiedergabe zu erhalten. Druckprozesse
sind auch für
andere Formen der Strukturierung eingesetzt worden. Zum Beispiel
wurde der Offsettiefdruck zur Herstellung von 50 µm breiten
Leiterbahnen auf Keramiksubstraten und zur Strukturierung von Dünnschichttransistoren
für preiswerte
Bildschirme eingesetzt. Der Offsetdruck ist zur Fertigung von Kondensatoren
und bis zu 25 µm
schmalen Metallleiterbahnen eingesetzt worden. Zudem stellen Leiterplatten
und Gehäuse
für integrierte
Schaltungen verbreitete Siebdruckanwendungen in der Elektronikindustrie
dar. Hierzu siehe zum Beispiel B. Michel et al., IBM J. Res. Develop.
45, 697 (2001) und darin angegebene Literaturstellen.
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Ein
weiterer herkömmlicher
Druckprozess ist unter der Bezeichnung Flexodruck bekannt. Beim
Flexodruck wird eine viskose Druckfarbe auf durchlässige Materialien
wie beispielsweise poröses
Papier, durchlässigen
Kunststoff und Ähnliches
gedruckt. Der Flexodruck ist ein Rotationsdruckverfahren, bei dem
Bildplatten mit elastischem Relief zum Drucken von Bildern auf solchen
Materialien verwendet werden, die durch Offset- oder Tiefdruckprozesse
nur schwer bedruckbar sind. Beispiele für solche Materialien sind Pappe,
Kunststofffilme und -substrate. Aus diesem Grunde ist der Flexodruck
in der Verpackungsindustrie weit verbreitet. Für gewöhnlich verhindert die viskose
Druckfarbe den direkten Kontakt des Stempels mit dem Substrat, da
dieses während
schneller Druckvorgänge
nicht schnell genug weitergeschoben werden kann. Normalerweise ist
die Übertragung
einer dicken Schicht von Druckfarbe erwünscht. Dadurch wird jedoch
die Nachbildung klein dimensionierter Merkmale mit typischerweise
weniger als 20 µm
verhindert. Hierzu siehe zum Beispiel H. Kipphan, „Handbuch
der Printmedien",
Springer, Berlin, 2000, und J.M. Adams, D.D. Faux und J.J. Rieber, „Printing Technology
4th Ed.", Delamare
Publishers, Albany, New York.
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Beim
Mikrokontaktdruck wird ein ähnlicher
Stempel wie beim Flexodruck verwendet, jedoch wird dabei normalerweise
eine Monoschicht Druckfarbe auf eine undurchlässige Oberfläche übertragen.
Zum Drucken von Thiolen und anderen Chemikalien auf eine Reihe von
Oberflächen
ist ein allgemeinerer Prozess mit der Bezeichnung Softlithografie
verwendet worden. Normalerweise werden die Chemikalien zunächst in
Form von Lösungen
in einem flüchtigen
Lösemittel
oder über
ein Kontaktstempelkissen auf den Stempel aufgebracht. Nach dem Aufbringen
der Druckfarbe und dem Trocknen befinden sich die Moleküle in der
Masse des Stempels und an dessen Oberfläche in einem „trockenen" Zustand. Die Moleküle werden
durch mechanischen Kontakt übertragen.
Der Stempel besteht normalerweise aus Polydimethylsiloxan (PDMS).
Hierzu siehe zum Beispiel B. Michel et al., „Printing meets lithography", IBM J. Res. Develop.,
45 (5), 697 (2001).
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Die
Mikrokontaktbearbeitung, die Softlithografie und der Flexodruck
gehen mit einem lokal definierten, engen Kontakt ohne Lücken zwischen
Stempel und Substrat einher. Dies ist im Allgemeinen als konformer Kontakt
bekannt. Der konforme Kontakt umfasst eine makroskopische Anpassung
an die Form des Substrats und eine mikroskopische Anpassung einer
weichen Polymerschicht an eine raue Oberfläche.
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Die
Mikroarraytechnologie lässt
eine Beschleunigung der Genanalyse erwarten. Mikroarrays sind Miniaturanordnungen
von Genfragmenten oder Proteinen, die auf Glaschips angebracht oder
abgelagert sind. Diese so genannten „Biochips" erweisen sich bei der Untersuchung
der Genaktivität
und der Erkennung von Genmutationen als nützlich. Üblicherweise wird eine Hybridisierungsreaktion
zwischen Sequenzen auf dem Mikroarray und einer fluoreszierenden
Probe verwendet. Auf ähnliche
Weise können über proteinspezifische Fängermoleküle Proteinmarker,
Viren und Proteinexpressionsprofile ermittelt werden. Nach der Reaktion
wird der Chip unter Verwendung von Fluoreszenzdetektoren ausgelesen.
Die Intensität
fluoreszierender Punkte auf dem Chip wird quantifiziert. Der Bedarf
an Mikroarrays und Techniken zur Fertigung von Mikroarrays steigt. Herkömmliche
Verfahren zur Strukturierung biologischer Moleküle auf Biochips werden zum
Beispiel von M. Schena in „Micro
array Biochip Technology",
Eaton Publishing, Natick, MA (2000), beschrieben. Bei einem ersten
herkömmlichen
Verfahren wird eine Oberfläche
wie folgt sequenziell mit Verbindungen behandelt: Pipettieren mit
einem Pipettierroboter oder durch kapillare Drucktechnik; Tröpfchendosieren
mit einem Farbstrahl; oder Strukturieren mit einem Pin Spotter.
Bei einem zweiten herkömmlichen
Verfahren wird eine Oberfläche parallel
mit Molekülen
strukturiert, wodurch die Fertigungskosten verringert werden. Bei
der Implementierung des zweiten Verfahrens können Mikrofluidnetze, Kapillararraydruck
oder Mikrokontaktbearbeitung eingesetzt werden.
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Das
Drucken von biologischen Molekülen
und wasserlöslichen
Katalysatoren unter Verwendung herkömmlicher Verfahren funktioniert
nicht immer, ist schwer reproduzierbar und liefert unterschiedliche
Ergebnisse. Das wiederholte Erzeugen homogener Drucke mit hoher
Ausbeute über
große
Flächen
ist sehr schwierig, insbesondere, wenn die Moleküle permanente Hydratisierung
erfordern. Hierzu siehe zum Beispiel A. Bernard et al., „Micro
contact Printing of Proteins",
Adv. Mater. 2000 (12), 1067 (2000). Viele biologische Moleküle müssen mindestens
teilhydratisiert sein. Außerdem
funktionieren viele biologische Prozesse nur, wenn eine Flüssigkeit
vorhanden ist, die für
Beweglichkeit sorgt. Wenn Moleküle
in strukturierter Form auf einer Oberfläche selektiv chemische Reaktionen
durchführen
sollen, ist es wünschenswert,
die Moleküle
an Ort und Stelle zu fixieren, um eine Unschärfe des Musters durch ein sich
Ausbreiten der Moleküle
zu vermeiden. Beim katalytischen Drucken wäre es deshalb wünschenswert,
die Moleküle
zu fixieren, damit sie nur dort an die Oberfläche gelangen können, wo
dies erwünscht
ist. Es sollte eine eingeschränkte
Beweglichkeit ermöglicht
werden, damit die Moleküle
effektiv reagieren können,
ohne zu entweichen. Damit eine Chemisorptionsreaktion zustande kommt,
treffen biologische Moleküle
vorzugsweise während
sie in eine Wasserschicht eingetaucht sind auf das Substrat. Da
Chemisorptionsreaktionen von Proteinen nicht selektiv sind und auf
dem Substrat viele Ankergruppen vorhanden sein können, sind die Anforderungen
an die Beweglichkeit geringer. Bei Molekül-Molekül-Wechselwirkungen ist eine
Kontrolle über
die Hydratisierung wünschenswert.
Eine Möglichkeit,
unter Umgehung des Eintauchens in Wasser das Trocknen zu vermeiden,
besteht darin, in gesättigter
Luft zu arbeiten. Bei vielen Druckvorgängen ist dies hilfreich. Der
Feuchtigkeitsgehalt lässt
sich jedoch nur schwierig regeln. Moleküle können durch Adhäsion miteinander
wechselwirken, die durch einen Adhäsionssensor ermittelt werden
kann, der zum Beispiel in der Europäischen Patentanmeldung
EP 0 962 759 A1 beschrieben
wird. Zum Beispiel können
ein Antikörper
und sein dazu passendes Antigen miteinander wechselwirken. Desgleichen kann
ein DNA-Oligomer mit seinem komplementären Oligomer hybridisieren.
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Weitere
Drucktechniken beinhalten die Ultraviolettlithografie (UV-Lithografie)
bzw. das UV-Formen. Bei solchen Verfahren wird ein strukturiertes
Glasoriginal in ein flüssiges
Vorpolymerisat gedrückt.
Das Vorpolymerisat wird dann durch Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet und
verfestigt. Hierzu siehe zum Beispiel M. Colburn et al., „Patterning
nonflat substrates with a low pressure, room temperatur imprint
process", J. Vac. Sci.
Technol. B 6, 2161 (2001). Nach dem Ablösen stellt das im Polymer gebildete
Muster eine Kopie des Originals dar. Es ist jedoch schwierig, ein
solches Polymer auf große
Flächen
zu verteilen, um ein Muster mit einwandfreier Genauigkeit zu erhalten.
Normalerweise bleibt eine Restschicht zurück. Die Verwendung eines identisch
strukturierten elastomeren Stempels anstelle von Glas liefert eine ähnliche
Nachbildung, wobei lediglich die beiden folgenden Unterschiede auftreten.
Erstens zeigten Versuche, dass in vorspringenden Bereichen des Stempels,
in denen das Polymer bis hinunter zur Oberfläche verdrängt werden musste, lokale kuppelförmige Vorsprünge von
eingeschlossenem Material gefunden wurden. Zweitens wurden Dickeschwankungen
an den aus den Vertiefungen des Stempels geformten Merkmalen beobachtet. Üblicherweise
war die Stärke
jedes Merkmals in dessen Mitte geringer. Die Tiefe der Absenkung
war der auf den Stempel einwirkenden Belastung proportional. Hierzu
siehe z. B. Bietsch und Michel, „Conformal contact and pattern
stability of stamps used for soft lithography", J. Appl. Phys. 88, 4310 (2000); Johnson, „Contact
Mechanisms", Cambridge
University Press, Cambridge (1985) sowie S.P. Timoshenko und J.N.
Goodier, „Theory
of Elasticity",
Mc-Graw-Hill, New York. Formeln für die Verteilung von Flüssigkeiten
können
aus der Lubrikationstheorie abgeleitet werden. Hierzu siehe zum
Beispiel A. Cameron, „Basic
Lubrication Theory",
Wiley, New York (1981).
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In
der Gelelektrophorese werden Hydrogele verwendet. Da Hydrogele flexibel
sind, werden sie auch als Stempelmaterial zum Drucken von biologischen
Molekülen
verwendet. Hierzu siehe zum Beispiel D. Brett et al., Langmuir 14,
3971 (1998) und Langmuir 16, 9944 (2000); M.A. Markowitz et al.,
Appl. Biochem. and Biotechnol. 68, 57 (1997). Hydrogele bestehen überwiegend
aus Wasser, das leicht durch eine Hydrogelmatrix diffundiert. Somit
werden durch Hydrogele Probleme vermieden, die mit dem Drucken auf
PDMS-Basis verbunden sind. Hydrogelstempel verändern jedoch durch Trocknen
oder wenn sie Wasser ausgesetzt werden ihr Volumen. Ferner können sich
Moleküle
zwischen Vorsprüngen
des Stempels ausbreiten. Die Eignung von Hydrogelstempeln zum parallelen
Drucken von verschiedenen Molekülen
mit guter Lagegenauigkeit und klarer Trennung zwischen den Punkten
muss jedoch noch bewiesen werden.
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Sowohl
das Drucken von biologischen Molekülen von einem Affinitätsstempel
mit Katalysatoren als auch das Drucken von hydrophilen Molekülen von
einem hydrophilisierten PDMS-Stempel auf ein Substrat konnten auf
Forschungsebene gezeigt werden, jedoch ist deren industrielle Anwendung,
bei der die flächige Übertragung
auf große
Oberflächen
erwünscht
ist, schwieriger zu realisieren. Die Schwierigkeit ergibt sich daraus,
dass von dem zur Hydratisierung, Chemisorption oder Hybridisierung
erforderlichen dritten Medium entweder nicht genug oder zuviel vorhanden
ist, wobei durch Letzteres der enge Kontakt und die Übertragung verhindert
wird. Unter dem dritten Medium ist im vorliegenden Zusammenhang
ein allgemeiner Ausdruck für ein
Medium zu verstehen, das als Träger
für andere
Komponenten dient. Je nach Anwendungsfall kann das dritte Medium
ein Gas, Wasser, ein Lösemittel
oder ein Polymer sein. Hierzu siehe zum Beispiel A. Bernard et al., „Affinity
capture of proteins from solution and their dissociation by contact
printing", Nature
Biotechnol. 19, 866 (2001).
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Ein
drittes Medium in Form von Wasser zum Anfeuchten kommt beim Offsetdruck
von viskosen Druckfarben auf undurchlässige Substrate vor. Hierzu
siehe zum Beispiel J.M. Adams, D.D. Faux und J.J. Rieber, „Printing
Technology 4th Ed.",
Delamare Publishers, Albany, New York, 1996. Beim Offsetdruck wird
für gewöhnlich ein
Druckzylinder mit einer Druckfläche
aus Gummi verwendet. Vor dem Aufbringen der Druckfarbe wird die
Oberfläche
befeuchtet. Dabei wird eine dünne
Schicht von Detergens enthaltendem Wasser auf die Druckfläche übertragen.
Das Detergens verringert die Oberflächenspannung des Wassers. Die
Wasserschicht bedeckt die Oberfläche,
kann jedoch durch das Aufbringen von strukturierter Druckfarbe verdrängt werden. Eine
Wasserschicht verbessert die Genauigkeit bei Druckprozessen, bei
denen Informationen auf einem Original als Benetzbarkeitsmuster
vorliegen. Die Wasserschicht verhindert das Eindringen und Anhaften
von Druckfarbe in Druckfarbe abweisende Bereiche. Beim Übertragen
von der Druckfläche
auf das Papier wird das Wasser in das Fasernetz des Papiers aufgesogen
und das Papier somit getrocknet. Dieser Prozess läuft auf undurchlässigen Materialien
nicht ab. In solchen Fällen
rutscht der Gummi der Druckfläche über die
Wasserschicht, und das Muster wird verwischt. Eine herkömmliche
Lösung
dieses Problems besteht darin, dass die zu bedruckende Oberfläche aufgeraut
und hydrophilisiert wird. Durch Steuerung der Dicke der Wasserschicht kann
der Flüssigkeitstransport über große Flächen verhindert
werden. Dadurch wird die Notwendigkeit von Kapillarkanälen vermieden,
die beim Drucken von Bildern hinderlich sind. Durch das Aufrauen
wird auch der Strömungswiderstand
in Sickerkanälen
und somit die Druckgeschwindigkeit bestimmt. Beim Aufrauen entsteht eine
statistische Verteilung von Erhebungen und Mulden. Diese wiederum
bilden einen ungehinderten Sickerpfad zwischen größeren Bereichen.
Der statistische Prozess ist jedoch ungeeignet, da er auch zur Entstehung vieler
nicht verbundener Kapillarpfade führt.
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Ein
drittes Medium beeinflusst auch einen Hochgeschwindigkeitskontakt
zwischen einem starren Objekt und einem Klebeband in einem Gas,
wie zum Beispiel Luft. Durch das Gas kann zwischen dem Objekt und dem
Klebeband ein erheblicher Druck aufgebaut werden. Der Druck verformt
das Klebeband, wodurch eine mittige Vertiefung gebildet wird. Die
Vertiefung verursacht das Einschließen einer Lufttasche. Die Lufttasche verhindert
die exakte Positionierung des Objekts in nachfolgenden Prozessschritten,
zum Beispiel bei Bestückungsvorgängen bei
der Fertigung von Halbleiterunterbaugruppen, Lese-/Schreibköpfen für Speicherplatten und Ähnlichem.
Derartige Montageverfahren nehmen an Bedeutung zu, da die Halbleitertechnologie
immer mehr von der Fertigung kompletter Prozessoren auf einem Chip
zur Montage von Unterbaugruppen auf Zwischenträgern übergeht. Um parallel mehrere
Chips zu montieren und zu bearbeiten, zum Beispiel bei der Flip-Chip-Bondtechnik,
müssen
diese normalerweise auf einem Klebeband oder -feld vormontiert werden.
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Die
Selbstorganisation von Komponenten im µm-Bereich auf einer chemisch
strukturierten Oberfläche in
einem dritten Medium ist normalerweise ein langsamer Prozess, bei
dem sich Partikel der Zielfläche
dicht genug annähern,
damit es zu spezifischen molekularen oder chemischen Wechselwirkungen
kommen kann. Normalerweise muss bei einem solchen Prozess stark
gerührt
werden, damit die Diffusion der Partikel durch das dritte Medium
groß genug
ist und die Partikel Kontakt zu ihrem Gegenstück auf der Oberfläche herstellen können. Wenn
kein drittes Medium vorhanden ist, kann es schwierig sein, die Partikel
zu trennen. Zur Montage ist es wünschenswert,
dass es zwischen den zu montierenden Teilen eine Wechselwirkung
mittlerer Stärke gibt,
um die Montage besser steuern zu können. Durch eine geeignete
Positionierung kommt es zu stärkerer Wechselwirkung,
während
eine ungeeignete Positionierung eine schwächere Wechselwirkung erzeugt.
Im Hinblick auf eine schnellere und voraussagbarere Montage wäre ein verbesserter
Annäherungsvorgang
für Partikel
mit Mikrometer- bis Millimetergröße in einem
dritten Medium wünschenswert.
Das dritte Medium unterstützt
das Suspendieren der Partikel, die ansonsten durch die Schwerkraft
beeinflusst würden.
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In
der US-Patentschrift
US 6180239 wird
ein Verfahren zur Bildung einer strukturierten selbstorganisierten
Monoschicht auf einer Oberfläche
und zur Bildung davon abgeleiteter Erzeugnisse beschrieben. Gemäß einem
verfahren wird ein elastomerer Stempel während und/oder vor der Verwendung
des Stempels deformiert, um eine selbstorganisierte monomolekulare
Schicht auf eine Oberfläche
zu drucken. Gemäß einem anderen
Verfahren wird die Oberfläche
während
des Druckens der Monoschicht mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht,
welche mit der die monomolekulare Schicht bildenden Molekülspezies
nicht mischbar ist, um eine kontrollierte reaktive Ausbreitung der
Monoschicht auf der Oberfläche
zu bewirken. Es werden Verfahren zum Drucken selbstorganisierter
monomolekularer Schichten auf nicht planare Oberflächen und
davon abgeleitete Erzeugnisse erörtert,
sowie Verfahren zum Ätzen
von Oberflächen,
die mit selbstorganisierten Monoschichten strukturiert sind, wozu
auch Verfahren zum Ätzen
von Silicium zählen.
Es werden optische Bauelemente wie flexible Beugungsgitter, Spiegel
und Linsen erörtert,
desgleichen Verfahren zur Bildung optischer Geräte und anderer Erzeugnisse
durch lithografisches Formen. Es wird ein Verfahren zum Steuern
der Form einer Flüssigkeit
auf der Oberfläche
eines Erzeugnisses erörtert,
welches das Aufbringen der Flüssigkeit
auf eine selbstorganisierte Monoschicht auf der Oberfläche sowie
das Steuern des elektrischen Potenzials der Oberfläche umfasst.
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In
der US-Patentschrift
US 6399295 werden
ein System und ein Verfahren zum Nachweis von Analyten erörtert, die
in einem Medium vorhanden sind. Das System umfasst ein Element zur
Beugungsverstärkung, wie
zum Beispiel funktionalisierte Mikrokugeln, die so modifiziert sind,
dass sie imstande sind, sich mit einem Zielanalyten zu verbinden.
Zusätzlich
umfasst das System einen Polymerfilm, der eine Metalldeckschicht
beinhalten kann, auf die ein spezielles vorgegebenes Muster analytenspezifischer
Rezeptoren aufgedruckt ist. Schließlich beinhaltet das System
ein saugfähiges
Agens, wodurch das System zu einem Ein-Schritt-System wird, bei
dem keine zusätzlichen
Spülschritte
erforderlich sind. Bei der Anlagerung eines Zielanalyten an ausgewählte Flächen des
Polymerfilms kommt es entweder direkt oder durch das beugungsverstärkende Element über die
räumlichen
Abmessungen und die definierte exakte Positionierung des Analyten
zur Beugung des durchgelassenen und/oder reflektierten Lichts. Es
entsteht ein Beugungsbild, wie z. B. ein Hologramm, das leicht mit
dem Auge oder, wahlweise, mit einer Abtasteinrichtung erkannt werden
kann.
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In
der deutschen Patentschrift
DE
32 254 83 wird ein Verfahren zum Erzeugen elektrisch leitender
Bereiche erörtert,
bei dem unter Verwendung eines rotierenden, elastisch verformbaren
Stempels auf bestimmte Bereiche eines Trägers eine elektrisch leitende
Paste aufgetragen wird. Das Verfahren ist zum Drucken auf gekrümmten Oberflächen geeignet,
wie zum Beispiel zum Drucken von elektrochemischen Sensoren zum
Ermitteln des Sauerstoffgehaltes von Gasen.
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In
der deutschen Patentschrift
DE
32 010 65 wird ein Verfahren zum Drucken eines Leiterbahnenmusters,
eines Servicebildes oder eines Harzmusters auf ein Substrat erörtert. Hierzu
wird eine bekannte Druckvorrichtung verwendet, die einen Gummitampon
umfasst, der auf einen mit Druckfarbe beschichteten Druckstock gedrückt wird.
Das Druckbild wird dann auf das Substrat übertragen. Die Druckfarbe besteht
aus einem Material, das unter Einfluss von UV-Licht aushärtet. Hierdurch
können
exaktere Leiterbahnenmuster mit geringeren Toleranzen zu einem niedrigeren
Preis erzeugt werden als mit bekannten Verfahren ähnlicher
Genauigkeit.
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In
der US-Patentschrift US 2002/0098618 werden ein Stempel mit einem
Merkmalsmuster und ein Substrat beschrieben, das einen ausreichend
hohen Elastizitätsmodul
(Young-Modul) aufweist, um Merkmale kleiner als 100 µm in mindestens
einer seitlichen Dimension exakt zu übertragen. Ein solch ausreichend
hoher Elastizitätsmodul
verhindert die Verformung des gedruckten Merkmalsmusters auf dem
Substrat, die bei der Verwendung von Substraten mit einem niedrigeren
Elastizitätsmodul
auftritt. Wenn das Substrat in Kontakt mit einem Stempel mit relativ
hohem Elastizitätsmodul
gebracht wird und auf diesen Druck ausübt, können sich die Merkmale auf
dem Stempel nicht so leicht gegeneinander oder gegenüber dem
Substrat verschieben, wie wenn ein Stempel mit niedrigerem Elastizitätsmodul
verwendet wird.
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In
der US-Patentschrift
US 4539747 wird
ein Prozess zum Herstellen von elektrischen Kontakten zwischen den
beiden Oberflächen
einer Leiterplatte vorgeschlagen, bei dem mittels einer elektrisch
leitenden, gedruckten Beschichtung leitende Rippen erzeugt werden.
Die Rippen umgeben den Rand der Leiterplatte, sodass in der Leiterplatte
keine Öffnungen
erzeugt werden müssen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden ein Verfahren zum Übertragen eines Musters von
einem elastischen Stempel auf ein Substrat in Gegenwart eines dritten
Mediums bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Gemäß Anspruch
1 Steuern einer Schicht des dritten Mediums zwischen dem Stempel
und dem Substrat zur Einstellung auf eine vorgegebene Schichtdicke.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung ist das Substrat starr. Bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung ist das Substrat undurchlässig. Das
dritte Medium kann eine oder mehrere der Komponenten Wasser, Lösemittel,
Polymer, Emulsion, Sol-Gel-Vorstufe und Ähnliches
umfassen. Das Steuern kann das Verhindern des Einschließens des
dritten Mediums umfassen, indem die Stempelmatrix für das dritte
Medium durchlässig
ist. Alternativ kann das Steuern das Bilden eines im Nanometerbereich
dimensionierten Spalts im Stempel umfassen, der mit dem überschüssigen dritten
Medium gefüllt
ist. Das Steuern umfasst vorzugsweise das Bereitstellen einer strukturierten
Stempeloberfläche mit
Kanälen
zum Ableiten des dritten Mediums. Bei einer bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuern das Ausfüllen von
im Stempel gebildeten Durchgangslöchern und Vertiefungen mit einer
Komponente, die eine Affinität
zum dritten Medium aufweist. Die Komponente kann hydrophil sein.
Vorzugsweise umfasst die Komponente ein Gel. Vorzugsweise kann das
Gel vom dritten Medium gequollen werden. Vorzugsweise umfasst das
Steuern das Quellen des Gels mit dem dritten Medium zum Bilden von
Vorsprüngen
auf dem Stempel. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuern das Bereitstellen
einer Anordnung von Vorsprüngen
und vertieften Bereichen am Stempel. Das Steuern kann das Abführen von überschüssigem drittem
Medium von der Oberfläche
des Stempels über die
vertieften Bereiche umfassen. Vorzugsweise umfasst die Anordnung
ein im Mikrometerbereich dimensioniertes Muster, das in kleinere
Strukturen unterteilt ist. Die kleineren Strukturen können durch
kleinere Ableitkanäle
voneinander getrennt sein. Vorzugsweise sind die kleineren Ableitkanäle mit einem
Netz größerer Ableitkanäle verbunden.
Das dritte Medium kann in einer flachen linsenförmigen Tasche zwischen dem
Stempel und der Oberfläche
des Substrats eingeschlossen sein. Das Steuern kann das Einschließen des
dritten Mediums in einer Tasche zwischen dem Stempel und dem Substrat
umfassen. Der Stempel kann Kanäle
umfassen. Die Kanäle
definieren im Molekulargrößenbereich
dimensionierte Spalte zwischen dem Stempel und dem Substrat.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft nach Anspruch 21 auch: die Verwendung
eines solchen Verfahrens zum Drucken biologischer Moleküle auf eine
Oberfläche;
die Verwendung eines solchen Verfahrens zum Drucken von Farbstoffen
auf eine Oberfläche;
die Verwendung eines solchen Verfahrens zum Drucken von Katalysatoren
auf eine Oberfläche;
die Verwendung eines solchen Verfahrens zum Drucken von Säuren oder
Basen auf eine Oberfläche;
die Verwendung eines solchen Verfahrens zum Drucken von radikalischen
Initiatoren auf eine Oberfläche;
die Verwendung eines solchen Verfahrens zum Erkennen von Molekülen durch
Nachbarschaft mittels Fluoreszenzresonanztransfer; die Verwendung
eines solchen Verfahrens zum Reinigen und Konzentrieren von Reaktionspartnern;
die Verwendung eines solchen Verfahrens in einem Offsetdruckprozess oder
die Verwendung eines solchen Verfahrens in einem Wälzkontaktprozess.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden nach
Anspruch 22 ein Stempel zum Übertragen
eines Musters auf ein Substrat in Gegenwart eines dritten Mediums
bereitgestellt, wobei der Stempel eine Kontaktfläche sowie in der Kontaktfläche gebildete
Ableitkanäle
umfasst.
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Die
Oberfläche
ist vorzugsweise strukturiert. Der Stempel kann eine Anordnung von
Vorsprüngen
umfassen. Die Strukturierung kann ein im Mikrometerbereich dimensioniertes
Muster umfassen, das in kleinere Strukturen unterteilt ist. Die
Ableitkanäle
verlaufen vorzugsweise zwischen den kleineren Strukturen. Die Ableitkanäle bilden
vorzugsweise ein Netz.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden nach
Anspruch 22 ein Stempel zum Übertragen
eines Musters auf ein Substrat in Gegenwart eines dritten Mediums
bereitgestellt, wobei der Stempel eine durchlässige hydrophile Matrix umfasst.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines
kontrollierten Kontakts zwischen zwei Erzeugnissen bereitgestellt,
wobei das Verfahren die räumlich kontrollierte Übertragung
eines Materials von einem Stempel auf ein Substrat in Gegenwart
eines dritten Mediums gestattet. Bei einer besonders bevorzugten
Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das
die kontrollierte Bildung von im Nanometerbereich dimensionierten
Spalten gestattet, die mit dem dritten Medium gefüllt sind,
innerhalb dessen molekulare Prozesse ablaufen können. Bei einer besonders bevorzugten
Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines konformen Kontakts
oder Nahkontakts bereitgestellt, der entweder durch eine äußere Kraft
oder spontan bei der Selbstorganisation erzeugt wird. Bei einer
bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, bei
dem die kontrollierte Nähe
eines Erzeugnisses zu einem Substrat eine Strukturierung der Oberfläche mit
biologischen oder anderen Molekülen
bewirkt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden werden als Beispiel bevorzugte Ausführungsarten der vorliegenden
Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
wobei:
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1A eine
Seitenansicht eines Stempels ist, der sich einer Schlittenschiene
und einem dazwischen liegenden viskosen Polymer nähert;
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die 1B bis 1E Diagramme
sind, die den Druck als Funktion der seitlichen Position des Stempels
und der Höhe
des Spalts zeigen;
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die 2A und 2B Seitenansichten
eines Stempels sind, der sich einem Substrat in Gegenwart eines
dritten Mediums in flüssiger
Form nähert;
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2C Fotografien
des mit dem Substrat in Kontakt stehenden Stempels zeigt;
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die 3A bis 3H Fotografien
von Interferenzstreifen sind, die durch viereckige Muster auf dem
Stempel erzeugt werden, wenn dieser in Kontakt mit dem Substrat
steht;
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die 4A bis 4D Querschnittansichten
eines Stempels sind, der die vorliegende Erfindung realisiert;
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die 5A bis 5F Querschnittansichten
und Draufsichten eines anderen Stempels sind, der die vorliegende
Erfindung realisiert;
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die 6A bis 6C Querschnittansichten
eines Adhäsionssensors
sind;
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die 7A bis 7D Querschnittansichten
und Draufsichten eines weiteren Stempels sind, der die vorliegende
Erfindung realisiert;
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die 8A und 8B Querschnittansichten
eines Stempels mit flachen Kanälen
sind;
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9 eine
Querschnittansicht einer Bondinsel ist, die die vorliegende Erfindung
realisiert;
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10A eine Querschnittansicht eines Druckzylinders
ist;
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10B eine Querschnittansicht eines Druckzylinders
ist, der die vorliegende Erfindung realisiert;
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11A eine Seitenansicht eines Druckzylinders ist;
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11B eine Seitenansicht eines Druckzylinders ist,
der die vorliegende Erfindung realisiert;
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12A ein Blockdiagramm ist, das die spontane Wechselwirkung
zwischen einem Partikel und einer ebenen strukturierten Oberfläche zeigt
und
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12B ein Blockdiagramm ist, das die spontane Wechselwirkung
zwischen einem Partikel und einer ebenen unstrukturierten Oberfläche zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN
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Probleme,
die mit dem Drucken von einem Stempel auf ein festes undurchlässiges Substrat
durch konformen Kontakt oder Nahkontakt verbunden sind, können von
einem Überschuss
an drittem Medium wie beispielsweise Lösemittel herrühren. Der Überschuss
verhindert den engen Kontakt und die Übertragung, da er einen Spalt
zwischen dem Stempel und dem Substrat bildet. Der Spalt wird mit
dem Überschuss
ausgefüllt, wodurch
der konforme Kontakt verhindert wird. Zu Problemen kann es auch
kommen, wenn es auf dem Substrat an drittem Medium mangelt. In diesen
Fällen
können
die Hydratisierung, die Chemisorption und/oder die Hybridisierung
nachteilig beeinflusst werden. Zum Beispiel benötigen biomolekulare und chemische
Reaktionen für
gewöhnlich
ein drittes Medium wie beispielsweise Lösemittel, damit sie ablaufen
können.
Im ersten Fall ist es wünschenswert,
die Menge des dritten Mediums zur Einstellung auf eine genau definierte
Schichtdicke zu steuern. Bei einer bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird dies durch Bereitstellen von Ableitkanälen in der
Stempeloberfläche
erreicht. Im zweiten Fall ist es wünschenswert, eine kontrollierte
Menge des dritten Mediums auf das Substrat aufzubringen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird dies durch eine durchlässige Stempelmatrix
erreicht.
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Die
physikalischen Vorgänge
beim Drucken in Gegenwart eines dritten Mediums lassen sich genauer verstehen,
wenn ein ebener Stempel betrachtet wird, der sich einer ebenen Oberfläche nähert. Die
Beziehung zwischen der Spalthöhe
h und dem Druck p in einem komprimierten Medium mit der Viskosität η wird durch die
Reynoldsgleichung beschrieben. Hierzu siehe zum Beispiel A. Cameron, „Basic
Lubrication Theory",
Wiley (New York 1981), Kapitel 3.7. Beim folgenden Beispiel wird
ein eindimensionales Modell verwendet. Dadurch vereinfacht sich
die Reynoldsgleichung zu:
wobei
x die zur Oberfläche
parallele Koordinate und t die Zeit ist. Das Modell kann auf langgestreckte
Oberflächen
angewendet werden. Beispiele aus dem Bereich der Datenspeicherung
sind Schlitten von Dünnschichtköpfen. Die
typischen Abmessungen solcher Schlitten betragen 1,2 mm × 50 mm.
Bei einer eher quadratischen Geometrie kann der Druck um einen Faktor
von etwa 2 verringert werden.
-
Wenn
sowohl der Stempel als auch die Oberfläche starr sind, ist h von x
unabhängig.
Die Differenzialgleichungen für
p und h können
dann gelöst
werden. Somit wird der Ursprung in der Mitte der Oberfläche mit der
Breite w gewählt.
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1A zeigt
einen Querschnitt eines Stempels 2 und eines Schlittens 4 mit
einem dazwischen liegenden Medium 8. Wie in 1B gezeigt,
hat der Verlauf der Druckkurve ein parabolisches Profil, dessen
Maximum in der Mitte liegt und das nach den Seiten hin bis auf null
abfällt.
Der Maximalwert beträgt
das 1,5-fache des mittleren Drucks P.
-
Bei
praktischen Implementierungen sind entweder der Stempel 2 oder
die Oberfläche 4 elastisch.
Die oben erwähnte
Druckverteilung bewirkt eine konkave elastische Verformung des elastischen
Teils. Dies kann zur Bildung von Taschen führen, in denen das dritte Medium
während
des Kontakts eingeschlossen wird. Diese eingeschlossenen Bereiche
des dritten Mediums werden als „Pancakes" bezeichnet. Die normale Verformung kann
basierend auf einer von Bietsch und Michel in „Conformal contact and pattern
stability of stamps used for soft lithography", J. Appl. Phys. 88, 4310 (2000) abgeleiteten
Formel aus der Druckverteilung berechnet werden. Für eine Schlittengeometrie
kann ein mittlerer Druck von 1 bar in einem typischen Siliconelastomer
mit einem Elastizitätsmodul
von 3 MPa zu konkaven Vertiefungen von bis zu 10 µm führen. Die
Verformung nimmt mit steigendem Elastizitätsmodul zu. Ein härteres Material
verkleinert die Pancakes. Im Falle der Bearbeitung mit einem Schlitten
ist der Schlitten 4 starr und der Stempel elastisch.
-
Der
Druck und die Spalthöhe
während
der Annäherung
hängen
eng miteinander zusammen. Dabei gibt es zwei Fälle. Der erste Fall betrifft
eine konstant einwirkende Last. Der zweite Fall betrifft eine konstante Annäherungsgeschwindigkeit.
-
Wenn
eine konstante Last einwirkt, ergibt sich gemäß Gleichung 2 eine konstante
Druckverteilung. P ist der auf die Oberfläche
4 einwirkende
mittlere Druck. Die Spalthöhe
wird dann aus Gleichung 1 berechnet:
-
Die
Berechnungen ergeben einen Schätzwert
dafür,
wie schnell das Medium 8 durch den Stempel 2 verdrängt wird.
Das dritte Medium kann ein viskoses Vorpolymerisat, Gas, Wasser
oder ein Lösemittel
sein. 1E zeigt die Abnahme der Spalthöhe für verschiedene
Flüssigkeiten
mit Viskositäten
von 100 cP, 1000 cP und 10000 cP bei einer einwirkenden Last von
1 bar als Funktion der Zeit. Die Viskositäten sind für UV-härtbare Polymermaterialien typisch.
Eine Spalthöhe
von nur 1 µm
wird bei 100 cP innerhalb einer Sekunde erreicht. Bei dem Material
mit einer höheren
Viskosität
von 10000 cp wird jedoch eine Zeitspanne von 100 s benötigt.
-
Im
zweiten Fall, bei konstanter Annäherungsgeschwindigkeit,
steigt der Druck mit abnehmender Spalthöhe. Dieser Effekt hängt von
der Viskosität,
der Geschwindigkeit (v) und den Abmessungen des Stempels ab:
wobei
p der mittlere Druck ist.
1C zeigt
den Druck als Funktion der Spalthöhe für einen Schlitten, wenn das
dritte Medium Wasser ist und die Annäherungsgeschwindigkeit 10 µm/s beträgt. Wenn
das dritte Medium Luft ist, die eine 60fach geringere Viskosität hat, gilt
dieses Diagramm für
eine Geschwindigkeit von 600 µm/s. In
diesem Beispiel steigt der Druck von mäßigen Werten (100 Pa) bei einer
Spalthöhe „w" von 10 µm auf Werte über 10
5 Pa (= 1 bar) an, wenn die Spalthöhe auf weniger
als 1 µm
verringert wird.
-
1D zeigt
die Abhängigkeit
des Drucks von den Abmessungen der Oberfläche 4. Bei einer Spaltbreite
von 100 nm sinkt der Druck für
eine Breite der Oberfläche 4 von
1 µm auf
50 Pa, im Gegensatz zu einem Druck von 50 MPa für eine typische Schlittengeometrie
von 1,2 mm. Der Maximaldruck nimmt mit dem reziproken Wert des Quadrates
der Abmessung des Stempels oder der Oberfläche zu.
-
Gemäß Bietsch
und Michel, „Conformal
contact and pattern stability of stamps used for soft lithography", J. Appl. Phys.
88, 4310 (2000), verformen sich Stempel unter konstantem Druck zu
so genannten „durchhängenden" Profilen. 2A zeigt
einen elastomeren Stempel 10, der sich einer starren Oberfläche 12 eines Substrats 14 in
einem dritten Medium 16, wie beispielsweise Wasser, nähert. Zwischen
den hervorstehenden Merkmalen 18 des Stempels 10 und
dem Substrat 14 wird das dritte Medium 16 verdrängt (siehe
die Pfeile in 2A). Wenn der Spalt zwischen
dem Stempel 10 und dem Substrat 14 sehr schmal
wird, kann das dritte Medium 16 nicht sofort verdrängt werden.
Somit baut sich ein Druck auf, dessen Maximalwert unterhalb des Mittelpunktes
der Merkmale 18 liegt (siehe Ausschnitt von 2A).
Durch den Druckaufbau verformt sich die Oberfläche 20 des Merkmals 18 elastisch.
Wenn der Stempel 10 mit dem Substrat 14 in Kontakt
tritt, wird unter jedem Merkmal 18 eine linsenförmige Tasche 21 des
dritten Mediums eingeschlossen (siehe 2B). Das Profil
folgt der Druckverteilung in dem komprimierten dritten Medium 16 (siehe
ebenfalls 1B und 2A). 2C zeigt
Fotografien von Wasser-Pancakes zwischen einem elastischen hydrophilen
Stempel und einer starren Glasoberfläche 22. In diesem
Beispiel weist der in Sylgard® 184 geformte
Stempel quadratische Vorsprünge
mit einer Abmessung von 200 µm
auf. Der Stempel wurde mit einem relativ niedrigen Druck von etwa 0,05
bar auf die Oberfläche 22 gedrückt. Dies
führte
zu einer Last von 5000 Pa multipliziert mit dem Füllungsgrad,
wobei der Füllungsgrad
gleich der durch die Gesamtfläche
dividierten Kontaktfläche
ist. Interferenzstreifen in Form Newtonscher Ringe 24 sind
vorhanden. Anhand der Newtonschen Ringe 24 und des gemessenen Brechungsindex
von 1,3 wurde eine maximale Schichtdicke des eingeschlossenen Wassers 16 von
350 nm geschätzt.
Aufgrund der Unschärfe
der Newtonschen Ringe 24 konnte die Schichtdicke als Funktion
der Abmessungen der Vorsprünge
nicht genau ermittelt werden. Um die Auswirkung bei größerer Schärfe zu zeigen, wurden
Versuche mit UV-härtbaren
Vorpolymerisaten als drittes Medium durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche
sind in den 3A bis 3H zusammengefasst.
Die 3A bis 3H zeigen
Fotografien der Interferenzstreifen von quadratischen Mustern mit
Abmessungen von < 20,
20, 60, 100 und 200 µm,
wobei die Bezeichnung „60/20 µm" die Breite der Merkmale
in µm
beschreibt. Bei den 3E und 3G wurde die Verformung von elastomeren
Vorsprüngen
gemessen. Die 3E und 3G zeigen
dieselben Strukturen wie die 3F und 3H, jedoch in Vergrößerung. Die Analyse der Schichtdicke
als Funktion der Mustergröße ergab
eine lineare Größenabhängigkeit
mit einem Achsenabschnitt nahe 0 und einer Steigung von 4 nm pro µm Mustergröße. Das zeigt,
dass die Dicke der eingeschlossenen Schicht mit der Mustergröße linear
zunimmt. Ein Vergleich des eingeschlossenen dritten Mediums und
der Schicht auf den quadratischen Vorsprüngen mit einer Kantenlänge von
200 µm
ergibt einen Unterschied mit einem Faktor 3. Dies ist auf den Viskositätsunterschied
zwischen Wasser und dem UV-härtbaren
Vorpolymerisat zurückzuführen. Basierend
auf diesen Ergebnissen sollte ein Stempel für den Direktkontakt ohne Wasser
(z. B. eine Schicht < 1
nm) Muster mit Abmessungen von weniger als 1000 nm aufweisen. Andererseits
ist es auch möglich,
zum Erzeugen von Spalten mit definierter Dicke größere Merkmale
zu wählen.
Ausgehend von diesen Ergebnissen kann eine gesteuerte Schichtübertragung über einen
Spalt von zum Beispiel 4 nm durch eine Auswahl von Vorsprüngen mit
einer Größe von 3 µm und eine Musterübertragung über 20 nm
durch eine Auswahl von Vorsprüngen
mit einer Größe von 250 µm erreicht
werden.
-
Der
Strömungswiderstand
in Fluidnetzen nimmt mit dem Reziprokwert der kleinsten Kanalabmessung und
mit der Kanallänge
zu. Auch die Kapillarkraft nimmt mit dem Reziprokwert der Kanalabmessungen
zu. Die Mechanik der Fluide ermöglicht
eine Skalierung von Netzen mit Abmessungen im Nanometerbereich.
Die Strukturierung dieser Netze ist jedoch durch das Verhältnis Oberfläche zu Volumen
begrenzt. Eine große
Oberfläche
ermöglicht
Molekülen,
die in einer Flüssigkeit
gelöst
sind, die Oberfläche
zu erreichen und entsprechend zu reagieren. Dies führt zu einer
Verarmung an Flüssigkeit.
Kapillarnetze sind daher bei der Strukturierung durch relativ kurze
Kanäle
mit Kanalabmessungen im Mikrometerbereich sehr wirksam. Hierzu siehe
z. B. Delamarche et al., „Microfluidic
networks for chemical patterning of substrates: Design and application
to bioassays", J.
Am. Chem. Soc. 120, 500 (1998). Wenn die Abmessungen im Nanometerbereich
liegen, werden Moleküle
vorzugsweise durch andere Mittel zu den erwünschten Stellen gebracht. Dennoch
können
Netze die Flüssigkeit
nach wie vor zu verschiedenen Bereichen hin- und wieder wegleiten.
In eingetauchten Systemen ohne Flüssigkeits-/Luft-Grenzfläche sind
Kapillarkräfte
unerheblich. In diesem Fall ist der Strömungswiderstand dem Produkt
aus Kanallänge
und reziproker normalisierter Kanalabmessung (w + h)/(w·h))2 ungefähr proportional,
wobei w die Breite und h die Höhe
des Kanals ist. Beim Skalieren verzweigter Flüssigkeitsnetze auf den Nanometerbereich
sind Kanäle
unterschiedlicher Größenordnungen
beteiligt: Kanäle
mit kleinen Abmessungen für
kurze Pfade; Kanäle
mit mittleren Abmessungen für
Pfade mittlerer Länge;
und Kanäle
mit großen
Abmessungen für
lange Pfade. Werden zwei oder drei Schichten mit Kanälen geeigneter
Größe miteinander
kombiniert, können
Flüssigkeiten
in einem Einströmsystem
von makroskopischen zu nanoskopischen Abmessungen oder in einem
Ableitsystem von nanoskopischen zu makroskopischen Abmessungen geleitet
werden. Dies gleicht dem menschlichen Blutkreislauf, bei dem mehrere
verschachtelte Teilsysteme verwendet werden, um vom Meterbereich
bei Arterien mit gepumpter Flüssigkeit
in den Nanometerbereich von Zellzwischenräumen herunterskalieren zu können.
-
Effizientes
Drucken von biologischen Molekülen
und katalytische Umwandlung erfordert Genauigkeit und die Steuerung
der Schichtdicke einer dünnen
Lösemittelschicht
zwischen Stempel und Oberfläche.
Diese Schicht ist jedoch in herkömmlichen
Systemen physisch nicht stabil. Hierzu siehe zum Beispiel A. Martin
et al., „Dewetting
nucleation centers at soft interfaces", Langmuir 17, 6553 (2001), wo die spontane
Entnetzung eines metastabilen Flüssigkeitsfilms
auf einer elastomeren Oberfläche
beschrieben wird. Bei einer ersten Ausführungsart der vorliegenden
Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass das unerwünschte Einschließen eines
dritten Mediums mittels einer durchlässigen Stempelmatrix verhindert
wird. Bei einer zweiten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass
eine strukturierte Stempeloberfläche
bereitgestellt wird, welche die Einstellung der Schichtdicke des
dritten Mediums steuert und das Abfließen von überschüssigem Medium durch Ableitkanäle ermöglicht.
-
Bei
einem Beispiel der zweiten Ausführungsart
wird eine Schicht des dritten Mediums zwischen einem Vorsprung des
Stempels und dem Substrat eingeschlossen. Das dritte Medium dient
dazu, Moleküle
abzuscheiden und eine Umgebung für
katalytische Reaktionen bereitzustellen. Bei einem anderen Beispiel
der zweiten Ausführungsart
werden strukturierte Stempeloberflächen bereitgestellt, in denen
Vertiefungen im Molekulargrößenbereich
dimensionierte Spalte definieren. Die Spalte ermöglichen an gewünschten
Stellen Polymerase-Kettenraktionen (Polymerase Chain Reaction, PCR)
und die Übertragung
von DNA-Oligomeren. Bei beiden Beispielen liegt die Größe des Zielsubstrats
vorzugsweise im Bereich der Länge
des Moleküls,
um eine wirksame Wechselwirkung zu unterstützen.
-
Bei
einem in 4A gezeigten Beispiel der ersten
Ausführungsart
umfasst ein Stempel 26 aktive Durchgangsöffnungen 28 und
Vertiefungen 30. Wie in 4B dargestellt,
sind die Durchgangsöffnungen 28 und
die Vertiefungen 30 mit einer Polymer-Gelmatrix 32 gefüllt, die
für ein
drittes Medium, wie zum Beispiel Wasser oder andere Puffermaterialien,
durchlässig
ist. Somit sind Zapfen in den Durchgangsöffnungen 28 und den
Vertiefungen 30 gebildet. Durch Aufnahme des dritten Mediums
quillt das Gel 32 bis zu einem Gleichgewichtszustand, sodass
das Gel 32 über
die Oberfläche 33 des
Stempels 26 hinausragt. Das Quellen kann in einer Umgebung
mit gesättigter
Dampfphase (100 %) erfolgen. Dann kann der Stempel 26 in
einer solchen Umgebung gelagert werden, um ein nachfolgendes Trocknen
des Gels 32 zu verhindern. Da das Gel 32 innerhalb
des Stempels 26 in einem anderen Material verbleibt, werden
die Abmessungen des Stempels 26 durch das Quellen nicht
beeinflusst. Wie in 4C und insbesondere durch die
Pfeile in dieser Figur gezeigt, werden die Vorsprünge des
Gels 32 dann über
eine Schablone 34 selektiv angesteuert und mit den zum
Strukturieren vorgesehenen Molekülen
gefüllt.
Jede Durchgangsöffnung 28 und
jede Vertiefung 30 kann mit unterschiedlichen zu übertragenden
Molekülen
gefüllt
werden. Da die aus dem Gel 32 bestehenden Zapfen in den
Durchgangsöffnungen 28 und
den Vertiefungen 30 voneinander getrennt sind, kommt es
nicht zur Diffusion zwischen benachbarten Zapfen. Bei einer Stärke der
Durchgangsöffnungen
von 10 µm
und einer Füllung
mit 1 Gew.-% Moleküle
reicht die Menge des im Stempel 26 gespeicherten Materials
aus, um mehrere Hundert Monoschichten von Molekülen zu drucken. Wie in 4D gezeigt,
wird der Stempel 26 nun in Kontakt mit einem Substrat 36 gebracht,
um die gewünschte
Materialmenge zu übertragen.
Der Stempel 26 braucht nicht in Flüssigkeit getaucht zu werden,
wodurch das Drucken weniger aufwändig
wird. Das Gel 32 mit dem darin enthaltenen dritten Medium
sorgt für
eine vollständige
Solvatation der Moleküle
sowie für
eine gute Umgebung für
eine Chemisorptionsreaktion. Die Durchlässigkeit des Gels 32 ermöglicht,
dass jegliches zwischen dem Stempel 26 und dem Substrat 36 eingeschlossene
dritte Medium durch das Gel 32 entweichen kann. Dadurch
wird vermieden, dass der Stempel 26 und das Substrat 36 durch
das dritte Medium voneinander getrennt werden. Das Einfärben der
verschiedenen Durchgangsöffnungen 28 und
Vertiefungen 30 kann mittels sequenzieller Verfahren erfolgen,
zum Beispiel durch Pipettieren, Pin Spotting oder Ink-Jet Spotting. Desgleichen
können
semiparallele Verfahren auf Basis von Flüssigkeitsnetzen zur selektiven
Ansteuerung verwendet werden. Andere Beispiele der vorliegenden
Ausführungsart
können
ausschließlich
Durchgangsöffnungen 28 umfassen.
Desgleichen können
weitere Beispiele der vorliegenden Ausführungsart auch ausschließlich Vertiefungen 30 umfassen. Zwischen
dem Stempel 26 und dem Substrat 36 wird keine
zusätzliche
Schicht von drittem Medium eingeschlossen. Jedoch kann sich das
dritte Medium in Kontakt mit dem Substrat 36 befinden,
da es einen Hauptbestandteil des Gels 32 bildet. Somit
braucht die Einstellung des Spaltes zwischen dem Stempel 26 und
dem Substrat 36 nicht gesteuert zu werden. Eine andere
Anwendung von Stempeln mit Gelvorsprüngen, die für ein drittes Medium durchlässig und
nicht vollständig
gequollen sind, stellt die Kombination von Konzentrieren und Drucken
von verdünnten
Lösungen
dar. Das ist im Allgemeinen für
den Nachweis von Molekülen
und im Besonderen für
den Nachweis von Umweltgiften in äußerst geringen Konzentrationen
von Nutzen. Beispiele für Umweltgifte
sind unter anderem Metallionen wie beispielsweise Pb2+,
Hg2+, Zn2+ usw.
Der Nachweis kann erfolgen, indem während des Entfernens die Adhäsion gemessen
wird. Auch andere Nachweiskonzepte sind möglich.
-
5A zeigt
ein Beispiel der zweiten Ausführungsart,
bei dem ein hydrophilisierter elastomerer Stempel 38 eine
Anordnung von Vorsprüngen 46 mit
einem hohen Füllungsgrad
aufweist. Jeder Vorsprung 46 ist in kleinere Vorsprünge 40 unterteilt,
die durch Vertiefungen 42 voneinander getrennt sind, welche
als kleine Kanäle
zum Ableiten von überschüssigem drittem
Medium dienen, bevor der Druckkontakt mit der hydrophilen Oberfläche 50 eines
Substrats 51 hergestellt wird. Wie in 5B gezeigt,
kann der Querschnitt der kleinen Vorsprünge 40 kreisrund,
rechteckig oder anderer Form sein und sie können quadratisch, hexagonal
oder anders gepackt sein. Die Kontaktfläche der kleineren Vorsprünge 40 ist
maximiert, während
gleichzeitig die kleineren Kanäle 42 ein
offen verbundenes Netz bilden. Die größeren Vorsprünge 46 sind
durch größere Ableitkanäle 48 voneinander
getrennt, welche mit den kleineren Ableitkanälen in Verbindung stehen. Bei
einem bevorzugten Beispiel weisen die Vorsprünge 40 eine Größe von 10 µm und eine
Höhe von
3 µm auf.
Auch andere Abmessungen sind möglich. 5C zeigt
Vorsprünge 40,
die sich in Gegenwart des dritten Mediums 41 dem Substrat 51 nähern. 5D zeigt
lokale Einschlüsse
des dritten Mediums 41 in flachen Taschen zwischen den Vorsprüngen 40 und
dem Substrat 51. Die Größe der Taschen 52 kann
80 % der Größe der Vorsprünge 40 betragen.
Die Tiefe der Taschen 52 ist dem Quadrat der Größe der Vorsprünge 40 proportional.
In 5E sind die innerhalb einer der Taschen am Substrat 51 und
am Vorsprung 40 befestigten Moleküle 43 dargestellt. 5F zeigt
die Wechselwirkung zwischen den am Substrat 51 anhaftenden
Molekülen 43 und
den am Vorsprung 40 anhaftenden Molekülen 43 innerhalb einer
der Taschen. Für
die Übertragung
der Moleküle
und die kontrollierte Durchführung
einer Chemisorptionsreaktion reicht ein Spalt in der Größenordnung
von 2 nm zwischen dem Stempel 38 und der Oberfläche 50 normalerweise
aus. Gemäß einem
experimentell ermittelten Verhältnis
zwischen der Größe des Vorsprungs
und der Spaltdicke, das 750 beträgt,
sind Muster mit einer Größe von 1,5 µm geeignet.
Die Vertiefungen 42, die die Ableitkanäle auf dem Stempel 38 bilden,
sind miteinander verbunden, um das dritte Medium in die größeren Kanäle 48 abzuleiten.
Verschiedene Vorsprünge 40 auf
dem Stempel 38 können
durch selektives Einfärben
verschiedene Moleküle übertragen.
Zum Einfärben
können
sequenzielle Verfahren wie beispielsweise automatisches Pipettieren,
Pin Spotting oder Ink-Jet Spotting verwendet werden. Desgleichen
können
auch semiparallele Verfahren mit Flüssigkeitsnetzen verwendet werden.
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6 zeigt die Adhäsionskraft zwischen Stempel 101 und
Substrat 102 in einem dritten Medium 103 als Funktion
der Unterstrukturen des Stempels. Wie in 6A gezeigt,
lösen große Flächen keine
merklichen molekularen Wechselwirkungen aus. Wie in 6B dargestellt
ist, lösen
mittelgroße
Vorsprünge 104 (10 µm) geringe
Wechselwirkungskräfte
aus. Wie in 6C gezeigt, weisen kleine Vorsprünge (< 10 µm) starke
Wechselwirkungen auf.
-
In 7A ist
ein anderes Beispiel der zweiten Ausführungsart dargestellt, bei
dem im Stempel 52 flache langgestreckte parallele Kanäle 54 gebildet
sind. Die Kanäle 54 sind
durch dazwischen liegende Wände 53 voneinander
getrennt. In einem Vorbereitungsschritt werden die Kanäle 54 mit
bestimmten Molekülen 56 beschichtet.
Während
des Arbeitsschrittes bilden die Kanäle 54 aktive Zonen,
in denen Moleküle 56 auf
dem Stempel 52 in die Nähe
von Molekülen 56 auf
der Oberfläche 58 eines
Substrats 60 gebracht werden, wenn der Stempel 52 in
Kontakt mit dem Substrat 60 gebracht wird. Die Moleküle 56 auf
dem Stempel 52 und auf dem Substrat 60 wechselwirken
innerhalb jedes Kanals 54, wenn der Stempel 52 in
Gegenwart eines dritten Mediums 62 in Kontakt mit dem Substrat 60 gebracht
wird. Bei biomolekularen Wechselwirkungen kann das dritte Medium 62 Wasser
oder eine wässrige
Lösung
sein, die andere Lösemittel,
Pufferionen, Nucleoside und/oder Enzyme enthält. Die Kanäle 54 definieren eine
Schicht des dritten Mediums 62 mit ausreichender Schichtdicke,
um die Durchführung
eines biochemischen Prozesses zu ermöglichen. Der Stempel 52 besteht vorzugsweise
aus einer dünnen
Schicht aus elastischem Material, um einen großflächigen Molekülkontakt
zu gewährleisten.
Eine von außen
einwirkende Last ist so bemessen, dass jegliches dadurch verursachte
Durchbiegen klein genug ist, damit die Spaltdicke in jeder Vertiefung 54 im
Wesentlichen gleichmäßig ist.
Zum Einstellen des Spaltes kann die Last reguliert werden. Wie in 7B gezeigt,
kann der Spalt bei zu geringer Last zu groß sein, um eine Wechselwirkung
zwischen den Molekülen
auf dem Stempel 52 und den Molekülen auf dem Substrat 60 zu
ermöglichen.
Desgleichen kann der Stempel 60, wie in 7C gezeigt,
bei zu großer
Last zusammenbrechen und der Spalt dadurch zu klein werden, um eine
Wechselwirkung zwischen den Molekülen auf dem Stempel 52 und
den Molekülen
auf dem Substrat 60 zu ermöglichen. 7D zeigt
für ein
besonders bevorzugtes Beispiel die Strukturierung eines Stempels 60 durch
Kontaktlithografie zur Herstellung eines 25 mm großen Bio-Chips.
Die Kanäle 54 sind
4 µm breit
und die Trennwände 53 sind
60 µm
lang, 1 µm
breit und 25 nm hoch. Während
des Druckens verdrängtes überschüssiges drittes
Medium 62 wird durch 40 µm breite und 40 µm tiefe
Ableitkanäle 57 gesammelt
und im makroskopischen Maßstab über mehrere
Millimeter hinweg abgeleitet. Die Ableitkanäle 57 definieren aktive
Zonen des Stempels, die durch die Gruppen der kleineren Kanäle 54 belegt
sind. Die gewünschte
Kanalhöhe
hängt von
den beteiligten Molekülen
ab und kann z. B. zwischen 2 nm und 200 nm betragen. Wenn die Moleküllänge 20 nm
beträgt,
ist im Allgemeinen ein Kanal mit > 20
nm zu groß und
ein Kanal mit < 5
nm zu klein. Die Ableitkanäle 57 ermöglichen
das Bedrucken eines relativ großen
Substrats 60 ohne Einschränkung des wirksamen Füllungsgrads.
Der Stempel 52 kann ausgehend von einem Original mit einem
Kompressionsmodul von 3 MPa in Sylgard® 184 geformt
werden. Das Original kann unter Verwendung lithografischer Verfahren,
wie zum Beispiel Projektionslithografie und Elektronenstrahllithografie,
hergestellt werden. Ein solcher Stempel 52 kann mit einem
auf die Fläche
des Stempels 52 verteilten durchschnittlichen Druck von
etwa 3 kPa auf die Oberfläche 58 gedrückt werden.
Bei diesem Beispiel kann das Ableiten eine Zeitspanne von etwa 10
Sekunden beanspruchen, während
der die größeren Kanäle 57 das
dritte Medium etwa 70 mm weit abführen. 8A zeigt
das Höhenprofil über einen
4 µm breiten
und zu Anfang 25 nm hohen Kanal 54, der mit einem Kompressionsmodul
von 3 MPa in Sylgard® 184 geformt
wurde. Der Kanal 54 wird unter einem Druck von 3000 Pa
in Kontakt mit einem Substrat 60 gebracht. Dabei wird der
Kanal 54 an den Rändern
bis auf 22 nm und in der Mitte bis auf 18 nm zusammengedrückt. Für die Spaltbreite
wird eine Genauigkeit von ± 10
% erreicht. Dieser Wert stimmt mit der Längentoleranz für die Hybridisierung
von Oligomeren überein.
Zum Abstimmen des Stempels 52 auf ein anderes System molekularer
Wechselwirkungen kann die Breite des Kanals 54 durch Änderung
der Last angepasst werden. Beispielsweise wird durch eine Verringerung
der Last auf 1500 Pa die minimale Kanalbreite von 18 nm auf 22 nm
erhöht.
Bei einem zweiten Beispiel umfasst der Stempel 52 aktive
Zonen der Größe 10 × 10 µm mit jeweils
sechs Stützwänden 53,
die 12 µm
lang, 200 nm breit und 25 nm hoch sind und flache Kanäle 54 der
Breite 1800 nm voneinander trennen. Ableitkanäle 57, die 8 µm tief
und 8 µm
breit sind, leiten überschüssiges drittes
Medium wie beispielsweise Wasser etwa ± 10 mm weit zum Rand des
Stempels 52 hin ab. Auch hier kann der Stempel 52 aus
Sylgard® 184 mit
einem Elastizitätsmodul
von 3 MPa geformt sein und mit einem auf den Stempel 52 verteilten
durchschnittlichen Druck von 5 kPa auf die Oberfläche gedrückt werden.
Die bei dem gewählten
Druck zum Verdrängen überschüssigen Wassers
zum Rand hin benötigte
Zeitspanne kann auch hier etwa 10 Sekunden betragen. 8B zeigt
ein Höhenprofil über einen
solchen Kanal 54, der 1800 nm breit und zu Anfang 25 nm
hoch ist. Bei einigen Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung können
auch andere Materialien als Sylgard® 184 verwendet
werden, die möglicherweise
auch härter
sein können.
-
9 zeigt
bei einer anderen Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung eine Bondinsel 68, die flache elastomere
haftfähige
Vorsprünge 70 umfasst,
welche durch Ableitkanäle 72 voneinander
getrennt sind. Die Kanäle 72 gestatten
das Entweichen eines dritten Mediums wie beispielsweise Luft, wenn
ein flaches Objekt 74 mit hoher Geschwindigkeit auf die
Insel 68 aufgebracht wird. Bei hoher Geschwindigkeit baut
sich bei einer Spalthöhe
von 0,2 µm
oder mehr im dritten Medium ein Druck von mehr als 1 bar auf. Die
Vorsprünge 70 ragen aus
einer elastomeren Schicht 76 hervor, die durch eine Rückwand 78 getragen
wird. Die elastomere Schicht 76 kann aus einem Siloxangummi,
wie zum Beispiel Polydimethylsiloxan, bestehen. Dieses Material
nimmt nach Wegfall der mechanischen Beanspruchung wieder seine ursprüngliche
Form an. Die natürlichen
Adhäsionseigenschaften
der Oberfläche
können
durch Klebstoffe oder durch andere Oberflächenaktivierung verstärkt werden.
Die Rückwand 78 ist
eine flache Schicht zum Beispiel aus dünnem Glas, Metall, Silicium
oder Polymer, durch die die elastomere Schicht 76 genau
an Ort und Stelle gehalten wird und seitliche und vertikale Verformungen
verhindert werden. Die Insel 68 hält die Teile 74 in
koplanarer Weise genau an Ort und Stelle, damit die Teile 74 von
einem Roboter exakt auf ein Trägersubstrat übertragen
werden können
oder um eine parallele Bearbeitung der Teile 74 zu ermöglichen.
Das Abnehmen der Teile 74 von der Insel 68 erfolgt
normalerweise durch Abziehen, um eine mögliche Überlastung der Teile 74 oder
der Insel 68 zu vermeiden. Zu einer solchen Überlastung
kann es bei anderen Trennverfahren kommen, wie zum Beispiel beim
senkrechten Abziehen. Eine beispielhafte Anwendung hierfür ist die
Fertigung von Schlitten von Dünnschichtköpfen. Gegenwärtig haben Schlitten 74 typische
Abmessungen von 1 mm × 1
mm und können
durch Roboter bei Vertikalgeschwindigkeiten von 10 mm/s exakt auf
einem Substrat platziert werden. Exakte Ergebnisse werden mit elastomeren
Vorsprüngen 70 mit
einer Breite von 10 bis 20 µm
erreicht, die durch Ableitkanäle 76 mit
einem typischen Durchmesser von 1 bis 5 µm voneinander getrennt sind.
Die Kanäle 76 verhindern
das Einschließen
von Lufttaschen zwischen den Schlitten 74 und der Insel 76 dadurch,
dass die Luft durch die Kanäle
entweichen kann. Der Luftdruck bleibt moderat und wird erst bei
Abständen von
weniger als 150 nm größer als
1 bar. Die Verformung des Stempels ist gering. Die eingeschlossene
Luft kann vernachlässigt
und jegliche restliche Luft rasch durch die Insel 68 hindurch
abgeführt
werden. Elastomere Silikongummis sind überraschend durchlässig für geringe Gasmengen.
Ohne die Ableitkanäle 76 baut
sich ein Druck von mehr als 1 bar auf, wenn sich ein Schlitten 74 der
Insel 68 auf einen Abstand von weniger als 2 µm nähert. Dann
werden Lufttaschen unter dem Schlitten 74 eingeschlossen.
Die Lufttaschen verformen die Insel 68 auf nicht voraussagbare
Weise und erzeugen vertikale und/oder seitliche Verformungen.
-
Wasserschichten
mit kontrollierter Schichtdicke sind bei Offsetdruckprozessen wichtig,
um einen zuverlässigen
Druckkontrast zu erreichen. Zugeordnete topografische Muster verbessern
die Steuerung der Druckfarbenpufferung, der Wasserpufferung und
des tangentialen Flüssigkeitstransports.
Zur Aufrechterhaltung des Druckkontrastes ist es wünschenswert,
den Transport im Netz über
längere
Strecken zu vermeiden. 10A zeigt
eine Seitenansicht einer typischen Oberfläche 80 eines Druckzylinders 82,
die unregelmäßig aufgeraut
ist. 10B zeigt einen Schnitt durch
eine mikrostrukturierte Oberfläche 84,
in der sich Durchflusskanäle 86 befinden.
Mit dem Aufkommen preiswerter Mikrostrukturierungsverfahren können Druckprozesse
effizienter gestaltet werden, indem unregelmäßig aufgeraute Strukturen durch
wohl definierte Strukturen ersetzt werden. Durch die wohl definierten
Mikrostrukturen werden der tangentiale und der axiale Fluss optimiert,
ohne den Füllungsgrad
zu verringern. Das ist besonders bei Druckvorgängen auf undurchlässige Oberflächen wie Metall,
Glas oder Keramik von Bedeutung, wo überschüssige Flüssigkeit nicht eindringen oder
auf andere Weise den Druckspalt verlassen kann.
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Topografische
Muster wie die oben beschriebenen ermöglichen eine verbesserte Steuerung
der Druckfarbenpufferung, der Wasserpufferung und des tangentialen
Flüssigkeitstransports.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung werden in einer der Kontaktflächen kleine
Mulden gebildet, um ein verbundenes Flüssigkeitsnetz zu bilden. Das
Netz lässt
höhere
Druckgeschwindigkeiten, weiter gefasste Parameterbereiche für das Aufbringen
der Druckfarbe und dicker gedruckte Schichten zu, verringert die
Abhängigkeit
der Farbmischung von gedruckten Mustern und vereinfacht das Anfeuchten
und das Aufbringen der Druckfarbe. Topografische Muster zur Steuerung
der Wasserströmung
sind beim Flachdruck von Bedeutung, wie zum Beispiel beim Strukturieren
von Bio-Chips sowie beim Drucken von Stempeln, die auf Zylinder
aufgewickelt sind, um Wälzkontakt
herzustellen. 11A zeigt den Strömungswiderstand
einer Flüssigkeit,
die vor einem glatten, sich annähernden
Zylinder 88 entweicht. Der Widerstand wird durch den langen
Pfeil 90 dargestellt. Dieser Widerstand erzeugt Druck.
Der Druck hebt den Zylinder 88 in ähnlicher Weise wie Autoreifen
beim Aquaplaning an. Wie in 11B gezeigt,
erzeugt ein sich annähernder
Zylinder 92 mit einem umlaufend angeordneten Ableitmuster 94 einen
niedrigeren Druck in der Flüssigkeit,
was durch den kleineren Pfeil 96 angezeigt wird. Somit
ist der Zylinder 92 für
Aquaplaning weniger anfällig.
Auf diese Weise können
höhere
Druckgeschwindigkeiten erreicht werden. Bei einem Wälzkontakt
wird das dritte Medium vor dem Zylinder oder zur Seite hin verdrängt, wenn
sich das überschüssige Medium
nur zum Teil entlang des Zylinders befindet. Auf der rechten Seite
von 11 ist der Spalt zwischen der
Zylinderfläche
und dem Substrat 89 als Funktion des Abstands von der Zylinderachse
und der tangentialen Annäherung
des Zylinders dargestellt. In 11A ist
der Flüssigkeitswiderstand
hoch, da der verbleibende Spalt klein ist. In 11B ist der Flüssigkeitswiderstand
wegen der in der Oberfläche
des Zylinders 92 gebildeten Kanäle 94 kleiner.
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Bei
einer anderen Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung umfasst die Selbstorganisation von im Mikrometerbereich dimensionierten
Partikeln 110 unter Verwendung einer spezifischen molekularen
Wechselwirkung die Strukturierung entweder einer Substratoberfläche 111 oder
einer Kontaktfläche 112 der
Partikel 110 mit oben beschriebenen Strukturen. Die strukturierten
Kontaktflächen 112 erhöhen die
Bindungsgeschwindigkeit. Darüber
hinaus ermöglichen
die strukturierten Kontaktflächen 112 eine
schnellere Abtrennung von ungebundenen oder nur teilweise gebundenen
Partikeln 110. Dadurch wird die Gesamtgeschwindigkeit des
Selbstorganisationsprozesses erhöht
und die Spezifität
der Wechselwirkung gegenüber
Partikeln 113 ohne strukturierte Oberfläche 112 verbessert. 12A zeigt Partikel 110 mit einer strukturierten
Oberfläche 112,
die mit einer Oberfläche 111 spezifisch
wechselwirken. In 12B ist eine langsamere und
weniger spezifische Wechselwirkung zwischen der Oberfläche 111 und
Partikeln 113 ohne strukturierte Oberfläche dargestellt. Anstelle der
Partikel 110 kann die Empfängerfläche 111 strukturiert
sein.