Title:
Strukturierungsmaske
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine nicht-plane, gebogene, insbesondere zylinderförmige Strukturierungsmaske sowie deren Herstellung und Verwendung (insbesondere zur Mikro- und Makrostrukturierung von runden Oberflächen oder zylindrischen Körpern).




Inventors:
DÖHLER TORSTEN (DE)
HOFMANN MANDY (DE)
Application Number:
DE102015108692A
Publication Date:
06/30/2016
Filing Date:
06/02/2015
Assignee:
TECHNISCHE HOCHSCHULE WILDAU (FH) (DE)
International Classes:



Foreign References:
65764062003-06-10
200600351572006-02-16
Attorney, Agent or Firm:
Hoppe, Georg Johannes, Dipl.-Biochem. Dr. rer. nat., 14163, Berlin, DE
Claims:
1. Strukturierungsmaske mit einem flächigen Grundköper, der mindestens in einem Abschnitt eine nicht-plane Oberfläche aufweist.

2. Strukturierungsmaske nach Anspruch 1, wobei der flächige Grundkörper zylindrisch, elliptisch oder oval ausgeformt ist.

3. Strukturierungsmaske nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper aus einem lichtdurchlässigen Material gefertigt ist, insbesondere aus Glas, Calciumfluorid oder quarzartigem Material, insbesondere beschichtet mit einer Metallbeschichtung mit einer Dicke von < 200 nm, wobei das lichtdurchlässige Material insbesondere für Licht im Wellenlängenbereich zwischen 190 nm bis 360 nm transparent ist oder der Grundkörper aus einem Metallblech gefertigt ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Strukturierungsmaske nach Anspruch 1 bis 3, wobei ein Grundkörper gefertigt wird, der mindestens in einem Abschnitt eine nicht-plane Oberfläche aufweist, wobei die Maskenstrukturierung insbesondere mittels Elektronen-, Ionen-, Laserstrahllithographie oder mittels einer optischen Lithographie erfolgt.

5. Verfahren zur Strukturierung eines Substrats mit nicht-planer Oberfläche, insbesondere zur Herstellung von Mikro- und/oder Makrostrukturen auf einer zylindrisch oder elliptisch geformten Oberfläche, wobei eine Strukturierungsmaske nach Anspruch 1 bis 3 verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Strukturierung des Substrats gemäß der Kontaktlithografie der Proximity-Lithografie, direkten Lithografieverfahrens (Projektion) oder Immersionslithographie erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Strukturierung des Substrats mittels einer Lichtquelle erfolgt, die außen um die Strukturierungsmaske herum angeordnet ist (Außenstrukturierung), wobei die Lichtquelle die Strukturierungsmaske insbesondere ringförmig umschließt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 6, wobei die Strukturierung des Substrats mittels einer Lichtquelle erfolgt, die innerhalb der Strukturierungsmaske angeordnet ist (Innenstrukturierung) und/oder bei der die äußere Begrenzung der Lichtquelle gleichzeitig als Maskensubstrat fungiert.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Lichtquelle eine monochromatische Lichtquelle ist, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Laser, organischer lichtemittierender Diode (OLED), lichtemittierender Diode (LED) und Plasmaquelle.

10. Verfahren nach Anspruch 5 bis 9, wobei die Strukturierungsmaske derart strukturiert ist, dass Beugungsinterferenzeffekte zur Strukturierung genutzt werden, insbesondere zur Submikrometer-Strukturierung.

Description:

Die Erfindung betrifft eine nicht-plane, also gebogene, insbesondere zylinderförmige oder elliptische Strukturierungsmaske sowie deren Herstellung und Verwendung (insbesondere zur Mikro- und Makrostrukturierung von nicht-planen, gebogenen, runden Oberflächen bzw. zylindrischen Körpern). Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, das Beugungsinterferenzeffekte für die Lithographie, insbesondere für Submikrometer-Strukturierungen nutzt.

Einleitung

Strukturierungsmasken werden bei der lithografischen Strukturierung eines Fotolacks („Resist“) verwendet. Zu diesem Zweck weist die Strukturierungsmaske lichtdurchlässige (transparente) und lichtundurchlässige Abschnitte auf. Bei der Strukturierung eines Substrats wird die Strukturierungsmaske z. B. mit Licht einer bestimmten, in Abhängigkeit des Fotolackes definierten, Wellenlänge bestrahlt. Dabei erzeugen die lichtundurchlässigen Bereiche der Maske einen Schatten auf dem Substrat und das Licht bewirkt in den bestrahlten Bereichen eine chemische Reaktion in dem auf das Substrat aufgetragenen Fotolack, so dass letztlich die Struktur der Strukturierungsmaske auf das Substrat übertragen wird. Das gilt auch vice versa – je nachdem welche Art Fotolack verwendet wird, wird von positiver bzw. negativer Belichtung bzw. Resist gesprochen. Anschließend werden diese Schichten entwickelt und können unter verschiedenen Aspekten, je nach Anwendung, weiter prozessiert werden.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Strukturierungsmaske mit einem Grundköper, der mindestens in einem Abschnitt eine nicht-plane, also gebogene Oberfläche aufweist. Der Grundkörper der Strukturierungsmaske ist insbesondere flächig ausgebildet, d. h. dass seine Länge und Breite um ein Vielfaches kleiner ist als seine Dicke (einschließlich entlang der Krümmung der Strukturierungsmaske).

Der mindestens eine Abschnitt des flächigen Grundkörpers der Strukturierungsmaske kann unterschiedliche Formen aufweisen. So kann er zylindrisch, elliptisch oder oval ausgeformt sein bzw. zylindrische, elliptische oder ovale Abschnitte aufweisen. Der Grundkörper kann also z. B. eine Halbschale eines Zylinders darstellen.

In einer Ausführungsform ist die Krümmung der Strukturierungsmaske gleichmäßig, also an jeder Stelle gleich stark gekrümmt. In einer anderen Ausführungsform ist die Krümmung der Maske ortsabhängig.

Das zu strukturierende Substrat weist ebenfalls eine gekrümmte Oberfläche auf oder eine Oberfläche, die in zumindest einem Abschnitt gekrümmt ist. Die Strukturierungsmaske wird insbesondere an das zu bearbeitende Substrat oder die zu bearbeitende Stelle in der äußeren oder inneren Geometrie angepasst. An das Substrat selbst sind keine besonderen Anforderungen zu stellen.

In einer Ausführungsform haben Strukturierungsmaske und zu bearbeitendes Substrat einen identischen Mittelpunkt, d.h. die Krümmungsradien verlaufen parallel zueinander. In einer anderen Ausführungsform sind die Mittelpunkte der genannten Radien verschieden und Strukturierungsmaske und zu bearbeitendes Substrat verlaufen nicht parallel zueinander.

In einer Ausführungsform ist der Grundkörper der Strukturierungsmaske aus einem lichtdurchlässigen Material gefertigt, insbesondere aus Glas, Calciumfluorid oder quarzartigem Material mit einer dünnen Metallbeschichtung. Hierbei ist die Dicke der Metallbeschichtung materialabhängig vom Absorptionsvermögen der Schicht, die auftreffende Strahlung nicht mehr transmittiert und beträgt zwischen einigen 10 nm bis hin zu einigen Mikrometern. (s. Beispiele). Bevorzugt für das Maskensubstrat ist ein strahlungs- bzw. lichtdurchlässiges Material, das transparent für die Wellenlänge ist, die beim Lithographieschritt für die Polymerisation verwendet bzw. benötigt wird. Von Vorteil für den Lithographieschritt ist Licht (z. B. breitbandige Lichtquelle, Laserlicht, LED oder Plasmaquellen) im ultravioletten Spektralbereich zwischen 190 nm und 360 nm, aufgrund der höherer Photonenenergie zur Polymerisation. Andere Wellenlängen sind in Abhängigkeit der Materialwahl, des Photolackes, möglich. Die Schichtdicke des aufzubringenden und maskierenden Metalls (z. B. Chrom, Aluminium, Kupfer, Titan, u. a.) beträgt unter 200 nm, da diese Metalle bereits ab niedrigen Schichtdicken keine Transmission für den angegebenen Wellenlängenbereich kleiner 500 nm, aber auch darüber, besitzen. Aluminium weist beispielsweise bereits ab einer Schichtdicke von 60 nm und Chrom ab 90 nm eine Transmission von 0 % auf. Eine andere Ausführungsform des Grundkörpers für die Maske besteht aus einem dünnen Blech, aus den für die dünne Metallschicht geeignet angegebenen Materialien. Hierbei ist die Stärke des Bleches so zu wählen, dass sich zum Einen die an das Substrat angepasste Form daraus herstellen und zum Anderen die zu übertragende Struktur z. B. mittels Laserschneiden aus dem Blech herausarbeiten lässt. So sind z. B. für Aluminium Dicken von mehreren Millimetern möglich. Die Eigenschaften des Grundmaterials hinsichtlich der Biegsamkeit in Abhängigkeit von der Metalldicke, sowie der geforderte Krümmungsradius bzw. die Zielradien sind demnach neben der Strukturierungsfähigkeit ein ausschlaggebender Punkt für die maximale Wandstärke, da bei z. B. mehreren Metern Durchmesser die Maske durchaus dicker als 1 mm sein muss. Bei solchen Dimensionen kann auch mechanisch z. B. mittels eines Bohrers strukturiert werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Strukturierungsmaske der hier beschriebenen Art. Dabei wird ein Grundkörper gefertigt, der mindestens in einem Abschnitt eine nicht-plane (gebogene) Oberfläche aufweist. Ausgehend von den beschriebenen Materialien des Grundkörpers und der aufzubringenden Beschichtung gibt es im Wesentlichen zwei Arten von Herstellungsverfahren, die in Frage kommen.

Auf der einen Seite können als Strukturierungswerkzeuge Laser dienen. Dabei wird durch die spezifische Wechselwirkung eines Laserstrahls (z. B. Eximerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm) mit der metallischen Schicht auf dem z. B. Glaskörper eine chemisch-physikalische Reaktion hervorgerufen, die für das Ablösen der Metallschicht an explizit den bestrahlten Stellen sorgt. Wichtig ist hierbei die Abstimmung der Laserstrahlung mit den Eigenschaften der Metallschicht, denn diese muss bei der verwendeten Laserwellenlänge absorbierend sein. Der Abtrag kann dabei auch aufgeschmolzen, verdampft oder sublimiert werden. Für eine zerstörungsfreie Bearbeitung des Glasgrundkörpers mit Metallbeschichtung sollte der Grundkörper in Form eines Glaskörpers selbst bei der für die Herstellung der Maske verwendeten Wellenlänge transparent sein. Ferner ist die Pulsfrequenz von Bedeutung, da diese indirekt die Pulsspitzenleistung und somit die Art des o. g. Materialabtrages beeinflussen kann. Im Falle des metallischen Grundkörpers können zur Herstellung der Masken ebenfalls Laser verwendet werden, wobei die Leistung, Vorschubgeschwindigkeit und die Laserfolgefrequenz entsprechend zu wählen ist, da diese ausschlaggebend für die Bearbeitungszeit sind. Neben dem photonischen Herstellungsverfahren mittels Lichteinwirkung können die Strukturierungsmasken der hier beschriebenen Art mittels Teilchenbeschuss, z. B. durch Elektronen- oder Ionenbeschuss gefertigt werden. Sinnvoll ist der Einsatz von Teilchenstrahlen bei der Bearbeitung von Blechmasken nur, wenn der Beschuss zu einem vollständigen Abtrag des Materials führt. Welche Variante zu verwenden ist, ist zum Einen abhängig von der gewünschten Strukturgröße (einige Mikrometer bis hin zu einigen Hundert Mikrometern) und zum Anderen von der Komplexität der Struktur selbst.

Die Elektronenstrahl- und Ionenlithografie sind vorteilhaft im Rahmen der hochauflösenden Lithografie. So werden die Fotomasken für die optische Lithografie heute praktisch nur noch im Direktschreibverfahren mittels Elektronenstrahllithografie hergestellt. Elektronenstrahlschreiber sind vom Funktionsprinzip her modifizierte Rasterelektronenmikroskope.

Mit Excimer-Lasern oder ähnlichen Quellen kann der Röntgenlithografieschritt durch die Laserlithografie ersetzt werden. Dabei werden ultrakurze Laserimpulse verwendet mit einer Ein-Photonen-Energie unterhalb der Absorptionsschwelle des photosensitiven Mediums. Dies bedeutet, dass das zu belichtende Material transparent für das verwendete Laserlicht ist. Wird jedoch dieser Laserstrahl stark fokussiert, so werden im fokalen Volumen Mehrphotonen-Absorptionsprozesse wahrscheinlich. Dies ermöglicht eine chemische und/oder physikalische Modifikation im fokalen Volumen, und letztlich eine selektive Löslichkeit des belichteten Bereichs relativ zu dem umgebenden. Nach dem Bad in einem Entwickler können so, abhängig von dem verwendeten photosensitiven Material unbelichtete oder belichtete Bereiche herausgelöst werden. Somit können nahezu beliebige 3D-Strukturen aus unterschiedlichen photosensitiven Materialien (z. B. SU-8, Ormocere, PDMS, chalcogenide Gläser) hergestellt werden.

In einer Ausführungsform kann die Maske durch das hier beschriebene Verfahren gefertigt werden.

In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Strukturierung eines Substrats mit einer nicht-planen (gebogenen) Oberfläche, insbesondere zur Herstellung von Mikro- und/oder Makrostrukturen auf einer zylindrisch oder elliptisch geformten Oberfläche. Dabei wird bevorzugt eine Strukturierungsmaske der hier beschriebenen Art verwendet. Die Besonderheit des lithographischen Prozesses bzw. des Strukturierungsverfahren mittels Strukturierungsmaske der hier beschriebenen Art besteht darin, dass sowohl Innen- als auch Außenstrukturierungen an zylindrischen offenen und geschlossenen Körpern möglich sind. Beim Strukturierungsverfahren sind ausschließlich die Position der Lichtquelle, die angepasste Maskenstruktur und die nachträgliche, lokale Beschichtung der lithographisch bearbeiteten Bereiche von Bedeutung. Die Strukturierung des zu strukturierenden Substrats erfolgt mittels einer Lichtquelle, die entweder außen (sogenannte Außenstrukturierung) um die Strukturierungsmaske herum angeordnet ist oder bewegt wird, so dass alle strukturierten (Maske) oder zu strukturierenden (Substrat) Bereiche homogen bestrahlt werden. Dabei umschließt die Lichtquelle die Strukturierungsmaske in einer Ausführungsform ringförmig, so dass bei der Strukturierung des Substrats eine Bewegung der Lichtquelle nicht durchgeführt werden muss.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Strukturierung des Substrats mittels einer Lichtquelle, die innerhalb der Strukturierungsmaske angeordnet ist (sogenannte Innenstrukturierung). Diese Ausführungsform ist dann anwendbar, wenn das zu strukturierende Substrat innen entweder eine Höhlung oder Aussparung aufweist, die das Einführen der Lichtquelle ermöglicht oder gänzlich hohl ist. Die einzige Forderung, die an die für die Strukturierung eingesetzte Lichtquelle zu stellen ist, bezieht sich auf die Reaktivität des Resists bzw. fotoaktiven Polymers mit der Wellenlänge des Lichtes. Die eingesetzte Lichtquelle kann aus der Gruppe der Laser oder der LEDs, der organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs), der diffusen Licht- bzw. Plasmaquellen gewählt sein. Wichtig ist hierbei die genaue Abstimmung mit den absorbierenden Eigenschaften des Resists bzw. dem Fotoinitiator des Polymers. Die Ausleuchtung der Maske und der zu strukturierenden Bereiche erfolgt homogen. Eine Führung bzw. Bewegung der Lichtquelle findet in einigen Ausführungsformen statt.

In einer speziellen Ausführungsform ist die Maske direkt auf dem Material, das die Lichtquelle nach außen abgrenzt, appliziert. Das heißt, eine absorbierende Schicht aus gennannten Materialen wird direkt auf die Strahlungsquelle außen aufgebracht und durch die genannten Verfahren strukturiert.

In einer Ausführungsform des Strukturierungsverfahrens werden die Eigenschaften der Beugung und der Interferenz ausgenutzt, um eine gezielte Strukturierung zu erzeugen. Hierbei wird die konfigurierte Strukturierungsmaske mit einer monochromatischen Lichtquelle bestrahlt, so dass es aufgrund der Strukturbreiten zu Beugungsinterferenzeffekten kommt. In Abhängigkeit von der Breite der Strukturen können die Beugungsphänomene und die damit verbundenen Interferenzeffekte durch die Fresnel- bzw. die Fraunhoferbeugung kategorisiert werden. Diese speziellen Interferenzstrukturen können bei Wechselwirkung mit dem Resist bzw. fotoaktiven Polymer zur Strukturierung des Substrates im Submikrometerbereich eingesetzt werden. Es kann zu einer graduellen Polymerisation durch die variierende Intensitätsverteilung kommen. In Abhängigkeit vom Maskensystem können die zu fertigenden Strukturen Streifen, Gitter, Punkte und/oder sternförmig ausgeführt sein. Interferenzen treten immer dann auf, wenn es zu einer Überlagerung von zwei oder mehr Wellen nach dem Superpositionsprinzip bezüglich ihrer Amplitude kommt. Die Form der Beugungsmuster ist in Abhängigkeit der Parameter für die Endanwendung zu bewerten und mit geeigneten numerischen oder iterativen Hilfsmitteln zu ermitteln. Dabei ist eine besondere Ausführung als ein so genanntes optisch diffraktives Element (nicht planar) gekennzeichnet. Es gestaltet das nicht plane Maskensystem in einer dynamischen Ausführung, also frei programmierbar, so, dass es sehr variabel für die Generierung von Beugungsmustern jeglicher Art ist. Als günstigere Variante kann es für Produktionszwecke auch statisch.

Wenn man beispielsweise eine Kugel zum Golfball strukturieren möchte, sind leicht gewölbte statt z. B. rechteckige Löcher oder Vertiefungen von Vorteil. Demzufolge ist von den geforderten Zielgeometrien und -strukturen auf die Maskenstrukturen zurückzurechnen, wobei verschiedene Modelle verwendet werden können (z. B. rigorous coupled-wave analysis (RCWA), Berechnung nach Huygens oder mit Fourierintegralen).

Ein weiteres Ausführungsmerkmal des Strukturierungsverfahrens besteht darin, das die Maske insgesamt als eine Art Wellenleiter charakterisiert ist, bei dem an bestimmten Stellen Strahlung für den Lithographieschritt, aus dem zylindrischen Außenbereich, ausgekoppelt werden und für den Lithographieschritt verwendet werden.

Gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen stellt das Herstellungsverfahren für die nicht-planaren Masken eine Imprint-Elektronenstrahl- bzw. Laserlithographie dar. Hingegen wird der lithographische Prozess der eigentlichen Strukturierung des Substrates mittels der erfindungsgemäßen Masken mit Hilfe der Kontaktlithografie, der Proximity-Lithografie oder direkter Lithografieverfahren (direkte Projektion) durchgeführt.

Vorteilhaft ist bei dem hier beschriebenen Verfahren auch, dass im Vergleich zu einer möglichen direkten Strukturierung, ohne Masken, z. B. durch eine Laserbearbeitung sichergestellt werden kann, dass bei einem mehrlagigen Schichtaufbau des Substrats eine Beschädigung tiefer liegender Schichten durch die Strukturierung vermieden bzw. ausgeschlossen wird.

Bei der Kontaktbelichtung wird die Photomaske in direktem Kontakt mit dem Substrat gebracht. Das Verfahren bietet die beste Auflösung von den Schattenwurfverfahren, da der Auflösungsverlust durch Lichtbeugung entfällt. Bei der Proximitybelichtung wird die Maske mit einem Abstand (proximity gap) von ca. 10 bis 50 Mikrometern über dem Fotolack positioniert. Dieser Abstand hilft, Resist und Maske vor Beschädigung zu schützen.

Bei der Projektionsbelichtung wird die Fotomaske nicht im Maßstab 1:1 im Resist abgebildet, wie es bei der Kontakt- und Proximitybelichtung naturgemäß der Fall ist, sondern die Masken werden durch ein Linsensystem verkleinert (typischerweise im Maßstab 5:1 oder 4:1) abgebildet. Ein großer Vorteil dabei ist, dass Partikel, die sich auf der Maske abgesetzt haben, auch verkleinert werden und daher einen geringeren Einfluss auf die erzeugten Strukturen haben. Da die Abbildung einer Maske auf diese Weise nicht das ganze Substrat abdecken kann, werden die Substrate mittels extrem präziser Mechaniken (z. B.: Piezo-Linearantrieb) verfahren und so positioniert, dass die Abbilder der Maske auf einem Raster mit engen Toleranzen liegen (sogenanntes step-and-repeat-Verfahren).

Die Immersionslithografie entspricht im Wesentlichen der Projektionsbelichtung, mit dem Unterschied, dass zwischen Projektionslinse und Fotolack ein brechendes Medium, z. B. Reinstwasser gebracht wird, um die Grenzen der Abbildungsgenauigkeit durch die erhöhte Brechzahl des Mediums zu verbessern.

Beispiele A: Herstellung einer zylindrischen Strukturierungsmaske (s. Fig. 1):

Mittels des im Folgenden beschriebenen Verfahrens wird eine zylindrische Strukturierungsmaske in Form eines Röhrchens, oder eine Teil-, z. B. Halb- oder Viertelschale aus Glas und/oder quarzartigem Material, metallisch beschichtet oder gänzlich aus metallischem bzw. nicht transparentem Material hergestellt.

  • 1. Prozess für eine innere oder äußere Beschichtung eines Substrats in Form eines Glas- oder Quarzröhrchens aus einem polymeren Material als Schutz für mindestens einen der folgenden Beschichtungsprozesse.
  • 2. Prozess für eine innere oder äußere Beschichtung des Glas- oder Quarzröhrchen aus einem metallischen Material (Chrom/ Silber bzw. andere geeignete Metalle) für eine Strukturierung.
    a. Bevorzugt chemische Abscheidung/Benetzung über eine metallische Precursorlösung, ggf. aufweisend die Durchführung eines Temperschritts.
    b. Für eine äußere Beschichtung sind auch Sputter- oder Verdampfungsverfahren möglich.
  • 3. Ablösen der Schutzbeschichtung (siehe Punkt 1), Reinigen und Vorbereiten der außen und/oder innen liegenden Bereiche zur Weiterbearbeitung.
  • 4. Befestigen des vorbereiteten Röhrchens an einer Vorrichtung, die mindestens in Längsrichtung des Röhrchens und in einer Drehachse bewegt werden kann. Die Genauigkeit des Verfahrens der Bewegungen soll in einer Ausführungsform zumindest 1 μm betragen. Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung mit Piezoantrieben lässt genauere Bewegungen zu. Durch die Art des Verfahrens, manuell oder automatisiert, kann jede Position oder Struktur auf einer zylindrischen Fläche, an- oder abgefahren werden.
  • 5. Einbringen der zu strukturierenden Fläche in den Fokuspunkt eines Strukturierungswerkzeugs (z. B. Eximerlaser 248 nm/Stickstofflaser 337 nm, Röhrchen entsprechend transparent für die Laserwellenlänge, Elektronen/Ionenstrahl). Mit der Wahl der Optik bzw. der Justage des Fokuspunktes können auch unterschiedliche Strukturbreiten für die Maske eingestellt werden. Es sind in einer Ausführungsform Strukturierungsbreiten von etwa 10 μm bis über 500 μm vorgesehen. Andere Ausführungen können jedoch auch kleinere oder größere Dimensionen annehmen.
  • 6. Automatisiertes oder manuelles Abtragen von definierten Strukturen auf der beschichteten Innen- oder Außenfläche des Quarzröhrchens. Diese Strukturen können spiral-, meanderförmig, rund, eckig (polygon), flächig und/oder sternartig etc. gestaltet sein.
  • 7. Abschließend ist die Maske zu reinigen und für den eigentlichen Lithographie-Prozess vorzubereiten.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Maske besteht darin, ein metallisches Röhrchen oder Halbröhrchen mit entsprechender zu übertragender Struktur zu verwenden. Dabei sind die Strukturbereiche freiliegend oder offen.

B. Zylindrische Lithographiebelichtungsapparatur (s. Fig. 2):

  • 1. Kreisförmige und flächige vorwiegend monochromatische Belichtung der zylindrischen Maske über ein(e)
    a. LED Array oder OLED Flächenstrahler
    – Scannend oder direkt
    b. Diffuse Lichtquelle
    – Rauer Spiegel oder Selbstleuchtend
    c. Laser
    – Scannend direkt oder Spiegelsystem konvex/ konkav
    d. Plasmaquellen (insbesondere für kurze bis sehr kurze Wellenlängen)
    – direkt
  • 2. Bewegung des Belichtungssystems über die Strukturierungsmaske durch z. B. eine Achse in lateraler oder in einer drehenden Bewegung, oder Bewegung der Maske inklusive der zu strukturierenden innen liegenden Bereiche durch den von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl.
  • 3. Bewegung des Belichtungssystems durch die Strukturierungsmaske durch z. B. eine Achse in lateraler oder drehenden Bewegung, oder Bewegung der Maske inklusive der zu strukturierenden außen liegenden Bereiche durch den von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl.

Ausführung für sehr enge Durchmesser einer zylindrischen Maske bzw. kleine Durchmesser mit einer Innenstrukturierung:

Diese Ausführungsform der Vorrichtung zielt darauf ab, den inneren, nach außen hin offenen Bereich der Strukturierungsmaske durch sehr steilen (< 90° zur Längsachse Maske) Einfall von diffusem Licht einer Wellenlänge (zur Photovernetzung) als eine Art Lichtwellenleiter zu verwenden, bei dem durch Mehrfachreflektion die Strahlung durch die Maske geführt und an den geöffneten Bereichen, den zu belichtenden Stellen bzw. Strukturen, wieder verlässt, um die Vernetzung der Polymere einzuleiten. Anstatt der kleiner 90° zur Längsachse des Wellenleiters einfallenden Strahlung kann auch eine Streulinse am Eingang der Maske so positioniert werden, dass ein Lichtstrahl in die Maske hineinstreut.

Prinzipskizze und Simulationsmodell, s. Fig. 4. C. Darstellung eines lithographischen Prozesses für ein Substratröhrchen bzw. einer möglichen industriellen Applikation

  • 1. In einer Ausführungsform ist eine Beschichtung einer Grundierung oder anderweitiger Funktionsschicht (Haftvermittler, Isolator etc.) vorzusehen.
  • 2. Beschichten der zylindrischen Substrate innen oder außen, mit einem Photoresist (positiv/negativ), Auswahl je nach Auslegung des Belichtungssystems (Wellenlänge) und nachfolgende Beschichtung
    Der Resist ist als ein photovernetzbares Polymer im Stand der Technik bekannt und beschrieben. Dem Resist können bei Bedarf anwendungsspezifische anorganische Bestandteile hinzugefügt werden, die später in der bzw. nach einer Nachbehandlung an belichteten Bereichen zurückbleiben bzw. mit dem vernetzen Polymer eine Hybridfunktionsschicht bilden. Diese Resiste können kommerziell erworben werden oder müssen bei speziellen Applikationen in z.B. Hybridbereich neu komponiert werden.
  • 3. Einbringen in die Belichtungsapparatur und Durchführen des Belichtens Zusätzlich kann zwischen der Strukturierungsmaske und dem zu belichtenden Bereich ein Immersionsmedium zur Verbesserung der Qualität eingebracht werden.
  • 4. Entnehmen des belichteten Körpers (z. B. Zylinder, runder oder elliptisch geformter Körper).
  • 5. Entwickeln und Entfernen der entsprechenden Bereiche.
  • 6. Beschichten/Fertigen der Strukturen durch z. B. Dippen, galvanisch, elektrolytisch und Verdampfen oder Sputtern (Plasma unterstützter Prozess).
  • 7. Nachbehandlung wenn notwendig, z.B. Trocknen, Tempern, Entfernen spezieller Bereiche, etc.
  • 8. Entfernen der nicht beschichteten Bereiche sofern notwendig. In einigen Anwendungsformen kann es notwendig sein, nicht belichtete Bereiche zu belassen (graduelle Belichtung, insbesondere bei der speziellen Ausführung Beugungsinterferenzlithographie).

Ein fertig strukturiertes Substrat ist in 3 gezeigt.

Für die Reinigung der Maske ist optional ein entsprechend dem eingesetzten Resist / Öl, und/oder geeignetes Lösungsmittel vorzusehen. Die Maske ist je nach Bedarf auf Fehler hin zu prüfen. Die Integration einer Optik zur visuellen Prüfung während der Prozesse ist vorteilhaft.

Besondere Ausführungsform

Eine Ausführung der Strukturierungsmaske bzw. des Verfahrens und des zu strukturierenden Bereiches zielt darauf ab, dass das zylinderförmige Substrat durch Beugungsinterferenzeffekte belichtet wird. Die zu fertigenden Strukturen können je nach Ausführung des Maskensystems Streifen, Gitter oder Punkt und sternförmig als Beugungsmuster ausgeführt sein. Dabei können die physikalischen Effekte der Fresnelschen (Maske, Lichtquelle, Schirm liegen eng zusammen, Kugelwelle) und oder Fraunhoferschen Beugung (Probe/Schirm und Lichtquelle weit entfernt von der Maske, ebene Welle) ausgenutzt werden. Damit ist es möglich, ein weitgehend graduelles Vernetzungsprofil zu realisieren. In Abhängigkeit von der Intensität des Lichtes, also der Photonenenergie, vernetzen die bestrahlten Bereiche unterschiedlich. Das bedeutet, dass in einem Bereich mit wenig oder gar keiner Intensität, keine oder wenig Vernetzung stattfindet und je nach Anstieg der Intensität (siehe Intensitätsgrafiken bzw. Beugungsbilder) bis zu einem bestimmten, materialabhängigen Wert mehr und mehr Vernetzung erreicht wird. Damit kann man in einer besonderen Ausführungsform polymere „Hybridstrukturierungen“ fertigen. Im Fall der Anordnung nach dem Fresnelschen Prinzip sind sub-Mikrometer Strukturen zu erwarten. Im Fall der Fraunhoferschen Beugung sind durch gezielte Einstellung der Maskengeometrie die Überlagerungen höherer Beugungsordnungen von Interesse. Damit ist eine gezielte graduelle Belichtung möglich, der Grad der Vernetzung hängt unmittelbar mit der Intensität der eingestrahlten Wellenlänge zusammen. Das ermöglicht das Einstellen z. B. eines elastischen bzw. teilverfestigten Zustandes. Damit sind beispielsweise tribologische oder optische Eigenschaften lokal einstellbar. Je nach Konfiguration/ Anforderung ist das Beugungsprofil einstellbar.

Eine Prinzipdarstellung an planaren Oberflächen ist in 5 gezeigt. Beispiele hierzu sind in 6 gezeigt.

Beispielhafte Anwendungen

Im Folgenden werden beispielhafte Anwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren genannt: Herstellen von definierten Strukturen auf runden oder elliptischen, Oberflächen aus einem beliebigen Material und bestimmten Eigenschaften z. B. Leitfähigkeit, Widerstände, Kondensatoren etc. für z. B. Sensoren.

Herstellen von definierten Strukturen auf runden oder elliptischen Oberflächen aus einem beliebigen Material und bestimmten Eigenschaften z.B. Absorption, Reflektion etc. für z. B. Kollektoren.

Herstellen von definierten Strukturen auf runden oder elliptischen, Oberflächen aus einem beliebigen Material und bestimmten Eigenschaften z. B. hydrophobe etc. für z. B. selbstreinigende Oberflächen.

Herstellen von definierten Strukturen auf runden oder elliptischen, Oberflächen aus einem beliebigen Material und bestimmten Eigenschaften z. B. katalytische Eigenschaften etc. für z. B. Katalysatoren.

Herstellen von definierten Strukturen auf runden oder elliptischen, Oberflächen aus einem beliebigen Material und bestimmten Eigenschaften, z. B. tribologische Eigenschaften für z. B. Gleitlageranwendungen.

Herstellen von definierten Strukturen auf runden oder elliptischen, Oberflächen aus einem beliebigen Material und bestimmten Eigenschaften, z. B. neuartige Applikationen und Funktionalitäten auf z. B. Prägekörpern in der Papier und Kartonagenindustrie.

Figuren

1: Beispiel für eine fertig bearbeitete Strukturierungsmaske mit beschichtetem, transparentem, Substrat für eine innen oder außen liegende Strukturierung aus Basis des lithographischen Prozess (nach Beispiel A.).

2: Beispiele für eine Vorrichtung (nach Beispiel B.)
Links (Außenstrukturierung) 1: – Lichtquelle, 2 – Strukturierungsmaske, 3 – Substrat;
Rechts (Innenstrukturierung) 1’ – Lichtquelle, 2’ – Strukturierungsmaske, 3’ – Substrat.

3: Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung außen (links) oder innen (rechts) strukturierte Substrate mit nicht-planer Oberfläche(nach Beispiel C.).

4: Ausführungsform der Vorrichtung für sehr enge Durchmesser einer zylindrischen Strukturierungsmaske bzw. kleine Durchmesser mit einer Innenstrukturierung, Simulationsmodell.

5: Prinzipdarstellung der Beugung an planaren Oberflächen.

6: Beispiele für Geometrien und Beugungsmuster (oben) und theoretischer Hintergrund (unten).

7: A: Skizze in der Simulationsansicht (Teilansicht, Vereinfachung für Innenstrukturierung): theoretischer Verlauf Lichtstrahlen, Maske und zu belichtende Oberfläche, für eine äußere Beschichtung gilt der umgekehrte Aufbau;
B: Skizze in der Simulationsansicht: theoretischer Verlauf eines Belichtungsvorgangs, der Lichtstrahl fällt durch eine nach jeweiligem Zweck vorstrukturierte Maske und fällt auf den mit einem photovernetzendem Material beschichtetem zylindrischen Körper. Auf dem Ausschnitt des zylindrischen Körpers erkennt man die zu übertragene Struktur auf das photoaktiv vernetzende Polymermaterial;
C: Im der Figur ist die simulierte Intensität bzw. Bestrahlungsstärke in einem Plot über den zu belichtetem Bereich aufgetragen.