DE102010043059A1

DE102010043059A1 - Imprinttemplate, Nanoimprintvorrichtung und Nanostrukturierungsverfahren

Info

Publication number: DE102010043059A1
Application number: DE102010043059A
Authority: DE
Inventors: Robert Kirchner; Matthias Dr. Plötner; Wolf-Joachim Prof. Dr. Fischer
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2011-05-12
Also published as: US20110115130A1; US8303291B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Imprinttemplate für den Einsatz in Nanoimprintlithographieverfahren, eine Nanoimprintvorrichtung geeignet für UV-Nanoimprintlithographieverfahren und ein Nanostrukturierungsverfahren zur direkten Strukturierung eines UV-empfindlichen Prägematerials auf einem Substrat. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, kostengünstige und einfache Imprinttemplates, sowie eine entsprechende Nanoimprintvorrichtung und ein Nanostrukturierungsverfahren zu entwickeln, das sowohl für die Ultraviolett-Nanoimprintlithographie als auch für die thermische Nanoimprintlithographie nutzbar ist. Dies wird erreicht durch ein Imprinttemplate, das aus einem nichttransparenten, strukturierten Chip und einem transparenten Grundkörper besteht, einer Nanoimprintvorrichtung und einem Nanostrukturierungsverfahren, in denen ein zumindest teilweise nichttransparentes Imprinttemplate sowie eine über der Imprinttemplate-Halterung befindliche UV-Quelle zur Strukturierung mittels indirekter Belichtung durch Reflektion des von der UV-Strahlungsquelle ausgesendeten Lichts in Richtung der fotoaktiven Schicht eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Imprinttemplate für den Einsatz in Nanoimprintlithographieverfahren, eine Nanoimprintvorrichtung geeignet für UV-Nanoimprintlithographieverfahren und ein Nanostrukturierungsverfahren zur direkten Strukturierung eines UV-empfindlichen Prägematerials auf einem Substrat.
Die Nanoimprintlithographieverfahren sind mechanische Direktstrukturierungsverfahren, bei dem ein Prägewerkzeug, auch Prägestempel, Imprintmaske oder hier folgend Imprinttemplate genannt, das an seiner Oberfläche ein Relief aufweist, mit seinem Relief in ein zu strukturierendes Material, das sogenannte Prägematerial, hineingedrückt wird, um es auf diese Weise zu verformen bzw. zu strukturieren. Infolgedessen wird das Relief als Negativ im Prägematerial eins zu eins abgebildet.
Man unterscheidet dabei im Wesentlichen Nanostrukturierungsverfahren, die hohe Temperaturen und Drücke verwenden, um thermoplastische Materialien zu verformen, die sogenannte thermische Nanoimprintlithographie bzw. T-NIL, von Verfahren, die ultraviolettes Licht (UV-Licht) verwenden, um UV-härtende Polymere in Kontakt mit dem Prägewerkzeug auszuhärten und so die Werkzeugstruktur abzuformen, die sogenannte UV-Nanoimprintlithographie bzw. UV-NIL. Weiterhin sind verschiedene Kombinationen der beiden genannten Verfahren möglich.
Da es sich bei den Nanoimprintlithographieverfahren um solche Strukturierungsverfahren handelt, bei denen die gewünschten Nanostrukturen direkt mit hoher Präzision bei vergleichsweise niedrigen Kosten erzeugt werden können, sind sie für geeignete Anwendungen eine hervorragende Alternative zu traditionellen, um Größenordnungen teureren Foto- und Elektronen-Lithographie-Techniken, bei denen zudem die Nebeneffekte der Beugung und Streuung der dort zur Belichtung und damit zur Strukturierung verwendeten Teilchen sehr aufwendig minimiert werden müssen.
In bisherigen Nanoimprintvorrichtungen werden entweder vollständig nichttransparente Imprinttemplates für T-NIL (typischerweise Silizium-Templates) oder aber vollständig transparente Imprinttemplates für UV-NIL (typischerweise Quarz-Templates) verwendet. Die transparenten UV-NIL-Templates können prinzipiell auch für T-NIL eingesetzt werden.
Für die nichttransparenten T-NIL-Templates werden üblicherweise strukturierte, nichttransparente Silizium-Chips, die das Negativ der Strukturen, die in das auf dem Substrat befindliche Prägematerial einzuprägen sind, enthalten, auf nichttransparente Grundkörper befestigt.
Für transparente UV-NIL-Templates findet man im Stand der Technik wiederum 2 grundsätzliche Varianten: die Verwendung von monolithischen Imprinttemplates oder aber die Verwendung von zusammengesetzten Imprinttemplates, die aus einem vollständig unstrukturierten, transparenten Grundkörper bestehen, auf denen ein transparenter Chip befestigt wird.
Monolithische transparente Imprinttemplates, die in der Regel ein Format 65 mm × 65 mm × 6,35 mm (B × T × H) aufweisen, enthalten in der Mitte des Templates einen hervorstehende Strukturblock, die sogenannte Mesa. Diese Mesa erhebt sich mehrere Mikrometer, üblich sind bis zu 50 μm, über die restliche Templatefläche. Zumeist ist die Mesa kleiner als die 65 mm × 65 mm Kantenlängen des gesamten Templates, meist sind weniger als 25 mm × 25 mm die üblichen Kantenlängen der Mesa. Auf der Mesa befindet sich die Nutzstruktur, die als Prägestruktur fungiert. Die Strukturierung der Mesa kann durch Standard-Verfahren der Halbleitertechnologie, in der Regel durch anisotrope Nass- oder Trockenätzverfahren nach einer fotolithographischen Erzeugung einer entsprechenden Ätzmaske, erfolgen. Aber auch mechanische Verfahren, wie zum Beispiel Fräsen, sind mögliche Strukturierungsverfahren der Mesa. Die Struktur auf dieser Mesa entspricht dem Negativ der Struktur, die in das auf dem Substrat befindliche Prägematerial einzuprägen ist.
Bei einem zusammengesetzten transparenten Imprinttemplate handelt es sich hingegen um einen vollständig unstrukturierten, transparenten Grundkörper, dessen Kantenlängen üblicherweise 65 mm × 65 mm × 6,35 mm betragen, und einem darauf befestigten transparenten Chip, der üblicherweise weniger als 1 mm dick ist, meist aus Quarz besteht, und in der Regel auf den unstrukturierten, transparenten Grundkörper befestigt wird. Auch hier entspricht die Struktur auf dem Chip dem Negativ der Struktur, die in das auf dem Substrat befindliche Prägematerial einzuprägen ist.
Nach dem Stand der Technik sind Nanoimprintvorrichtungen so aufgebaut, dass das Substrat mit der darauf befindlichen zu strukturierenden Schicht, die auch als Prägematerial bezeichnet sei, auf einer Auflage, dem sogenannten Chuck, der mechanisch und thermisch stabil ist und beispielsweise aus Siliziumcarbid bestehen kann, aufliegt. Über diesem Substrat, aber vor Durchführung des Nanoimprintlithographie-Verfahrens noch nicht in Kontakt mit diesem, befindet sich eine vorzugsweise in x-, y- und z-Richtung manipulierbare Halterung die das Imprinttemplate enthält, dessen strukturierter Teil zur zu strukturierenden Schicht des Substrates zeigt.
Üblicherweise ist bei den UV-NIL Techniken die UV-Strahlungsquelle zur Belichtung des UV-empfindlichen Prägematerials direkt in die Halterung integriert. Für diese UV-NIL Techniken ist die Halterung wie auch das Imprinttemplate transparent, es wird durch das gesamte Imprinttemplate hindurch belichtet.
Die Anforderung an die Transparenz des Imprinttemplates zusammen mit den Anforderungen an die chemischen und mechanischen Eigenschaften eines Imprinttemplates wie eine hohe Härte und chemische Beständigkeit führt jedoch zu einer sehr eingeschränkten Auswahl an Materialien für transparente Imprinttemplates. Der meisteingesetzte Werkstoff ist hier Quarz. Obwohl die Herstellungstechnik für Quarz-Imprinttemplates als vorangeschritten im Vergleich zu anderen möglichen Materialien bezeichnet werden kann, stellt die Strukturierung von Quarz eine größere Herausforderung dar und wird in der hier notwendigen Strukturgröße nur von wenigen, spezialisierten Anbietern beherrscht. Der Aufbau einer entsprechenden Kompetenz zur Quarz-Strukturierung ist sehr zeit- und kostenaufwendig und ist deshalb in der Regel für Nutzer der Nanoimprintlithographieverfahren nicht effektiv. Sowohl die monolithischen, transparenten UV-NIL-Templates als auch die für zusammengesetzte transparente UV-NIL Templates verwendeten strukturierten Quarz-Chips, die dann auf Grundkörpern befestigt werden, müssen somit kostenintensiv von den spezialisierten Anbietern bezogen werden.
Weitere Probleme der Nutzung solcher vollständig transparenter Imprinttemplates treten auf, wenn man diese Imprinttemplates auch für thermische Nanoimprintlithographieverfahren bzw. für eine Kombination beider Verfahren einsetzen möchte:
Aufgrund der erhöhten Gefahr der Beschädigung während thermischer Nanoimprintlithographieverfahren ist es hier umso wichtiger, kostengünstige Imprinttemplates herstellen zu können. Außerdem haben die derzeit verwendeten transparenten Imprinttemplates thermische Ausdehnungskoeffizienten, die in der Regel stark von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der derzeit verwendeten Substrate, wie zum Beispiel Silizium, auf denen die Struktur aufgeprägt werden soll, abweichen. Große Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Imprinttemplate und Substrat schließen einen Einsatz dieser Template in thermischen Nanoimprintlithographieverfahren oder aber kombinierten UV- und thermischen Nanoimprintlithographieverfahren für sehr anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Auflösung aus.
Um die Vorteile von nichttransparenten Imprinttemplates für die UV-NIL nutzen zu können, wird deshalb eine weitere Möglichkeit der UV-NIL beschrieben, bei der nichttransparente Imprinttemplates eingesetzt werden: Dazu wird allerdings von unterhalb des transparenten Substrates aus belichtet. Dies bedingt, dass sich die UV-Quelle unter oder in dem Chuck befinden muss und sowohl dieser Chuck als auch notwendigerweise das Substrat transparent sein müssen. Eine solche Anordnung birgt jedoch einige Probleme: Der Chuck soll ggf. gleichzeitig Möglichkeiten zum Aufheizen oder Kühlen bieten, eine sich darin befindliche UV-Quelle würde dies nur sehr schwer und kostenintensiv realisierbar machen.
Die DE 20 2006 008 399 U1 beschreibt des Weiteren eine Variante der Herstellung eines zumindest teilweise transparenten Imprinttemplates, bei dem zunächst die Prägestruktur des Imprinttemplates in einem Voroxidationszustand strukturiert wird, um hierfür einfache und gut beherrschte Strukturierungsverfahren verwenden zu können und im Anschluss an die Strukturierung ganz oder teilweise durchoxidiert wird, um dieses Imprinttemplate dadurch, sofern die UV-Nanoimprintlithographie genutzt werden soll, transparent zu machen. Bei dem Voroxidationszustand, sofern es ein siliziumhaltiges Imprinttemplate betrifft, handelt es sich allerdings nicht um reines Silizium, sondern um eine nichtstöchiometrische SiO_x Verbindung mit im Mittel 1 < x < 2. Auch beim Einsatz anderen Materialien werden nichtstöchiometrische Verbindungen genutzt, die dann entsprechend strukturiert werden müssen und deren finale Qualität von der jeweiligen Voroxidationszustand und der Nachbehandlung durch Oxidation abhängt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, kostengünstige und einfache Imprinttemplates, sowie eine entsprechende Nanoimprintvorrichtung und ein Nanostrukturierungsverfahren zu entwickeln, das sowohl für die Ultraviolett-Nanoimprintlithographie als auch für die thermische Nanoimprintlithographie nutzbar ist. Dazu sollte eine bereits bestehende Nanoimprintvorrichtung ohne wesentliche Modifikationen eingesetzt werden können.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Imprinttemplate nach Anspruch 1, eine Nanoimprintvorrichtung nach Anspruch 5 und ein geeignetes Nanostrukturierungsverfahren nach Anspruch 13. Die Unteransprüche 2 bis 4, 6 bis 12 und 14 bis 15 beschreiben jeweils günstige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein neuartiges Imprinttemplate für den Einsatz in Nanostrukturierungsverfahren, also Verfahren, die zur zumeist direkten Strukturierung eines Prägematerials auf einem Substrat mit Hilfe eben dieses Imprinttemplates genutzt werden. Dieses Imprinttemplate besteht aus einem unstrukturierten Grundkörper und einem darauf befestigten strukturierten Chip. Dabei soll unter einem Chip im weiteren Sinne ein in der Regel komplett strukturierter Teilkörper bzw. ein strukturiertes Element verstanden werden. Der Grundkörper hat üblicherweise Kantenlängen von 65 mm × 65 mm × 6,35 mm, während der darauf befestigte Chip weniger als 1 mm dick ist und Kantenlängen aufweist, die in der Regel wesentlich kleiner, höchstens jedoch genauso lang sind wie die des unstrukturierten Grundkörpers. Im Gegensatz zum Stand der Technik, nach dem entweder sowohl unstrukturierter Grundkörper als auch strukturierter Chip nichttransparent oder aber beide transparent sind, wird das erfindungsgemäße Imprinttemplate gebildet durch einen transparenten unstrukturierten Grundkörper, auf dem ein nichttransparenter strukturierter Chip befestigt wird. Der unstrukturierte Grundkörper, für den aufgrund seiner einfachen Herstellbarkeit eine große Zahl von Materialien genutzt werden kann, bietet somit Transparenz für UV-Strahlung und stellt selbst kein Hindernis für seinen Einsatz in der UV-Nanoimprintlithographieverfahren dar. Kann man für den darauf befestigten strukturierten Chip hingegen ein nichttransparentes Material wählen und trotzdem das so hergestellte Imprinttemplate neben der Nutzung in der thermischen Nanolithographie auch für die UV-Nanoimprintlithographie einsetzen, so kann man hier auf wesentlich einfachere und kostengünstigere Strukturierungsverfahren zurückgreifen, als dies bei möglichen transparenten Materialien für den strukturierten Chip der Fall wäre. Insbesondere kann man einen enormen kosten- und fertigungstechnischen Vorsprung erreichen, wenn man Silizium als Grundmaterial für den zu strukturierenden Chip verwenden kann, der auf den transparenten unstrukturierten Grundkörper des Imprinttemplates befestigt wird, da hierfür die aus der Halbleiterindustrie bekannten Silizium-Strukturierungsverfahren eingesetzt werden können, so dass Silizium als ideales Material für die Herstellung des strukturierten Chips des Imprinttemplates bezeichnet werden kann. Zudem wird durch einen solchen Aufbau (nichttransparenter, strukturierter Chip auf transparentem Grundkörper) eines Imprinttemplates auch der Einsatz von nano-porösen, anodisch oxidierten Aluminium oder aber Teflon oder anderen Polymerwerkstoffen als Material für den strukturierten Chip des Imprinttemplates möglich gemacht.
Ein dazu passender transparenter Grundkörper kann aus Quarz, Glas oder anderen transparenten oxidischen Materialien bestehen, das hier sowohl die gegebenenfalls bestehenden Anforderungen an mechanische, chemische und thermische Beständigkeit erfüllt und dessen Einsatz als für UV-Strahlung transparentes Material für verschiedene andere Anwendungen, unter anderem als Linsenmaterial oder als Fotomaskensubstrat in der Fotolithographie seit langem üblich ist. Die Tatsache, dass sich Quarz oder Glas nur sehr schwer strukturieren lässt, ist bei alleinigem Einsatz des Materials für den unstrukturierten Grundkörper des Imprinttemplates unerheblich.
Eine Möglichkeit, den nichttransparenten strukturierten Chip auf dem transparenten unstrukturierten Grundkörper zu befestigen, ist die Verbindung von Chip und Grundkörper durch Kleben. Das ist ein bekanntes Verfahren, um aus zwei Teilen bestehende Imprinttemplates zu fertigen, allerdings sind nach dem Stand der Technik transparente Materialien auf andere transparente Materialien bzw. nichttransparente Materialien auf nicht transparente Materialen mittels Klebeverbindung befestigt worden. Diese Art der Verbindungserzeugung durch Kleben wird nun auf die Verbindung eines nichttransparenten strukturierten Chips auf einen transparenten Grundkörper in einfacher Weise übertragen. Neben dem Zusammenfügen durch Kleben sind jedoch auch bei den hier verwendbaren Materialien für den nichttransparenten strukturierten Chip und für den transparenten Grundkörper neue Fügeverfahren möglich wie zum Beispiel das anodische Ronden oder andere Direktbondverfahren für die Verbindung von einem strukturierten Silizium-Chip und einem Grundkörper aus Glas. Diese neuen Fügeverfahren haben Vorteile gegenüber dem bekannten Kleben: Die beim Kleben verwendeten Klebstoffe sind zumeist chemisch nicht beständig genug, um die notwendige chemische Reinigung der Imprinttemplates zu überstehen. Es sind zusätzliche, aufwendige Passivierungsschichten nötig, um die Klebstoffe vor einem chemischen Angriff während der Reinigung zu schützen. Anodisch gebondete Verbindungen sind hingegen chemisch deutlich stabiler und dauerbelastbarer als geklebte Verbindungen.
Die so erzeugten Imprinttemplates sind prinzipiell sowohl für die thermische Nanoimprintlithographie als auch für die UV-Nanoimprintlithographie einsetzbar: Für die thermische Nanoimprintlithographie ist der strukturierte Silizium-Chip, also der Teil des Imprinttemplates, der im direkten Kontakt mit dem Prägematerial die Strukturierung dieses Prägematerials gewährleistet, schon nach dem Stand der Technik das üblicherweise eingesetzte Material.
Für die UV-Nanoimprintlithographie ist ein solcher Einsatz möglich, wenn er unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäßen Nanoimprintvorrichtung erfolgt, die es aufgrund Ihrer besonderen Merkmale erlaubt, dass eine indirekte Belichtung des fotoaktiven Prägematerials möglich ist, während das Prägematerial selbst von der UV-Quelle durch den strukturierten Chip des Imprinttemplates abgeschattet ist. Dies ist möglich in einer Anordnung, die einen Chuck zur Aufnahme eines Substrats mit einer sich darauf befindlichen Schicht aus Prägematerial, eine Halterung zur Aufnahme eines Imprinttemplates, das mittels Einstellung der Halterung über dem Substrat positionierbar ist und eine über dem Imprinttemplate befindlichen UV-Strahlungsquelle enthält, in der mindestens der die abzubildenden Strukturen enthaltende Teil des Imprinttemplates nichttransparent ist und die Vorrichtung durch die Anordnung Ihrer Bestandteile Möglichkeiten zur indirekten Belichtung durch Reflektion des von der UV-Strahlungsquelle ausgesendeten Lichts in Richtung der fotoaktiven Schicht bietet.
Vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem in dieser Vorrichtung verwendeten Imprinttemplate um ein erfindungsgemäßes Imprinttemplate handelt, dass aus einem transparenten Grundkörper besteht, auf dem ein nichttransparenter strukturierter Chip befestigt ist, da ein solches Imprinttemplate die Abschattung des fotoaktiven Prägematerials von der UV Strahlungsquelle auf das notwendige Minimum der Größe des nichttransparenten strukturierten Chips, der sich auf dem Grundkörper befindet, reduziert.
In einer günstigen Ausführung ist das auf dem Chuck befindliche Substrat mindestens teilweise transparent derart, dass es eine mehrere hundert Nanometer dicke transparente Schicht enthält, die sich direkt unter dem Prägematerial befindet. In einer besonders günstigen Ausgestaltung ist diese transparente Schicht dicker als 500 nm. Die Grenzfläche dieser transparenten Schicht zu der sich darunter befindlichen Schicht des Substrats ist dabei stark reflektierend gestaltet oder es ist eine zusätzliche hochreflektierende und homogenisierende Schicht zwischen der transparenten und der nichttransparenten Schicht des Substrats angeordnet. Das erlaubt den Eintritt des aus der UV Strahlungsquelle ausgesendeten Lichts in diese sich unter dem Prägematerial befindliche transparente Schicht, dessen mehrfache partielle Reflektion an den Grenzflächen und/oder in Abhängigkeit vom verwendeten transparenten Material dessen gleichzeitiger Streuung, sowie dessen letztlicher Eintritt hernach in die fotoaktive Schicht unter Herbeiführung der gewünschten Reaktion und damit der Verfestigung der Prägematerialschicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein vollständig transparentes Substrat genutzt, bei dessen Einsatz es wiederum günstig ist, wenn die Grenzfläche des transparenten Substrats zum darunter befindlichen Chuck stark reflektierend gestaltet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein möglichst großer Anteil des UV-Lichts aus der in der Imprinttemplate-Halterung über dem Imprinttemplate befindlichen UV-Quelle in Richtung des zu belichtenden Prägematerials abgelenkt wird. Um die Reflektionswirkung zu verstärken, ist es auch möglich, auf der Rückseite des transparenten Substrats bzw. auf der Oberseite des genutzten Chucks eine zusätzliche hochreflektierende und durch entsprechende Mehrfachreflektionen wiederum auch homogenisierende Schicht aufzubringen.
Da es in vielen Fällen nicht darum geht, die geprägte Struktur als Ätzmaske für das Substrat zu verwenden, sondern vielmehr das Substrat als Grundkörper zur mechanischen Stabilisierung der geprägten Struktur zu nutzen, ist neben dem Einsatz von Quarz und Glas auch der Einsatz von transparenten Polymeren, wie PMMA, Polystyrol oder Polycarbonat als Substratmaterial möglich.
Durch die Unterbringung der UV-Quelle in der Imprinttemplate-Halterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, im Chuck ein Heizelement zur kontrollierten thermischen Behandlung des Substrats unterzubringen. Das verschafft prozesstechnisch signifikante Vorteile, da dadurch in derselben Vorrichtung wahlweise sowohl die thermische Nanoimprintlithographie als auch die UV-Nanoimprintlithographie, als auch eine Kombination beider Verfahren für die Strukturierung des Prägematerials möglich ist. Zudem können hierfür kommerziell erhältliche Nanoimprintvorrichtungen ohne wesentliche Umbauten derselben genutzt werden.
Zur effektiveren Nutzung der UV-Strahlung der sich in der Imprinttemplate-Halterung befindlichen Strahlungsquelle für die indirekte Belichtung des fotoaktiven Prägematerials ist es vorteilhaft, wenn das Licht, dass die UV-Strahlungsquelle verlässt, nicht kollimiert ist.
Diese Anordnung kann nun eingesetzt werden für die Durchführung des folgenden erfindungsgemäßen Nanostrukturierungsverfahrens zur Strukturierung eines UV-empfindlichen Prägematerials auf einem Substrat:
Zunächst wird eine Negativstruktur der in das Prägematerial zu prägenden Struktur auf einem nichttransparenten Chip erzeugt. Dazu können konventionelle Fertigungstechnologien genutzt werden: Da vorzugsweise zu diesem Zwecke Silizium-Chips eingesetzt werden, können hier aus der Silizium-Halbleitertechnologie weithin bekannte Silizium-Strukturierungsprozesse und dazu nötig Maschinen kostengünstig genutzt werden. Es ist also keine kosten- und zeitintensive Neuentwicklung eines Imprinttemplate-Strukturierungsverfahrens nötig.
Durch Befestigen des strukturierten nichttransparenten Chips auf einem (transparenten oder nichttransparenten) Grundkörper wird anschließend das eigentliche Imprinttemplate fertiggestellt. An dieser Stelle ist sowohl die Nutzung schon bekannter Techniken wie das Kleben für das Zusammenfügen von Grundkörper und strukturierten Chip möglich, als auch der Einsatz neuer Verfahren wie das anodische Ronden, mit dem beispielsweise ein strukturierter Silizium-Chip auf einem transparenten Quarz- oder Glas-Grundkörper befestigt werden kann.
Das so erzeugte Imprinttemplate wird dann in der Imprinttemplate-Halterung einer üblichen Vorrichtung zur Nanoimprintlithographie mittels UV-NIL justiert, über dem Chuck mit dem lösbar befestigten Substrat, auf dem sich das Prägematerial befindet, positioniert, wobei das Substrat mindestens direkt unter dem Prägematerial eine transparente Schicht enthält oder aber vollständig transparent ist und damit die Möglichkeit bietet, über diese transparente Schicht bzw. das vollständig transparente Substrat UV-Strahlung direkt unter das fotoaktive Prägematerial zu transportieren.
Anschließend wird das Imprinttemplate in Kontakt mit dem Prägematerial des Substrats gebracht und dabei die sich auf dem nichttransparenten Chip des Imprinttemplates befindliche Struktur durch Druckanwendung auf das Imprinttemplate, das dadurch gegen das Substrat gepresst wird, in das Prägematerial eingeprägt.
In diesem angepressten Zustand wird schließlich die eingeprägte Struktur durch eine im folgenden erläuterte indirekte Belichtung des Prägematerials, das zunächst nur durch das Imprinttemplate in der gewünschten Struktur gehalten wird, mit UV-Licht verfestigt, so dass im Anschluss das Imprinttemplate wieder vom Substrat und dessen Prägematerial gelöst werden kann und die Struktur im Prägematerial erhalten bleibt.
In einer bevorzugten Ausführung wird die indirekte UV-Belichtung und damit die Aushärtung des UV-empfindlichen Prägematerials dadurch realisiert, dass eine UV-Strahlungsquelle, die sich in der Halterung des nichttransparenten Imprinttemplates befindet und nichtkollimiertes Licht einer passenden Wellenlänge und eines bezüglich der Anordnung von Imprinttemplate, Substrat und Strahlungsquelle optimierten mittleren Einfallswinkels zum Aushärten das Substrats aussendet, eingeschaltet wird.
Mittlerer Einfallswinkel soll in diesem Fall definiert sein als der Einfallswinkel, der sich aus dem Mittelwert aller Einfallswinkel errechnet. Durch die Verwendung von nichtkollimierter Strahlung wird ein weiter Bereich des Inneren der Nanoimprintvorrichtung mit diesem ungerichteten Licht ausgeleuchtet. Das erlaubt die Nutzung verschiedener Reflektionsmöglichkeiten wie auch der Streuung, um das Licht letztlich trotz Abschattung des Prägematerials durch das Imprinttemplate in dieses Prägematerial hineinleiten zu können. Dieses Licht tritt zunächst auch in die transparente Schicht des Substrates (bzw. in das transparente Substrat) ein, wird an den Grenzflächen der transparenten Schicht des Substrats zur nichttransparenten Schicht bzw. zur Auflage des Substrats sowie der transparenten Schicht zum Prägematerial mehrfach partiell reflektiert und trägt jeweils beim Eintritt von der transparenten Schicht des Substrats in das fotoaktive Prägematerial zur Aushärtung dieses Materials bei.
Um die Funktionalität des gerade beschriebenen Verfahrens noch zu erweitern, ist es in einer weiteren bevorzugten Ausführung zusätzlich möglich, zeitlich nacheinander oder aber auch gleichzeitig eine thermische Behandlung des Substrats vorzunehmen. Das erlaubt es beispielsweise, die Aushärtung durch eine UV Belichtung bei einer definierten Temperatur vornehmen zu können und damit ein gleichbleibend stabiles und reproduzierbares Resultat zu erhalten, einen nachfolgenden Temperschritt einzuführen oder im Anschluss an die UV-Nanoimprintlithographie einen weiteren Schritt in derselben Vorrichtung mittels thermischer Nanoimprintlithographie durchzuführen.
Unabhängig von einem Einsatz in der Nanoimprintlithographie kann mit einem Verfahren, das die indirekte Belichtung wie hier beschrieben nutzt, eine zu belichtende Schicht, die von einer Strahlungsquelle, die nichtkollimiertes Licht aussendet, durch ein nichttransparentes Objekt abgeschattet wird, immer dann indirekt belichtet und strukturiert werden, wenn direkt unter der zu belichtenden Schicht eine transparente Schicht angeordnet wird, die an ihrer Grenzfläche zu ihrem Untergrund das verwendete Licht stark reflektiert und an ihrer Grenzfläche zur lichtempfindlichen Schicht hin das verwendete Licht mehrfach partiell reflektiert, dabei schließlich jeweils Anteile in die zu belichtende Schicht abgibt und damit eine Reaktion in dieser lichtempfindlichen Schicht ausgelöst, die zu deren Aushärtung führt.
Nachfolgend wird die Erfindung nun anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die 1 zeigen schematisch die wichtigsten Bestandteile einer Nanoimprintvorrichtung sowie die Abfolge von deren Anordnung:
1a: unstrukturierter transparenter Grundkörper und strukturierter nichttransparenter Chip eines erfindungsgemäßen Imprinttemplates
1b: aus transparentem Grundkörper und nichttransparentem strukturierten Chip zusammengefügtes Imprinttemplate
1c: erfindungsgemäßes Imprinttemplate positioniert über dem Substrat
1d: erfindungsgemäßes Imprinttemplate in einprägendem Zustand auf dem Substrat
2: Nanoimprintvorrichtung in schematischer Darstellung
In einem ersten Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Imprinttemplate 10 wird ein mittels Prozessen der Silizium-Halbleitertechnologie strukturierter Silizium-Chip 12, der das Negativ der Struktur enthält, die in das Prägematerial, das sich auf dem Substrat 40 befindet, eingeprägt werden soll, genutzt. Der strukturierte nichttransparente Silizium-Chip 12, der weniger als 1 mm dick ist und dessen Kantenlängen 25 mm × 25 mm betragen, wird dann auf einem nichtstrukturierten transparenten Grundkörper 11 aus Glas der Größe 65 mm × 65 mm × 6,35 mm durch anodisches Ronden befestigt (siehe 1a–1d).
Das dadurch erhaltene Imprinttemplate zählt zwar zu den nichttransparenten Imprinttemplates, da ein unter dem die Prägestruktur enthaltenden Silizium-Chip 12 befindliches Prägematerial nicht durch das Imprinttemplate hindurch belichtet werden kann. Jedoch behindert es die Ausbreitung der UV Strahlung nur in dem relativ kleinen Bereich des strukturierten Chips 12. Das erleichtert die Aufgabe, mittels indirekter Belichtung Wege zu finden, um die UV Strahlung trotzdem in das Prägematerial 41 hineinzuführen. Dass das so erzeugte Imprinttemplate 10 auch für die thermische Nanoimprintlithographie genutzt werden kann, versteht sich von selbst, da die Nutzung von strukturiertem Silizium für Imprinttemplates 10 für dieses Verfahren üblich ist.
Desweiteren sei nun ein Ausführungsbeispiel für die eine erfindungsgemäße Vorrichtung für Nanoimprintlithographieverfahren beschrieben (siehe 2), die es erlaubt, mit nichttransparenten Imprinttemplates 10 sowohl die UV Nanoimprintlithographie als auch die thermische Nanoimprintlithographie durchzuführen. Um den Entwicklungsaufwand so gering wie möglich zu halten und eine kommerzielle Nanoimprintvorrichtung als Basis verwenden zu können, befindet sich dazu eine UV-Strahlungsquelle 30 in der Imprinttemplate-Halterung 20 oberhalb des Imprinttemplates 10. Die UV-Strahlungsquelle 30 sendet nichtkollimiertes Licht aus. Um diese Anordnung von UV-Strahlungsquelle 30, nichttransparenten Imprinttemplate 10 und vom Imprinttemplate 10 abgeschatteten Substrat 40, das sich auf dem Chuck 50 befindet und zu dem das Imprinttemplate 10 justierbar ist, für die UV Nanoimprintlithographie nutzen zu können, wird in dieser Nanoimprintvorrichtung von der indirekten Belichtung des fotoaktiven Prägematerials 41 auf dem Substrat 40 Gebrauch gemacht. Als Imprinttemplate 10 wird hier vorzugsweise das im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Imprinttemplate 10 verwendet, das aus einem nichtstrukturierten transparenten Grundkörper 11 aus Glas der Größe 65 mm × 65 mm × 6,35 mm und einem darauf mittels anodischen Bondens befestigten, strukturierten nichttransparenten Silizium-Chip 12 der Größe 25 mm × 25 mm × 1 mm besteht.
Durch die geringe Abschattung des Prägematerials 41 des Substrats 40 nur durch den strukturierten Silizium-Chip 12 des Imprinttemplates 10, jedoch nicht durch den Grundkörper 11 des Imprinttemplates 10 wird die indirekte Belichtung des Prägematerials 41 erleichtert. Um die UV-Strahlung tatsächlich bis in das fotoempfindliche Prägematerial 41 hineinzuführen, wird in diesem Ausführungsbeispiel ein transparentes Substrat 40 genutzt, das aus Quarz besteht und sich auf einem Chuck 50 befindet, der so gestaltet ist, dass er UV-Strahlung stark reflektiert. Auf diesem Substrat 40 ist in dem Bereich der von Imprinttemplate 10 abgedeckt ist, ein fotoempfindliches Prägematerial 41 aufgebracht. Damit ist eine indirekte Belichtung des Prägematerials 41 dadurch gegeben, dass das nichtkollimierte UV-Licht eines optimierten mittleren Einfallswinkels sowohl neben dem Imprinttemplate 10 als auch durch den transparenten Grundkörper 11 des nichttransparenten Imprinttemplates 10 hindurch auf das Substrat 40 gelangt, in diesem für das UV-Licht transparenten Substrat 40 mehrfach partiell reflektiert wird, dabei auch unter das Prägematerial 41 gelangt und diese durch den transmittierten und damit in das Prägematerial 41 eingedrungenem Anteil des UV-Lichts belichtet wird. Im Chuck 50 dieser hier beschriebenen Nanoimprintvorrichtung befindet sich ein Heizelement 80, das es erlaubt, das Nanoimprintlithographieverfahren nach definiertem Belichtungs- und Temperaturregime zu betreiben bzw. UV-Nanoimprintlithographie und thermische Nanoimprintlithographie in derselben Anlage in zwei nacheinander folgenden Schritten durchzuführen.
Folgend soll nun ein Ausführungsbeispiel des beanspruchten Nanostrukturierungsverfahren gegeben werden: Ein Silizium-Chip 12 wird mit bekannten Prozessen der Silizium-Halbleitertechnologie strukturiert durch Aufbringen eines Fotolacks, Belichtung des Fotolacks unter Nutzung einer Fotomaske in einem fotolithografischen Scanner, Entwicklung des belichteten Fotolacks, Übertragung der Strukturen des entwickelten Fotolacks auf den Silizium-Chip 12 durch trockenchemische Ätzung, Entfernung der Lackreste und Nachreinigung. Der so strukturierte Silizium-Chip 12 enthält das Negativ der Struktur, die in das Prägematerial 41, das sich auf dem Substrat 40 befindet, eingeprägt werden soll.
Durch Befestigen des strukturierten Silizium-Chips 12 auf einem Glas-Grundkörper 11 mittels anodischen Bondens wird anschließend das eigentliche Imprinttemplate 10 fertiggestellt.
Dieses Glas-/Silizium-Imprinttemplate 10 wird in der Imprinttemplate-Halterung 20 einer Standard-Vorrichtung zur UV-Nanoimprintlithographie justiert. Das Imprinttemplate 10 wird dann zusammen mit der Imprinttemplate-Halterung 20 über einem Quarz-Substrat 40 positioniert, das sich auf einen reflektierenden und beheizbaren Chuck 50 befindet. Auf das Quarz-Substrat 40 wird die Menge fotoaktiven Prägematerials 41 aufgebracht, die benötigt wird, um die im Silizium-Chip 12 des Imprinttemplates 10 enthaltenen Strukturen auszufüllen und damit ein positives Muster der Negativstruktur des Silizium-Chips 12 zu bilden. Das Imprinttemplate 10 wird dann in Kontakt mit dem Prägematerial 41 gebracht und so die sich auf dem Silizium-Chip 12 des Imprinttemplates 10 befindliche Struktur durch Druckanwendung auf das Imprinttemplate 10 in das Prägematerial 41 eingeprägt. In angepressten Zustand wird anschließend die UV-Strahlungsquelle 30 eingeschaltet und das Prägematerial verfestigt durch die bereits beschriebene indirekte Belichtung durch nichtkollimiertes Licht, das direkt oder durch den Grundkörper 11 des Imprinttemplates 10 hindurch in das transparente Substrat 40 eindringt, in dem es mehrfach partiell reflektiert wird und so unter und in das Prägematerial 41 gelangt. In diesem Schritt wird wahlweise das im Chuck 50 befindliche Heizelement 80 zugeschaltet, um das Substrat 40 auf eine definierte Temperatur einzustellen und den Verfestigungsschritt bei definierten thermischen Verhältnissen durchführen zu können. Im Anschluss wird das Imprinttemplate 10 wieder vom Substrat 40, das die in das Prägematerial 41 eingeprägte Struktur enthält, gelöst, wobei die Struktur erhalten bleibt.
Bezugszeichenliste

10: Imprinttemplate
11: Grundkörper (des Imprinttemplates)
12: strukturierter Chip (des Imprinttemplates)
20: Imprinttemplate-Halterung
30: UV-Strahlungsquelle
40: Substrat
41: Prägematerial
50: Chuck
60: möglicher Lichtweg
70: reflektierende Schichten
80: Heizelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202006008399 U1 [0015]

Claims

Imprinttemplate (10) für den Einsatz in Nanostrukturierungsverfahren zur Strukturierung eines Prägematerials (41) auf einem Substrat (40), das aus einem unstrukturierten Grundkörper (11) und einem darauf befestigten strukturierten Chip (12) besteht, der die negative Prägestruktur enthält und dessen Kantenlängen kleiner oder gleich lang sind wie die Kantenlängen des Grundkörpers (11), dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Chip (12) aus einem nichttransparenten Material und der Grundkörper (11) aus einem transparenten Material besteht.
Imprinttemplate (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Chip (12) als Silizium-Chip ausgebildet ist oder aus nano-porösen, anodisch oxidiertem Aluminium oder Polymerwerkstoffen wie Teflon besteht und/oder dass der Grundkörper (11) aus Quarz, Glas oder anderen transparenten oxidischen Materialien besteht.
Imprinttemplate (10) nach einen der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Chip (12) auf dem unstrukturierten Grundkörper (11) mittels einer Klebeverbindung oder durch ein Direktbondverfahren befestigt ist.
Imprinttemplate (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es gleichermaßen in UV-Nanoimprintlithographieverfahren wie auch in der thermischen Nanoimprintlithographieverfahren oder in einer Kombination beider Verfahren einsetzbar ist.
Nanoimprintvorrichtung geeignet für UV-Nanoimprintlithographieverfahren, die einen Chuck (50) zur Aufnahme eines Substrats (40) mit einer sich darauf befindlichen Schicht aus Prägematerial (41), eine Halterung (20) zur Aufnahme eines Imprinttemplates (10), das mittels Einstellung der Halterung (20) über dem Substrat (40) positionierbar ist und eine über dem Imprinttemplate (10) befindlichen UV-Strahlungsquelle (30) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der die abzubildenden Strukturen enthaltende Teil des Imprinttemplates (10) nichttransparent ist, die zu prägende, fotoaktive Schicht des Substrats (40) von der direkten Belichtung durch die UV-Strahlungsquelle (30) abgeschattet ist und alle Bestandteile eine Reflektion des von der UV-Strahlungsquelle ausgesendeten Lichts in Richtung der fotoaktiven Schicht ermöglichend angeordnet sind.
Nanoimprintvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Imprinttemplate (10) um ein Imprinttemplate (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 handelt.
Nanoimprintvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Chuck (50) befindliche Substrat (40) teilweise transparent ist derart, dass es eine mehrere hundert Nanometer dicke transparente Schicht enthält, die sich direkt unter dem Prägematerial (41) befindet und die Grenzfläche dieser transparenten Schicht zu der sich darunter befindlichen Schicht des Substrats (40) hochreflektierend gestaltet ist und/oder die transparente Schicht stark streuend gestaltet ist und/oder eine zusätzliche hochreflektierende und homogenisierende Schicht (70) zwischen der transparenten und der nichttransparenten Schicht des Substrats (40) angeordnet ist.
Nanoimprintvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Chuck (50) befindliche Substrat (40) vollständig transparent ist und die Grenzfläche des transparenten Substrats (40) zu dem sich darunter befindlichen Chuck (50) hochreflektierend gestaltet ist.
Nanoimprintvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vollständig transparente Substrat (40) aus einem der Materialien Glas, Quarz oder transparenten Polymeren, wie PMMA, Polystyrol oder Polycarbonat besteht.
Nanoimprintvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Substrats (40) und/oder der Chuck (50) eine zusätzliche hochreflektierende und homogenisierende Schicht (70) und/oder Struktur enthält.
Nanoimprintvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Chuck (50) ein Heizelement (80) zur kontrollierten thermischen Behandlung des Substrats (40) enthält.
Nanoimprintvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Licht, das die UV-Strahlungsquelle (30) verlässt, nichtkollimiert ist und sein mittlerer Einfallswinkel in das Substrat (40) für den höchstmögliche Lichteintrag in das auf dem Substrat (40) befindlichen Prägematerial (41) optimiert ist.
Nanostrukturierungsverfahren zur Strukturierung eines UV-empfindlichen Prägematerials (41) auf einem Substrat (40), das die folgenden Schritte enthält: – Herstellung einer Negativstruktur der in das Prägematerial (41) zu prägenden Struktur auf einem nichttransparenten Chip (12), – Fertigstellung des Imprinttemplates (10) durch Befestigung des strukturierten nichttransparenten Chips (12) auf einem transparenten oder nichttransparenten Grundkörper (11), – Justierung des erzeugten Imprinttemplates (10) in der Imprinttemplate-Halterung (20), – Positionierung des Imprinttemplates (10) über dem auf dem Chuck (50) wieder lösbar befestigten Substrat (40), das mindestens direkt unter dem Prägematerial (41) eine transparente Schicht enthält oder vollständig transparent ist, – Inkontaktbringen des Imprinttemplates (10) mit dem Prägematerial (41) auf dem sich unter dem Imprinttemplate (10) befindlichen Teil des Substrats (40) und Einprägen der sich auf dem nichttransparenten Chip (12) des Imprinttemplates (10) befindlichen Struktur in das Prägematerial (41) durch Druckanwendung, – Verfestigen der eingeprägten Struktur des sich auf dem Substrat (40) befindlichen, durch das Imprinttemplate (10) in der gewünschte Struktur gehaltenen Prägematerials (41) durch seine indirekte Belichtung mit UV-Licht, – Abheben des Imprinttemplates.
Nanostrukturierungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte UV-Belichtung und Aushärtung des UV-empfindlichen Prägematerials (41) durch das Einschalten einer UV-Strahlungsquelle (30) realisiert wird, die sich in der Halterung (20) des nichttransparenten Imprinttemplates (10) befindet und nichtkollimiertes Licht einer passenden Wellenlänge und eines optimierten mittleren Austrittswinkels aussendet, das in die unter dem Prägematerial (41) befindliche transparente Schicht des Substrat (40) eintritt, mehrfach partiell zumindest reflektiert und/oder gestreut wird und schließlich in das Prägematerial (41) eintritt.
Nanostrukturierungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass neben der UV-Belichtung des Prägematerials (41) eine gleichzeitige oder zeitlich nacheinander folgende thermische Behandlung des Substrats (40) in derselben Nanoimprintvorrichtung erfolgt.