DE19928658C2

DE19928658C2 - Verfahren zur Erzeugung geordneter Kanalstrukturen durch Benetzungsinstabilitäten

Info

Publication number: DE19928658C2
Application number: DE1999128658
Authority: DE
Inventors: Michael Gleiche; Lifeng Chi; Harald Fuchs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: DE19928658A1

Description

1 Stand der Technik und Methoden

Die fortschreitende Entwicklung in der Halbleiterindustrie und der chemischen Analytik erfordert die Herstellung immer kleinerer Strukturen. Die wohl am meisten genutzte Methode stellt die Photolithographie dar, welche allerdings aufgrund der Beugungslimitierung nicht beliebig kleine Strukturen schreiben kann. Andere Verfahren wurden in den letzten Jahren entwickelt, wie das Mikrokontakt-Drucken oder die Gasdeposition durch geeignete Masken.

Wir stellen eine davon abweichende Methode vor, die zuverlässig und schnell ein periodisches Streifenmuster erzeugt, verursacht durch Benetzungsinstabilitäten. Diese erreicht zunächst nicht eine weitere Miniaturisierung der oben beschriebenen Methoden, sondern stellt einen neuen Ansatz dar. Zur Herstellung elektronischer Bauteile müssen komplizierte Muster beliebiger Form geschrieben werden können, für andere Zwecke ist die Erzeugung einfacher, periodischer Streifenmuster ausreichend. Hierbei werden die Adsorptionseigenschaften eines geeigneten Molekül-Substrat Systems während einer dynamischen Langmuir-Benetzung ausgenutzt, um eine bezüglich der Benetzbarkeit anisotrope Oberflächenstruktur zu erzeugen. Die Herstellung von Strukturen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. der Benetzbarkeit, kann in der chemischen bzw. biologischen Analytik mit extrem kleinen Volumina (femtoliter) ihre Anwendung finden. Die "femtoliter" Analyse erlaubt die Reduktion der Kosten und eine Steigerung der Prozeßgeschwindigkeit.

2 Beschreibung der Erfindung 2.1 Allgemeine Methode

Monomolekulare organische Schichten gebildet aus amphiphilen Molekülen können an der Wasser-Luft Grenzfläche mit Hilfe der bekannten Langmuir Blodgett (LB) Technik hergestellt werden. Durch Kompression dieser monomolekularen Filme lassen sich diese in einem durch Temperatur, Oberflächengröße und durch die Abnahme der Oberflächenspannung (Lateraldruck) charakterisierten Zustand präparieren. Durch Herausziehen eines hydrophilen Substrates (Glimmer, behandelte Si-Wafer, Glas, Metalle) aus der wäßrigen Subphase lassen sich diese Schichten als monomolekularer Film (Monofilm) übertragen. Die Güte dieses Transfers (Belegungsdichte des Substrates) hängt neben den oben genannten Parametern auch von der relativen Geschwindigkeit des Substrates und von der Adsorptionskinetik (Wechselwirkung Molekül-Substrat) ab. Jedem molekularen Transfer liegt eine maximal mögliche Ziehgeschwindigkeit zugrunde, deren Überschreitung eine Reduktion der Belegungsdichte zur Folge hat. Sehr schnell adsorbierende Moleküle (starke Molekül/Substrat Wechselwirkung) lassen demzufolge hohe Transfergeschwindigkeiten zu. Für derartige Systeme wurden Instabilitäten der Benetzung beobachtet, derart daß der Meniskus der wäßrigen Subphase am Substrat einer Oszillation parallel zur Oberflächennormalen unterworfen wird. Diese erzeugt auf der Substratoberfläche Streifen senkrecht zur Transferrichtung mit vollständiger Unterdrückung des molekularen Transfers. Dieses läßt sich mit einer Betrachtung der Dynamik des LB-Transfers für schnell adsorbierende Moleküle verstehen: Das Substrat wird mit einer konstanten Geschwindigkeit in Richtung der Oberflächennormalen bewegt. Dieses führt zu einem überhöhten Meniskus, entsprechend einer Verkleinerung des Kontaktwinkels und zu einer schnelleren Adsorption. Die Oberflächenspannung bzw. Oberflächenenergie sinkt durch die an der Oberfläche adsorbierten Moleküle. Eine Verkleinerung der Oberflächenenergie resultiert in einem größeren Kontaktwinkel, entsprechend einer Erniedrigung des Meniskus. Diese sich entgegengesetzten Prozesse führen zu der Oszillation der Kontaktlinie Wasser-Substrat.

Diese Tatsache ist seit einigen Jahren wohlbekannt, führte bis heute nicht zur Erzeugung von periodischen Streifenmustern. Dieser Prozeß erzeugt abwechselnd hydrophobe Streifen, bestehend aus einer monomolekularen Molekülschicht und hydrophilen Kanälen ohne Beschichtung. Die Streifenbreite stellt sich dabei als Funktion der inversen Transfergeschwindigkeit dar. Ein genaueres Verständnis des Mechanismus liegt zu diesem Zeitpunkt nicht vor.

2.2 Spezielles System, Neuerung

Unsere Methode, die auf der Optimierung der Parameter und der Wahl eines passenden Systems (Molekül-Substrat) besteht, ist in der Lage, periodische Streifenmuster zu erzeugen. Das Molekül L-α-dipalmitoylphosphatidycholine (DPPC, z. B. Sigma) (positiv geladen auf wäßriger Subphase) wird zum Aufbau eines LB-Monofilms bei niedrigen Lateraldrücken (3,0-3,5 mN/m) und einer Temperatur von 22,5°C (±1,0°C) verwendet. Ein frisch gespaltenes Glimmersubstrat (1 in Abb. 1) (negative Oberflächenladung) wird mit konstanter Geschwindigkeit (60 mm/min) aus der mit einem DPPC-Monofilm belegten wäßrigen Subphase (2) gezogen. Durch die starke elektrostatische Wechselwirkung wird durch die oben beschriebene Benetzungsinstabilität eine Kanalstruktur (3) erzeugt. Der oszillierende Meniskus (4) schreibt Streifen mit ca. 800 nm Breite, die durch Kanäle separiert sind mit einer Breite von ca. 200 nm. Diese Methode strukturiert das gesamte Substrat (hier 10 cm²) auf beiden Seiten und benötigt dazu lediglich ca. eine Minute (bei 6 cm Substratlänge). Eine Begrenzung der zu strukturierenden Fläche liegt im Prinzip nicht vor. Eine kleine Streuung in der Periode sowie Rauhigkeiten in den Kanalbegrenzungen lassen sich allerdings nicht unterdrücken. Die Herstellung der strukturierten Substrate wurde mit einer kommerziellen Langmuir-Filmwaage (NIMA 6100) durchgeführt.

Die in den folgenden Bildern gezeigte Streifenstruktur wurde mit den oben erwähnten Parametern erzeugt und mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskopes dargestellt. Abb. 2a zeigt die Phasendarstellung (Materialempfindliches Meßsignal) eines gut 30 × 30 µm großen Bereiches und die Abb. 2b und 2c zwei vergrößerte Darstellungen der Topographie.

Claims

1. Verfahren zur Darstellung von geordneten parallel ausgerichteten Kanalstrukturen in ei nem auf einem Substrat befindlichen organischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anwendung der Langmuir-Blodgett-Technik durch Verwendung der optimalen Ziehgeschwindigkeit des Substrates aus einer Subphase, die das besagte organische Mate rial als monomolekulare Schicht enthält, Oszillationen des Meniskus der Subphase ge genüber dem Substrat hervorgerufen werden, die zu periodischen Benetzungs-Entnet zungs-Vorgängen des organischen Materials am Substrat führen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass makroskopisch große Berei che < 1 µm², insbesondere 1 mm² bis < 1 cm², in ihren Benetzungseigenschaften verändert werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehenden Kanäle < 1 µm breit sind.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehenden Kanal strukturen mit weiteren Materialien gefüllt werden können, welche von anderer chemi scher Zusammensetzung als das Substrat und die monomolekulare Schicht sind.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung der Kanäle über die Kapillarkraft erfolgt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung der Kanäle durch thermisches Aufdampfen erfolgt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung der Kanäle durch elektrophoretische Methoden erfolgt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere die Kanäle mit metallischen Clustern gefüllt werden.

9. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle mit magneti schen Materialien gefüllt werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle mit biologischen Materialien gefüllt werden.