Entwicklung von Nanostamps für die Nanoimprintlithografie von 20 nm Strukturen

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, den Abformungsprozess in der Nanoimprintlithografie zu untersuchen und die wichtigsten Prozessaspekte zu analysieren, sowie die minimale Strukturgröße für diesen Prozess zu identifizieren. Die Arbeit beinhaltete daher (i) die Herstellung einer geeigneten Vorlage (Master), (ii) die Untersuchung der Abformungs-prozesse, (iii) die Evaluierung des Abformergebnisses im Hinblick auf die erzielbare Strukturgröße und (iv) die Umsetzung der Ergebnisse an Hand eines Demonstrators.<br />Die Herstellung des Masters mit Elektronenstrahllithografie (EBL) und reaktiven Ionenätzen (RIE) weist, wie in dieser Arbeit demonstriert wird, großes Potential für die Herstellung kleinster Strukturen auf.<br />Neben den untersuchten Einflüssen der wichtigsten Prozessparameter wie Fokuseinstellung, Astigmatismus, Belichtungsdosis usw., ist der korrekte Entwurf des Belichtungsdesigns inklusive Korrektur des Proximity-Effektes ein kritischer Schritt im elektronenstrahllithografischen Herstellungsprozess des Masters. Die in dieser Arbeit untersuchten entwickelten Designs (Punkt-, Balkenmatrix) ermöglichen wesentliche Einblicke in den Zusammenhang von Strukturgröße und Prozessparametern, die zur Optimierung des Prozesses eingesetzt werden. Die Strukturübertragung des lithografisch erzeugten Musters in den Master durch RIE wird für verschiedene Ätzmasken, im Hinblick auf die Fertigung von kleinen Strukturen, untersucht. Darüber hinaus wird eine Möglichkeit der Oberflächenbehandlung vorgestellt, um einen mit Lackresten verunreinigten und damit unbrauchbaren Master durch einen Plasma Veraschungsprozess aufzubereiten. Die Abformung des Masters mit NIL wird für zwei verschiedene Techniken, Ultraviolett-Nanoimprintlithografie und Heißprägung, mit unterschiedlichen Materialien untersucht. Dabei wird ein SÜSS MJB3 Maskaligner des ZMNS Reinraums im Kontakt-modus eingesetzt. Die Beurteilung des Abformungsergebnisses wird durch Vergleich von AFM-Aufnahmen des Masters und der abgeformten Strukturen vorgenommen. In einer Imprintreihe wird die Anwendbarkeit und hohe Strukturtreue nachgewiesen.<br />Abschließend wird die Anwendung des NIL-Prinzips mit der Fertigung eines Mikro-fluidikbauteils demonstriert, indem ein Mischer für zwei Flüssigkeiten gefertigt wird. Im Zuge der Herstellung eines Masters für die Abformung wird das Mix-And-Match-Konzept für Elektronenstrahl- und Fotolithografie angewendet, das eine gro߬flächige Belichtung einer Probe mit einzelnen Feinstrukturierungen in wenigen Prozessschritten ermöglicht. Das Beispiel verdeutlicht, dass mit der Methode der Nanoimprintlithografie und einem geeigneten vorgefertigten Master sehr rasch, und ohne zusätzliches Ätzen oder Bonden, eine Vielzahl an (Fluidik )Bauteilen gefertigt werden können.<br />

The task of this thesis is the investigation of a moulding process with nanoimprint lithography (NIL) using a pre-fabricated master. The issues of the fabrication process are examined and evaluated for the use of nanoimprint lithography as future lithographic method.<br />The work includes (i) fabrication of an appropriate master, (ii) investigation of the imprint processes, (iii) evaluation of the process in view of feature size and (iv) fabrication of a demonstrator.<br />For the formation of the master electron beam lithography (EBL) and reactive ion etching (RIE) has great potential in view to create fine structures as demonstrated in this work. Beside the influence of important parameters of the electron beam lithographiy system e.g.<br />definition of focus, astigmatism correction and exposure dose, the design of an optimized exposure layout including proximity correction is a critical step in the electron beam lithographiy fabrication process of the master. Analyses of different layouts (dot matrix, grid) permit deep insights in the correlation of dimension and process parameters and are used for further process optimization. The pattern transfer of fine structures into the master using reactive ion etching is investigated with different etch masks made of resist, chrome and aluminum. A method for surface recondition is introduced to remove particles of underexposed electron beam lithography resist by plasma ashing with minimal influence to the shape of the exposed design.<br />Two different techniques for the imprint of the master with nanoimprint lithography are investigated. Ultraviolet nanoimprint lithography (UV-NIL) as well as hot embossing are applied to various materials. The imprint process is assessed by atomic force microscopic measurements of the master and the imprint. The usefulness of the developed analysis methods is demonstrated by applying it to a series of imprints.<br />In order to demonstrate the versatility of nanoimprint lithography, it is applied for the fabrication of a microfluidic mixer with two inlets.<br />In the course of the assembly of the master the concept of mix-and-match of electron beam lithography and photolithography is demonstrated allowing the fast exposure of large patterns combined with particular fine structures. This example presents an efficient way of producing whole microfluidic devices by molding a prefabricated master without the additional need for etching or bonding.