Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7153

Konstruktive Lithographie mit selbstorganisierenden metall-organischen Systemen

Matthias Barczewski

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zum selbstorganisierten Aufbau einer metall-organischen Schicht beschrieben. Diese bislang nicht in der Literatur beschriebenen Schichten wachsen auf metallischen Unterlagen, wobei sich organische Thiolmoleküle unter Verbrauch des Substratmetalls sukzessive zu einem metall-organischen Festkörper verbinden. Aufgrund ihrer Eigenschaft, substratinduziert unter Einbau der Metallsubstratatome zu wachsen, wurden diese Schichten von uns als »Substrate-Consuming Metal-Organic Layers« (SCMOLs) benannt. Mit zahlreichen analytischen Methoden wie Rutherford Back-Scattering (RBS), Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurden Informationen über das Wachstumsverhalten und die Morphologie eines SCMOL-Modellsystems gewonnen und Modelle über den molekularen Aufbau erstellt, die widerspruchsfrei dieMeßdaten erklären. Theoretische Berechnungen, die an unserem Institut durchgeführt wurden, stützen diese Modelle. Durch erste Experimente an anderen Systemen wurde gezeigt, daß die Erzeugung solcher Schichten nicht auf dieses Modellsystem beschränkt ist, sondern eine ganze Molekülklasse zur Schichtbildung geeignet ist.

Aufgrund ihrer substratkonsumierenden Eigenschaft wachsen SCMOL-Schichten fast ausschließlich in Richtung senkrecht zur Oberfläche. Dies bedingt neben einem anisotropen molekularen Aufbau, der mittels Röntgenkleinwinkelstreuung nachgewiesen wurde, auch die Möglichkeit, dieses Wachstum für eine neue Art der Lithographie einzusetzen, die einen unkonventionellen Weg der dreidimensionalen, z-anisotropen Strukturerzeugung darstellt (»Bottom-Up«- Lithographie). Das Metallsubstrat, dessen Dicke im ein- oder zweistelligen Nanometerbereich liegt und das durch eine 1–2nm dicke, durch einen Stempelprozeß lateral definiert aufgebrachte Monolage vorstrukturiert wird, wird dabei durch den anisotropen Wachstumsprozeß in eine dreidimensionale Struktur umgewandelt, deren Dicke im Bereich vieler hundert Nanometer liegen kann. Dabei ist es mit geeigneter Vorstrukturierung möglich, lithographisch höchst anspruchsvolle oder bislang unerreichbare Aufgaben zu lösen, beispielsweise die Herstellung von verdeckten Röhren (Tunnels). Durch erste Versuche der nanoskaligen Vorstrukturierung mittels AFM wird schließlich die Eignung dieses Ansatzes für die Erzeugung nanoskaliger Strukturen demonstriert.

Constructive lithography with self-organizing metal-organic systems

Abstract
In the course of this work a novel procedure for the self-organized assembly of metal-organic layers is described. These layers, which to our knowledge have not yet been described in the literature, grow from metal substrates. The organic molecules gradually combine with the metal atoms of the substrate to build-up a metal-organic solid. During this process the metal atoms are essentially consumed by the organics, and for this reason we call these layers “Substrate-Consuming Metal-Organic Layers” (SCMOLs). Various experimental methods including Rutherford Back- Scattering (RBS), Small Angle X-ray Scattering (SAXS) and Atomic-Force Microscopy (AFM) were applied to gather information about the growth behaviour and morphology of a SCMOL model system. A model of the moleculare architecture, which is backed by theoretical calculations performed in our institute, was established to consistently explain the observed properties. Preliminary results on other systems indicate that the capability of producing such layers is not limited only to one model system, but to a whole class of molecules.

Because of their substrate-consuming growth behaviour the SCMOL grow almost exclusively in the direction perpendicular to the plane of the sample surface. Apart from the resulting anisotropic molecular morphology which was verified with SAXS, this growth behaviour can be used for a completely new type of lithography which represents an unconventional way of producing three-dimensional, z-anisotropic structures (“Bottom-Up” Lithography). The metal substrates, with thicknesses in the low nanometer range, are structured by covering them with laterally defined 1–2 nm thick monolayers by a printing process. These two-dimensional patterns are then transformed by an anisotropic growth process into three-dimensional structures with possible thicknesses in the range of many hundreds of nanometers. With suitable pre-structuring of the substrate, it is possible to create sophisticated z-anisotropic features or to solve previously unachievable tasks, e.g. the generation of embedded tubes (tunnels) in the layers, by selforganization. First experiments with nanoscale pre-structured substrates by AFM-tip-induced structuring show the suitability of this approach for the production of nanoscale self-organized structures.

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