Wissenschaftliche Berichte

Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7286

Nanokontaktdrucken mit AFM-gesteuert phasenseparierten Blockcopolymerschichten

Roland Gröger

Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird die Herstellung und Erprobung eines neuartigen, lateral chemisch heterogenen Stempels mit Strukturgrössen weit unter 100 nm für die Softlithographie beschrieben. Die chemische Heterogenität wird durch die Phasenseparation von Blockcopolymeren an der Grenzfläche zu einer Vorlage (Master) erzielt, die mit einem speziellen hochlinearisierten Rasterkraftmikroskop (AFM) strukturiert wird. Dabei werden an definierten Positionen Moleküle aus einer selbstorganisierten Monolage (SAM) auf dem Master mit der Spitze des AFM entfernt bzw. ersetzt (Nanoshaving, bzw. Nanografting). Erstmals werden auch ultradünne Polymer-Bürsten (Brushes) strukturiert. Dabei können Strukturgrößen bis herunter zu 20 nm erreicht werden. Damit wird eine Oberfläche erzeugt, die das zu übertragende, frei definierbare Layout als zweidimensionales chemisches Muster trägt. Bei geeigneter Wahl der chemischen Funktionalisierung kann erreicht werden, daß sich die Phasen einer darauf präparierten Blockcopolymerschicht an diesem Muster anordnen, wobei das zuvor definierte Layout in die Polymerschicht übertragen wird. Diese AFM-gesteuert phasenseparierten Blockcopolymerfilme werden mit einem makroskopischen Elastomerkörper vernetzt und vom Substrat abgehoben. Der so hergestellte Stempel trägt nun an der Unterseite anstelle eines in der Softlithographie bisher üblichen topographischen Reliefs die topographiefreie Blockcopolymerschicht, die als Stempelfläche dient. Gibt man darauf eine Thiollösung, so diffundiert das Thiol bei geeigneter Wahl der Blockcopolymere nur in eine der beiden Komponenten. Mit einem mechanischen Stempelprozeß gelingt es, diese Nanostrukturen z.B. wieder in Form einer selbstorganisierten Monolage auf Substratoberflächen zu übertragen. Dies wird anhand eines Thiol-SAM überprüft, der auf eine Goldoberfläche gestempelt wurde und dort als Schutzschicht (Resist) für einen Ätzprozeß dient.

Bei dem in dieser Arbeit neu entwickelten Lithographieverfahren treten die durch die Reliefstruktur prinzipbedingten Defekte des Mikrokontakt-Druckverfahrens nicht mehr auf. Es wird gezeigt, daß mit diesen topographiefreien Stempeln die Auflösung der gestempelten Strukturen auf Gold bis zu 40nm beträgt. Weiterhin kann der Master mehrfach wiederholt mit Blockcopolymerfilmen beschichtet und damit weitere Stempel hergestellt werden. Mit jedem Stempel kann vielfach gestempelt werden. Es gelingt so, mit einem vergleichsweise einfachen parallelisierten Verfahren, beliebig definierbare Nanostrukturen auf Oberflächen zu vervielfältigen.

Nano contact printing with AFM-controlled phase-separated block copolymer layers

Abstract
In this work the procedure for fabrication and testing of a novel, laterally chemical heterogeneous stamp for soft-lithography is described. The stamp features patterns with sizes well below 100 nm. The chemical heterogeneity is created by the phase separation of a block copolymer layer on the surface of a master pattern, which is written with a special, highly linearized atomic force microscope (AFM). In specific regions of the master surface the molecules of a previously prepared self-assembled monolayer (SAM) are removed or replaced by the tip of the AFM (nanoshaving and nanografting). For the first time these methods are also applied to ultrathin layers of polymer brushes. Pattern sizes down to 20nm can be achieved. This way surfaces are created, which carry the arbitrarily designable layout as a two-dimensional chemical pattern. On such surfaces thin block copolymer layers are prepared. By carefully selecting the chemical functionalisation of the master, an alignment of the separated polymer phases along the chemical pattern is achieved. By this means the predefined layout of the master is conveyed into the structure of the polymer layer. The AFM-controlled phase-separated block copolymer layers are then chemically cross-linked to a macroscopic elastomer body and lifted off the master surface. Thereby a stamp is fabricated, with a topography-free polymer layer on its underside, rather than a topographical relief normally used in soft-lithography. When inked with a thiol solution, the thiol molecules are absorbed by only one of the specific selected components of the polymer layer, while the other remains inert. By means of a simple mechanic printing process the inked nano-pattern on the stamp can be transferred onto substrate surfaces in the form of a self-assembled monolayer. This is confirmed by printing a patterned thiol-SAM onto a gold surface with subsequent etching.

The novel lithography process, which was developed in this work, does not have the limitations of the microcontact printing, caused by defects or failures of the topographic relief of the stamp. A resolution of this new printing process of 40nm is demonstrated on a gold surface. Furthermore the master structure stays intact and can be repeatedly used for stamp fabrication, whereby every stamp can produce a large number of prints. With this relatively simple parallel procedure it is easily possible to reproduce arbitrarily designed nanometer-sized structures on sample surfaces.

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