Nanostrukturierung von Funktionsmaterialien durch Übertragung von nanoimprint-geführten geordneten Block-Copolymer-Strukturen mittels reaktiven Ionenstrahlätzens
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanostrukturen in technischen Oberflächen ermöglichen vielfach neue Anwendungen durch Nutzung nanoskopischer Wechselwirkungsprozesse. Der hier verfolgte Ansatz basiert auf Mikrophasen- Separationsprozessen von Block Copolymeren (BCP), die durch mehrfach wiederverwendbare mikrostrukturierte Stempel lokal geführt werden sollen um senkrecht orientierte Polymer-Lamellen auszubilden. Zum Übertrag dieser BCP-Strukturen in technische Oberflächen wurden reaktive Ionenstrahlätzprozesse (RIBE) eingesetzt, wodurch diese Nanostrukturen in technischen Materialien für Anwendungen verfügbar werden. Die lokale und geführte Bildung von Lamellen in PS-b-PMMA wurde für die Stempel-geführte Selbstorganisation in einem thermischen Nanoimprint-Prozess untersucht. Aus theoretischen und experimentellen Ergebnissen wurden Designregeln für Stempel abgeleitet, mit denen eine lokale Selbstorganisation von BCP Schichten zu lamellaren Masken erreicht werden kann. Unter der Prämisse Nanoimprint-typischer Erfordernisse (Anti-Haftschicht auf dem Stempel, möglichst keine Vor-Behandlung der Substrate) erwies sich eine teilweise Füllung der Stempelkavitäten als vorteilhaft zur Erzielung der gewünschten Phasenseparation, da hierbei nur die Seitenwände der Kavitäten den Ordnungsprozess im BCP beeinflussen und damit eindeutige Randbedingungen vorliegen. Allerdings können bei einer Teilfüllung der Stempelkavitäten Kapillarkraft-basierte Instabilitäten einen Massentransport zur Folge haben, sodass die Höhe der geprägten BCP-Strukturen entlang der Kavität variiert. Die Vermeidung dieses Effektes erfordert neben einer starken Unterfüllung der Kavitäten eine Limitierung der Behandlungstemperatur. Die erwartete Verbesserung der Lamellenorientierung durch angelegte elektrische Felder, die sowohl theoretisch als auch experimentell im Detail untersucht wurde, konnte nicht dargestellt werden, da es zu elektrischen Durchbrüchen beim Prägen mit hohen elektrischen Spannung kam. In der Folge konnten die für eine Feld-unterstützte Phasenseparation erforderlichen optimalen Feldstärken nicht erreicht werden. Die Verminderung der Bildungszeit für Lamellen konnte deutlich bis in den Sekundenbereich reduziert werden, wie dies für technische Anwendungen notwendig ist. Interessanterweise wurde bei dieser Hochtemperaturausheilung inhärent die Entfernung einer Phase, eine sogenannte trockene Entwicklung, unter direkter Bildung maskierender Lamellenstrukturen beobachtet. Dies führt zur Vereinfachung der Prozesskette für die technische Herstellung der Nanostrukturen. Auf geprägte BCP-Strukturen ist diese Hochtemperatur-Behandlung wegen des bestehenden Temperatur-Limits allerdings nicht anwendbar. Die nach „Auswaschen“ der PMMA Phase aus dem geordneten BCP entstehenden Polystyrol-Lamellen wurden erfolgreich zum Strukturübertrag durch RIBE eingesetzt. Größtmögliche Höhen der Nanostrukturen wurden durch Optimierung der RIBE Übertragungsprozesses angestrebt und hierbei die Dekorierung der Lamellen durch Beschichtung sowie eine Optimierung der Ätzparameter untersucht. Aus anwendungstechnischer Sicht erscheint die Optimierung der Ätzparameter infolge des geringeren Aufwandes und der besseren Qualität sinnvoller. Kritisch für die Ergebnisse ist offensichtlich im Fall des hier untersuchten PS-b-PMMA die Qualität der BCP-Ausgangssubstanzen, die nach den gesammelten Erfahrungen stark schwanken kann. Erst die Verbesserung der BCP-Ausgangssituation lässt technische Anwendungen sinnvoll erscheinen und Fortschritte im Kontext einer Stempel-geführten Nanostrukturerzeugung in BCPen erwarten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simple and fast guiding of PS-b-PMMA diblock copolymers with a flexible stamp, NNT Conf. (Nanoimprint and Nanoprint Technology), 2014, Kyoto, Japan
C. Steinberg, M. Papenheim, K. Dhima, S. Wang, H.-C. Scheer, J. Zajadacz, K. Zimmer
- Challenges with soft stamps for guiding of diblock copolymers, Appl. Phys. A 121 (2015) 489-497
C. Steinberg, M. Gubert, M. Papenheim, S. Wang, H.-C. Scheer, J. Zajadacz, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-015-9409-4) - Imprint stategy for directed self-assembly of block copolymers, Microelectron. Engin. 176 (2017) 94-100
A. Mayer, D. Blensgens, J. Rond, C. Steinberg, M. Papenheim, S. Wang, J. Zajadacz, K. Zimmer, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mee.2017.02.003) - Relevance of stamp material for vertical phase separation of block copolymers in nanoimprint, EIPBN Conf. (Electron, Ion and Photon Beams and Nanofabrication), 2017, Orlando, Florida, USA
A. Mayer, J. Rond, J. Staabs, D. Blensgens, C. Steinberg, M. Papenheim, H.-C. Scheer, J. Zajadacz, K. Zimmer
- Towards fast nanopattern fabrication by annealing of diblock copolymers (BiCBP), MNE Conf. (Micro and Nano Engineering), 2017, Braga, Portugal
K. Zimmer, J. Zajadacz, A. Mayer, C. Steinberg, H.-C. Scheer
- Selective nanopattern fabrication by direct laser annealing of diblock copolymers (BiCBP), MNE Conf. (Micro and Nano Engineering), 2018, Kopenhagen, Dänemark
J. Zajadacz, K. Zimmer, A. Mayer, H.-C. Scheer
- Electrically-assisted nanoimprint of block copolymers, J. Vac. Sci. Technol. B 37 (2019) 011601-1-11
A. Mayer, W. Ai, J. Rond, J. Staabs, C. Steinberg, M. Papenheim, H.-C. Scheer, M. Tormen, A. Cian, J. Zajadacz, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.5048204) - Towards fast nanopattern fabrication by local laser annealing of block copolymer films, Applied Surface Science 470 (2019) 639-644
K. Zimmer, J. Zajadacz, F. Frost, A. Mayer, C. Steinberg, H.-F. Chang, J.-Y. Cheng, H.-C. Scheer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.105)
