Charakterisierung modifizierter Negativresiste für die Röntgentiefenlithographie

Characterization of modified negative resists for deep X-ray lithography

  • Mit dem Direkt-LIGA-Verfahren hergestellte mikrotechnische Produktkomponenten zeichnen sich durch extrem hohe Genauigkeiten mit geringen Toleranzen, hohe Aspektverhältnisse und große Strukturvielfalt aus. Die kurzen Belichtungszeiten der empfindlichen, epoxidharzbasierten Negativresiste und ihre guten abbildenden Eigenschaften in der Direkt-LIGA-Technik sind mit umfangreichen Beispielen demonstriert worden. Die vielen Publikationen in den letzten beiden Jahrzehnten zeigen das große Interesse derMit dem Direkt-LIGA-Verfahren hergestellte mikrotechnische Produktkomponenten zeichnen sich durch extrem hohe Genauigkeiten mit geringen Toleranzen, hohe Aspektverhältnisse und große Strukturvielfalt aus. Die kurzen Belichtungszeiten der empfindlichen, epoxidharzbasierten Negativresiste und ihre guten abbildenden Eigenschaften in der Direkt-LIGA-Technik sind mit umfangreichen Beispielen demonstriert worden. Die vielen Publikationen in den letzten beiden Jahrzehnten zeigen das große Interesse der Forscher, die Vorteile dieser Resiste zur Fertigung von hochpräzisen Mikro- und Nanokomponenten zunutzen. Die Negativresiste auf Epoxidharzbasis werden zur Herstellung verschiedenster metallischer Komponenten, wie zum Beispiel Abformwerkzeuge und Mikrogetriebe, aber auch zur Fertigung von Polymerkomponenten wie Cantilevern, Spektrometern oder Röntgenoptiken genutzt. Auch Fluidikchips, zum Teil mit integrierter Oberflächenfunktionalisierung durch nanoporöse Strukturen, können mit diesen Resisten gefertigt werden. Die höchste Präzision wird durch Synchrotronstrahlung erzielt, aber auch die UV-Lithographie kann von weiteren Verbesserungen des Resists profitieren. Die hohen Produktionskosten der Röntgentiefenlithographie beschränken derzeit das Verfahren auf Kleinserien mit geringen Stückzahlen. Leider zeigte die Fertigung bisher Schwächen in der Reproduzierbarkeit. Die Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung bisheriger kommerziell erhältlicher Negativresiste führen zu großen Variationen bei den lithographischen Eigenschaften und damit zu einer nicht befriedigenden Prozesssicherheit. Die Anpassungen der Prozesse an die jeweiligen Resistschwankungen sind nur mit hohem Aufwand möglich. Nur wenige Projekte und Arbeitsgruppen haben den industriellen Einsatz dieser Resistsysteme im LIGA-Verfahren zum Ziel. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Schwankungen einiger Resistbestandteile und ihre Auswirkungen auf die lithographische Strukturierung von Mikrokomponenten mit hohen Aspektverhältnissen systematisch zu untersuchen. Die Schwankungen des Ausgangsharzes haben offenbar, die bezüglich Epoxidierungsgrad und Molekulargewicht kontrolliert werden müssen, einen erheblichen Einfluss auf die Strukturqualität. Gleichzeitig werden verschiedene geeignete photoaktive Komponenten variiert, die die katalytische Reaktion während der Temperung steuern. Ein neues Additiv ermöglicht eine bessere Kontrolle der Vernetzungsreaktion und damit verbunden eine exakte und reproduzierbare Strukturierung. Der modifizierte Röntgenresist wird bezüglich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Variation von Dosis und Temperatur kann beispielsweise der Elastizitätsmodul im Bereich von 2,5 GPa bis 5 GPa gezielt eingestellt und dem entsprechenden Strukturdesign angepasst werden. Die Fertigung sowohl von einzelnen Mikrostrukturen mit sehr hohen Aspektverhältnissen (bis zu 80) als auch von großflächigen (bis zu 10 mm Durchmesser) Strukturen ist ohne Haftungsprobleme oder nennenswerte Rissbildung möglich. Das Anwendungspotenzial des neuen Resists wird an verschiedenen mechanischen und optischen Strukturen nachgewiesen, die teilweise bis zu einer Höhe von 3,9 mm mit Präzision im Submikrometerbereich gefertigt werden. Die Resiststrukturen zeigen Toleranzen von ±0,2 μm. Das ist mit der Präzision von PMMA-Strukturen vergleichbar. Der neue Resist übertrifft den Positivresist PMMA mit einer um den Faktor 20 - 35 höheren Empfindlichkeit und ermöglicht um den Faktor 3 - 10 höhere Aspektverhältnisse (einzelner Strukturen). Neben der Reproduzierbarkeit und Strukturqualität ist bei typischen Bestrahlungszeiten von 5 min bis 30 min eine sinnvolle kommerzielle Nutzung von Direkt-LIGA-Strukturen möglich. Es werden darüber hinaus erste systematische Untersuchungen an galvanisierten Strukturen durchgeführt, bei denen sich ein zu PMMA Strukturen vergleichbares Quellverhalten zeigt. Es werden mit dem Resist metallische Strukturen mit Maßabweichungen von weniger als 1,5 μm bei 1050 μm Höhe bei lateralen Abmessungen von einigen Hundert Mikrometern gefertigt. Die höhere Präzision im Resist verlangt nach weiteren Schritten im Galvanikprozess, wie das Aufstellen und konsequente Anwenden von Designregeln.show moreshow less
  • Fabrication of microstructures using the direct LIGA process with highly sensitive, epoxybased negative resist stands out due to the optimum choice of engineering materials as well as superior structure fidelity, very tight tolerances, and extreme high aspect ratios. Many publications in the past two decades illustrate great interest from researchers and describe many successful examples. Diverse applications of LIGA structures include metallic components, like precision mold inserts as well as Fabrication of microstructures using the direct LIGA process with highly sensitive, epoxybased negative resist stands out due to the optimum choice of engineering materials as well as superior structure fidelity, very tight tolerances, and extreme high aspect ratios. Many publications in the past two decades illustrate great interest from researchers and describe many successful examples. Diverse applications of LIGA structures include metallic components, like precision mold inserts as well as micro gear assemblies, and polymer components as polymeric cantilever sensors, micro-spectrometers, and X-ray optical elements. Another area of interest is microfluidic, where microchannels with functionalized nano-porous surfaces have been successfully fabricated. A major challenge of LIGA microfabrication is the small number of active groups and projects which results in small production volume and high manufacturing costs. As a consequence, resist suppliers only produce small quantities of resist material with large batch to batch variations and unacceptable structure tolerances for the lithography process. Thus improvement of the resist material with respect to reproducibility and process stability will greatly benefit a large community of X-ray and UV-lithography researchers. Focus of this work is therefore a systematic study of resist variations and the impact on high aspect ratio microstructures patterned by X-ray lithography. The variations of resins having different grades of epoxy groups as well as molecular weights show a strong influence on structure stability and quality. Photo acid generator (PAG) controls the catalytic reaction during the post exposure bake. A new additve is optimized to better regulate the cross-linking reaction and thereby enhance reproducibility and dimensional control. The new resist formulation has been successfully tested and its performances and tolerances are comparable to structures made in PMMA, the standard resist for X-ray lithography. Investigations of mechanical and thermal properties demonstrate that Young’s modulus can be adapted to the design in a wide range from 2.5 GPa to 5 GPa by changing exposure dose and post exposure bake temperature. Using optimized process parameters individual microstructures with extreme aspect ratios of up to 80 as well as large-area patterns up to 10 mm in diameter have been produced without adhesion problems or cracks. Examples of mechanical and optical microstructures with heights of up to 3,9 mm and submicrometer structural details have been patterned with outstanding precision and tight tolerances of ±0.2 μm. The excellent reproducibility as well as structure precision and quality is comparable with properties known from PMMA structures. In addition the new resist has a factor 20 - 35 higher sensitivity resulting in typical exposure times of 5 min bis 30 min for structures up to 1 mm tall and also a factor 3 - 10 higher aspect ratios (single structure) are possible; this opens further commercial opportunities for direct LIGA structures. Due to the high patterning reproducibility, first systematic studies of electroplated microstructures have been successfully conducted. Swelling comparable with PMMA structures was demonstrated for microstructures 1050 μm tall and several hundred micrometers in diameter showing a deviation of about 1.5 μm in dimension. In the future and in order to fully utilize the potential of the new material in fabricating ultra-precise microstructures strict design rules, already established for PMMA structures, will be necessary.show moreshow less

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Metadaten
Author: Stephanie Lemke
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-33440
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Martin Schmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/12/13
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2011/09/16
Release Date:2011/12/13
Tag:Aspektverhältnis; Negativresist; Reproduzierbarkeit; Röntgenlithographie
aspect ratio; deep X-ray lithography; negative resist; reproducibility
Institutes:Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License Logo CC BY-SA: Creative Commons Lizenz: Namensnennung, Weitergabe zu gleichen Bedingungen