Substratkonforme Imprintlithographie für optische Anwendungen

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-12-10
Issue Year
2014
Authors
Fader, Robert
Editor
Abstract

As a cost-effective 3D patterning technology, nanoimprint lithography is a suitable technique for the manufacturing of micro optical elements or structures for the optimization of the light management in devices. In particular, the `UV-enhanced substrate conformal imprint lithography' (UV-SCIL) is one of the most promising manufacturing techniques for such components. This work shows the development of UV-SCIL processes suitable for industrial mass production of optical or photonic components. Therefor, a fully organic, UV-curable polymer from DELO Industrial Adhesives, DELO-Katiobond 110707, is used for the first time as resist for UV-SCIL. With this polymer and its short curing time of less than 20s, it is possible to increase the throughput of UV-SCIL processes by 50% compared to all other available resist materials on the market. Being able to transfer structures from the polymer into substrate materials, dry etch processes for silicon and silicon oxide were developed using the polymer as direct etching mask. The achieved etch selectivity of the polymer is for both substrate materials significantly larger than one. Regarding high volume production processes the life time of PDMS stamps is evaluated and using a non-stop production like process showed that 76 imprints can be performed with one stamp. Thus, there is for the first time a benchmark available describing the lifetime of a SCIL stamp in a production-like use. For manufacturing processes requiring the alignment of two lithography layers, the alignment accuracy of UV-SCIL with the current setup is determined to be better than one micron. This corresponds to the current mechanical limitation of the machine. Furthermore, capillary forces are investigated which are the main driving forces behind the UV-SCIL process. It is shown that only capillary action pulls the PDMS stamp into the resist layers with pressures of several bars. Finally the development of a functional resist for optical applications is shown having a tunable refractive index. This is realized by adding stabilized titania nanoparticles to the DELO-Katiobond 110707 as matrix material. With the amount of particles, the refractive index of the composite material can be tuned. A maximum particle content of 23wt% in the composite lead to an increase of the refractive index from 1.54 to 1.63. This composite material can be used as a functional resist for direct fabrication of optical devices. With the results of this work, the field of applications for UV-SCIL is significantly extended and the results simplify process development for the industrial manufacturing of micro optical or photonic components using UV-SCIL.

Abstract

Für die direkte Herstellung von mikrooptischen Komponenten oder von Strukturen zur Optimierung des Lichtmanagements in Bauelementen sind Nanoimprintlithographie (NIL) -Verfahren als kostengünstige 3D-Strukturierungsverfahren sehr gut geeignet. Die `UV-gestützte Substratkonforme Imprintlithographie' (UV-SCIL) ist dabei eines der vielversprechendsten NIL-Verfahren zur industriellen Fertigung der genannten optischen Komponenten. Diese Arbeit zeigt die Entwicklung von UV-SCIL-Prägeprozessen, die als industrielle Fertigungsprozesse für optische Komponenten geeignet sind. Dafür wird erstmals ein UV-härtendes, rein organisches Polymer von DELO Industrie Klebstoffe, Katiobond OM VE 110707, als Prägelack für UV-SCIL eingesetzt. Damit lässt sich durch die im Vergleich zu allen anderen für UV-SCIL verfügbaren Prägelacke sehr kurze Belichtungszeit von 20s der Durchsatz des Prägeverfahrens bezogen auf den höchst möglichen bisherigen Durchsatz um 50% steigern. Zur übertragung der Strukturen von der Polymerschicht in ein Substratmaterial werden Trockenätzprozesse für Silicium und Siliciumoxid entwickelt, bei denen die strukturierte Polymerschicht als ätzmaskierung dient. Die erreichte ätzselektivität von Polymer zu Substrat liegt bei allen entwickelten Prozessen jeweils deutlich größer als eins. Hinsichtlich des Einsatzes von UV-SCIL als industrielles Fertigungsverfahren wird in dieser Arbeit zudem die Lebensdauer der PDMS-Prägeformen erstmalig genauer evaluiert und es wird mit einem produktionsnahen Prozess demonstriert, dass mit einer Prägeform 76 Imprints ohne Unterbrechung direkt hintereinander durchgeführt werden können. Es steht somit erstmals ein Richtwert zur Verfügung, der die Lebensdauer einer SCIL-Prägeform im produktionsnahen Einsatz beschreibt. Für Fertigungsprozesse, bei denen zwei Ebenen übereinander geprägt werden müssen, wird außerdem für das UV-SCIL-Verfahren die erreichbare überlagegenauigkeit betrachtet. Die Verschiebung der beiden Ebenen zueinander konnte dabei mit der aktuellen SCIL-Anlage auf weniger als 1\textmu m minimiert werden, was die mechanische Begrenzung der Anlage ist. Darüber hinaus werden in der Arbeit Kapillardrücke untersucht, die als treibende Kräfte hauptverantwortlich für den Prägevorgang sind. Es wird erstmals gezeigt, dass allein durch die Kapillarwirkung die Prägeform teils mit mehr als 2bar in das flüssige Polymer gezogen wird. Der letzte Abschnitt dieser Arbeit zeigt die Weiterentwicklung des UV-härtenden Polymers zu einem optisch funktionalen Prägelack, bei dem der Brechungsindex durch Zugabe von geeignet stabilisierten Titandioxid-Nanopartikeln zum Prägelack individuell eingestellt werden kann. Die Brechzahl des Prägelacks kann dabei mit maximal 23wt% Partikelgehalt zwischen 1,54 und auf 1,63 variiert werden. Optische Komponenten mit individuellem Brechungsindex können somit direkt durch Prägen mit UV-SCIL ohne weiteren Prozessschritt hergestellt werden. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit erweitert sich das Anwendungsspektrum für UV-SCIL signifikant und sie vereinfacht Prozessentwicklungen für Strukturierungsprozesse mit UV-SCIL zur Herstellung von mikrooptischen sowie photonischen Komponenten.

DOI
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