Imprintlithografie stempelt nanostructuren in grote oppervlakken

Auteur: Frank Senteur is freelance journalist.
12 april 2013 

Substrate conformal imprint lithography (Scil) is een ontwikkeling van Philips Research. Süss Microtec Lithography produceert in licentie de benodigde tooling. Het innovatieve aan de techniek is dat met zeer nauwkeurige semiflexibele stempels nanostructuren in substraten kunnen worden aangebracht. Dit gaat niet alleen veel sneller maar ook een stuk goedkoper dan met welke andere bestaande techniek ook. Toepassing is de productie van kleinere en krachtigere led-lampen, maar ook lasers en RFID-chips kunnen hiermee goedkoper worden gemaakt.

Marc Verschuuren is als senior scientist verbonden aan de Philips Research-afdeling Photonic Materials and Devices op de High Tech Campus in Eindhoven. Hij lid is van een team van 35 medewerkers dat zich bezighoudt met toepassingen voor vastestofverlichting. ’Philips ontwikkelt op een zevental plaatsen ter wereld‘, vertelt Verschuuren, ’waarbij de activiteiten zich toespitsen op de sectoren Healthcare, Lifestyle en - de voor ons belangrijke tak - Lighting. Philips Research ontwikkelt technologie die is bedoeld voor marktintroductie zoals bij substrate conformal imprint lithography.‘

 

Marc Verschuuren houdt hier een glasplaat vast met daarop een geprinte substraatlaag. De verkleuring van het licht komt door de nanostructuur die erop is aangebracht. 

Uitgangspunt van deze Scil-techniek was om op een snellere en economischer manier vaste-stof-led-lampen te kunnen produceren als vervanging van de in aanschaf goedkope, maar qua energiegebruik niet bepaald ideale gloeilampen. Leds zijn de oplossing, maar hebben als nadeel dat ze in tegenstelling tot gloeilampen geen direct bruikbaar sfeerlicht produceren. Led-licht zit in het blauwe spectrum en dat betekent dat je het licht moet converteren. Technisch gezien zijn er bij leds twee belangrijke uitdagingen. Ten eerste om zoveel mogelijk licht uit de led te krijgen en ten tweede om het licht te converteren naar langere golflengtes. Bij die conversie gaat een deel van de energie verloren, wat het rendement van de led verlaagt.

’Momenteel gebeurt die lichtextractie met lenzen of domes‘, weet Verschuuren. ’Met nanostructuren waarmee je golven filtert of laat interfereren, kun je direct meer van de juiste kleur licht genereren. Vanwege de korte golflengtes praat je dan al snel over ongelooflijk kleine patronen. Voor dat gebied hebben we een nieuwe printmethode ontwikkeld: Scil. Hiermee kunnen we nanostructuren maken met een resolutie kleiner dan 10 nanometer.‘

Superrubber

Hoe maak je nanostructuren? Iedereen denkt dan natuurlijk gelijk aan de wafersteppers en step-and-scanmachines van ASML. Deze gebruiken fotolithografische processen om zeer fijne patronen op siliciumwafers aan te brengen. Dat is vrij duur en relatief traag. Geen probleem voor complexe chips, maar wel voor leds. ’Bekende technieken voor het aanbrengen van microstructuren zijn onder meer lithografie met elektronen- of ionenbundels (traag, duur), interferentielithografie (niet flexibel, alleen reguliere patronen), bottom up self-assembly (beperkt in afmetingen), optische DUV-lithografie (erg duur) en het eveneens dure EUV-lithografie‘, aldus Verschuuren. ’De bedoeling van led is juist dat Philips daarmee een betaalbaar alternatief biedt voor gloeilampen. Dan kun je dus geen peperdure of trage productietechnieken gaan toepassen. Het moet snel en goedkoop. We kwamen op het idee om die patronen te gaan stempelen.‘

Het leek een absurd idee als je nagaat over wat voor minuscuul kleine ’gaatjes‘ en ’dammetjes‘ je praat, realiseert Verschuuren zich. ’Kun je überhaupt patronen van een honderdduizendste millimeter met een stempel maken? Niet direct natuurlijk. Er bleken heel wat barrières die we moesten overwinnen. Welk materiaal kies je? Hoe groot kan die stempel zijn? Hoe flexibel of hoe stijf moet en mag hij worden? Hoe brengt je het patroon vervolgens exact over op het substraat en hoe haal je de stempel er dan weer vanaf zonder de vorm te schaden? Daar heb je een machine met een speciaal stuk gereedschap voor nodig.‘

Philips zocht al vrij snel de samenwerking met Süss Microtec Lithography uit het Duitse Garching. Verschuuren: ’Dit bedrijf ontwikkelt en produceert systemen en oplossingen voor het aanbrengen van microstructuren en heeft vooral meegedacht bij de ontwikkeling van het gereedschap en de methodiek waarmee de nanostructuren machinaal in grote series kunnen worden geproduceerd. Snel en relatief goedkoop dus.‘

De eerste uitdaging was om de beste stempel te vinden. Moest dit zeer stijf zijn of juist flexibel? ’Stijf, dus iets uit staal of glas bijvoorbeeld, heeft het voordeel van de vormvastheid‘, zegt Verschuuren. ’Maar het heeft ook als nadeel dat je daarmee geen afwijkingen in de vlakheid en rechtheid van het substraatmateriaal of de drager kunt opvangen. Daarnaast zal elk stofdeeltje door de stijve stempel worden verpletterd en in meerdere deeltjes over het substraat worden verspreid waardoor het mogelijk niet meer bruikbaar is.‘

Door de flexibiliteit van de stempel worden vuildeeltjes netjes ingekapseld zodat slechts een minuscuul gedeelte van de feitelijke nanolaag vervormt.

Philips concludeerde dat een stempel met een beetje flexibiliteit het mooist zou zijn. Daarmee kun je kleine vormafwijkingen opvangen en ook een vuildeeltjes blijft heel. De stempel buigt er omheen en ruïneert het eindproduct dus niet. ’We moesten dus een rubberachtig materiaal zien te vinden dat een dusdanig hoge stijfheid heeft dat we er een stempel met zeer fijne nanostructuren mee konden maken‘, zegt Verschuuren. ’Dit hebben we gevonden in een speciaal soort poly-dimethyl-siloxane rubber, PDMS. Dit is een polymeer met een zeer hoge cross-link-dichtheid zodat je hierin zeer fijne detailleringen kunt aanbrengen. Dat materiaal passen we in de uiteindelijke stempel toe in twee varianten met verschillende stijfheden.‘

Deegroller

Ulrike Schömbs, productmanager Aligner bij Süss Microtec legt uit hoe de tooling van dit Scil-procedé is opgebouwd en wat daarbij de uitdagingen waren. ’Stijfheid en flexibiliteit combineren, was toch wel een van de moeilijkste doelstellingen‘, vindt ook Schömbs. ’Flexibiliteit om vormafwijkingen en het nadelige effect van vuildeeltjes op te vangen en stijfheid om een stabiel reproduceerbaar proces te krijgen met zeer hoge resoluties van minder dan 20 nm. Het proces begint met het maken van een master. Het materiaal dat we daarvoor gebruiken, is meestal silicium omdat dat een standaard materiaal is binnen de halfgeleiderwereld. Het patroon dat we uiteindelijk met de stempel willen drukken, brengen we in het silicium aan met behulp van elektronen- of diep-UV-lithografie. Silica glass kan hiervoor overigens ook worden gebruikt en in feite kan elk gepatroneerd oppervlak als master dienen. De stempel maken we door vervolgens een dun PDMS-laagje over de master aan te brengen. Als dit is uitgehard lijmen we het op een iets dikker en minder stijf laagje PDMS voor de gewenste flexibiliteit en dat lijmen we vervolgens weer op een zeer dun flexibel glasplaatje. De stempel is daarmee in feite klaar.‘

Gelijk duikt de volgende uitdaging op, waarschuwt Schömbs. ’Want je kunt die stempel niet zo maar in een zachte laag op een substraat duwen en hem er dan straffeloos weer vanaf trekken. Dan blijft er niets van de fijn gedetailleerde nanostructuur over. Hoe nu verder? Dat heeft alles te maken met (kleef)kracht.‘

Het mooie van deze techniek is dat je er behoorlijk grote substraten nauwkeurig mee kunt printen. Dan hebben we het over substraten met afmetingen van 10 tot 20 cm. Dat is met name te danken aan de flexibiliteit van de stempel. Zou hij stijf zijn, dan zou je hem maar heel klein kunnen maken omdat door de golvingen in het substraatmateriaal al snel grotere maatafwijkingen zouden ontstaan. De flexibiliteit van het PDMS-materiaal vangt dat op, maar een groter oppervlak betekent ook meer kleefkracht. Schömbs ’De oplossing vonden we door de stempel af te rollen over het substraat. Denk aan de vormpjes om kleine ronde koekjes uit een grote, dunne plak deeg te steken. Maak je een stempel van een vierkante meter, dan krijg je het deeg er nooit goed uit. Zodra de stempel omhoog gaat, gaat het deeg mee. Maar maak je een ronde geprofileerde deegroller en rol je die over het deeg, dan worden de koekjes er keurig uitgestoken en blijven ze ook op de plaat liggen. Met die achterliggende gedachte hebben we een speciale tool ontwikkeld om de dunne glasplaat met de stempel exact te kunnen positioneren en de nanostructuur in het substraat aan te brengen.‘

Süss Microtec ontwikkelde de tooling. De stempel wordt met vacuüm tegen deze glasplaat met groeven gezogen. Door de kanaaltjes afzonderlijk op overdruk of vacuüm te zetten, wordt de stempel in het substraat geduwd en er daarna weer afgepeld.

Drager is een dikke, stijve glasplaat geworden met gefreesde groefjes. Voordeel van glas is dat je er doorheen kunt kijken en dus met camera‘s van bovenaf de uitlijning kunt controleren. Een exacte uitlijning is nodig omdat soms meerdere verschillende patronen op elkaar moeten aansluiten. Dat gebeurt in meerdere printcycli en daarvoor moeten de stempels precies kunnen worden uitgelijnd. Hiertoe zijn optische markeringen op de stempels en het substraat aangebracht.

’De dunne glasplaat met de stempel zuigen we met vacuüm via de groefjes tegen de dikkere glazen drager in de machine‘, legt Schömbs uit. ’Vervolgens wordt de stempel vlak boven het substraat gepositioneerd waarvan de toplaag vloeibaar is. Dan volgt uitlijning en sturen we door omkering van de luchtstroom - van vacuüm naar een lichte overdruk - een deegroller van lucht tussen de dikkere glasplaat en de flexibele stempel door. Zodra de eerste groef de stempel naar beneden heeft geblazen, wordt de volgende groef op druk gezet, totdat de gehele stempel in contact is met het substraat. Na uitharden met bijvoorbeeld UV wordt de stempel stap voor stap weer van het substraat gepeld door de groeven weer een voor een op vacuüm te zetten en dan is het product klaar.‘

Mems

Nu technisch gezien niets een verdere opmars van Scil meer in de weg lijkt te staan, worden leds nu opeens veel goedkoper, kleiner of krachtiger? En duiken er wellicht nieuwe producten op die tot nu toe niet rendabel te produceren waren? ’De Scil-techniek hebben we in eerste instantie voor Philips Lighting ontwikkeld als antwoord op de vraag hoe je meer licht uit een led kunt halen en het energetische rendement ervan kunt verhogen‘, antwoordt Verschuuren. ’Licht haal je uit een led door het oppervlak ervan ruw te maken en hier een lens overheen te zetten. Dat levert echter verliezen op en je maakt de led daarmee ook een stuk groter. Door fotonische kristallen te gebruiken kun je zonder glazen dome veel meer licht uit een led halen. Alle leds moeten echter dezelfde kleur en dikte hebben en daarvoor moeten de leds van tevoren worden geselecteerd, waardoor er op losse led-chips moet worden geprint. Met onze techniek kun je echter meerdere leds op een drager zetten die we kunnen bedrukken met een nanopatroon. Met de vorm van dat patroon kun je het licht sturen zodat je meer opbrengst krijgt. Ook kun je zogeheten nano-antennes maken waarmee je het licht in richting kunt sturen. Ik denk dat als dit goed is uitontwikkeld, we het licht dat uit een led komt in potentie tot zeventig keer meer kunnen concentreren. Dat is spectaculair.‘

Maar er is meer. Verschuuren: ’Ook kunnen de productiekosten van producten zoals een vertical cavity surface emitting-laser voor lidar-toepassingen en optische joysticks drastisch worden verlaagd. Straks heb je zo‘n VCel voor de prijs van een led-lampje. Ook voor nieuwe generaties zonnecellen is Scil interessant. Door zonnecellen te voorzien van nanostructuren kunnen we straks een 90 nanometer dun laagje halfgeleidermateriaal gebruiken in plaats van de 350 nm dikke laag die er nu in zit, terwijl het rendement aanzienlijk verhoogt omdat de zonnecel dan veel meer licht vangt. Normaal wordt namelijk 10 tot 15 procent van het invallende licht teruggekaatst. Voorzien van een dunne, geoptimaliseerde laag met nanostructuur kun je de terugkaatsing aanzienlijk verminderen. Ook micro-elektromechanische systemen zijn een interessant gebied waarin de nieuwe Scil-techniek voordelen kan bieden. Wellicht ook om grote flashgeheugens sneller in grotere aantallen te produceren waardoor ze nog verder in prijs zullen dalen. De R&D-wereld is eveneens zeer geïnteresseerd in deze techniek die veel toegankelijker is dan bijvoorbeeld lithografie met een elektronen- of ionenbundels. Kortom, dit kan voor heel prettige en interessante verschuivingen gaan zorgen.‘

AGENDA

Topbanen
Ministerie van Defensie

Word technicus bij Defensie

Ministerie van Defensie

Nederland

Verbruggen

Manager Assembly & FAT

Verbruggen

Emmeloord

Techwatch

Techwatch | bv | Novio Tech Campus | Transistorweg 7-H | 6534 AT Nijmegen
T. +31 (0)24 - 350 3532 | info@techwatch.nl

Copyright ©  2018 Mechatronica&Machinebouw - All Rights Reserved

×