Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Prägemasters mittels 3D-Laserlithographie, sowie dessen Verwendung zur Herstellung eines Prägewerkzeugs, das in einem Batch- oder Rolle-zu-Rolle Prägeverfahren verwendet wird.

Prägemaster bilden die Vorlage für die Herstellung eines Prägewerkzeugs. Verfahren zur Herstellung eines Prägemasters sind bekannt. Im Allgemeinen werden Prägemaster durch Foto-, UV-, Elektronenstrahl- oder Laserlithographie hergestellt.

Dabei wird eine dünne vollflächig abgeschiedene Lackschicht (Foto-, Elektronenstrahl- UV-Lack) durch Belichtung und anschließende Entwicklung strukturiert. Die maximale Strukturhöhe ist dabei durch die maximale Lackdicke vorgegeben.

In einer weiteren bekannten Ausführungsform werden zur Herstellung eines Prägemasters die durch konventionelle Lithographie erzeugten Strukturen durch Ätzprozesse in ein geeignetes Substrat übertragen. In diesem Fall ist die Strukturhöhe von der Selektivität (d.h. unterschiedliche Ätzraten zwischen Lack und Substrat) des strukturierten Lackes und von den Bedingungen des Ätzprozesses abhängig.

In jedem Fall werden auf diese Weise nur 2-dimensionale (bzw. 2.5 dimensionale) Strukturen erhalten, das heißt Strukturen ohne Hinterschneidungen mit gleicher Strukturhöhe.

3-dimensionale Strukturen, also unterschiedlich hohe Strukturen mit einem Höhenprofil, werden i.a. durch mehrstufige wiederholte Belichtungsprozesse, bei denen mehrmals eine Lackschicht aufgetragen wird und mehrmals ein Belichtungsvorgang erfolgt, erzeugt.

Dieses Verfahren ist durch die mehrmals zu wiederholenden durchzuführenden und zueinander zu registrierenden Verfahrensschritte ziemlich aufwändig. Die Strukturen können auch nicht mit ausreichender Präzision dargestellt werden, da durch die Wiederholung der Verfahrensschritte über die einzelnen Lackschichten Unschärfen und Abweichungen entstehen können. Eine weitere Möglichkeit, 3-dimensionale Strukturen herzustellen, ist das Verfahren der Grayscale Lithographie. Bei diesem Verfahren kann allerdings keine präzise Abstufung der Strukturhöhen erreicht werden, da die Belichtung nicht auf kleine Volumina begrenzt ist. Daher ist auch die Auflösung relativ gering.

Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs bereitzustellen, wobei ein Prägemaster verwendet wird, der 3-dimensionale bzw. 2,5- dimensionale Strukturen in höchster Auflösung und Präzision aufweist. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs zum Prägen von Strukturen auf flexiblen Substraten, wobei vorerst ein Prägemaster mit einer Primärstruktur hergestellt wird und anschließend durch galvanische Abformung oder thermisches oder UV-Prägen in ein Polymer oder Abgießen mit einem flüssigen Polymer oder einem Lack oder Spritzgießen oder Step- and-Repeat-Vervielfältigung das Prägewerkzeug hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur des Prägemasters als 3D- oder 2,5D-Struktur mittels 3D- Laserlithographie durch Strukturieren eines photosensitiven Materials erzeugt wird. 3D-Laserlithographie ist ein Direktschreibverfahren, bei dem mittels eines fokussierten Lasers mit einer definierten Wellenlänge, typischerweise im nahen IR-Bereich, bei etwa 750 bis 850 nm, die nicht im Absorptionsbereich des zu strukturierenden Materials liegen darf, eine Struktur in ein photosensitives Material eingeschrieben wird. Der Unterschied zu herkömmlichen Laserschreibverfahren mittels UV Laser ist, dass die Wechselwirkung zwischen Laser und Material auf einem nicht-linearen optischen Prozess, der Mehrphotonenabsorption beruht. Erst dadurch ist es möglich, in einem Belichtungsschritt 3D-Strukturen zu erzeugen, da die Modifizierung des Materials durch den Laser auf einen kleinen Bereich um den Fokus beschränkt bleibt. Vorteile sind dabei die absolute Freiheit und Flexibilität in der Umsetzung eines Modells einer Struktur in einen physischen Körper, wie ein Prägewerkzeug, sowie die erreichbare hohe Auflösung, die nicht durch Beugung des Lichts limitiert ist.

Die Erzeugung einer Struktur erfolgt durch ein definiertes Bewegen des Laserfokus durch das Material („3D Laserstift"), der die Struktur somit in das Material einschreibt. Die Modifizierung des Materials ist meist eine durch Photopolymerisation hervorgerufene geänderte Löslichkeit. Durch anschließendes Entfernen des unbelichteten Materials (bei einem Negativlack) entsteht eine freistehende SD- Struktur. Ebenso kann eine photoinduzierte Änderung des Brechungsindex ausgenutzt werden, um direkt eingebettete photonische Strukturen zu erzeugen. Für die optische Wirkung dieser Strukturen muss allerdings eine vom Material abhängige minimale Brechungsindexänderung gegeben sein.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der Herstellungsprozess des Masters bzw. das Rapid Prototyping mit Hilfe der 3D Laserlithographie besteht aus den folgenden Schritten:

-) Modellerstellung (CAD)

-) Probenpräparation (Lackauftrag auf das Substrat)

-) Laserschreiben (strukturierte Belichtung)

-) Entwicklung bzw. Postprozessierung

Zur Modellerstellung wird in einem handelsüblichen CAD Programm (AutoCAD, Rhinoceros, Solidworks etc.) ein 3D Oberflächen- oder Volumensobjekt gezeichnet. Von diesem Modell werden die Strukturdaten für das Laserschreiben aufbereitet. Dabei können zwei unterschiedliche Strategien angewendet werden.

In einer ersten Ausführungsform, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, wird das das Objekt in einen Stapel von Konturlinien zerlegt, die die Oberflächenform beschreiben und denen der Laserfokus später beim Schreiben folgt.

In Figur 1 ist dabei das CAD-Modell eines Objekts dargestellt, Fig. 2 zeigt den Konturlinienstapel.

In einer zweiten Ausführungsform, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, wird das gesamte Volumen sozusagen„schraffiert", d.h. mit Linien ausgefüllt und entsprechend geschrieben. Figur 3 zeigt dabei Konturliniendaten für die Positionierung des Laserfokus, der entlang der kreisförmigen Linien verfährt.

Figur 4 zeigt das komplett schraffierte Modell.

Zur Herstellung des Masters wird zuerst ein geeignetes Substrat gereinigt.

Als Substrate kommen vorzugsweise Glas, Si-Wafer und dergleichen in Frage.

Das Substrat wird mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielweise Aceton und/oder Isopropanol vorgereinigt. Ebenso ist eine Sauerstoffplasmavorbehandlung für einige Materialien vorteilhaft, um glatte, gleichmäßige Lackschichten herzustellen.

Der Lack wird dann entweder aufgeschleudert (durch einen Spin Coater) oder einfach nur aufgetropft (für hohe Strukturen, die einen dicken Lackfilm benötigen würden). Es ist aber auch möglich den Lack durch Drucken, Aufstreichen, Walzenauftrag und dergleichen aufzubringen.

Als Lackschichten sind erfindungsgemäß insbesondere Negativ-Photoresists, wie SU- 8 (Microchem Corp), hybride Polymere, wie Ormocer ^® , acrylbasierte Fotolacke wie IP-L, I -G geeignet. Einige Lacke, wie beispielsweise SU- 8 verlangen eine thermische Vorbehandlung (Pre- Bake), bei der das Lösungsmittel des Lacks verdampft wird und der Lack beim Abkühlen verfestigt.

Andere Lacke, wie IP-L und IP-G benötigen keine Vorbehandlung.

Als Photolacke können weiterhin Sol-Gel-Systeme eingesetzt werden.

Der Sol-Gel-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung nichtmetallischer anorganischer oder hybridpolymerer Materialien aus kolloidalen Dispersionen, den sogenannten Solen. Bei den Ausgangsmaterialien für eine Solsynthese handelt es sich oft um Alkoholate von Metallen beziehungsweise Nichtmetallen. Die Hydrolyse von Precursor- Molekülen und die Kondensation zwischen dabei entstehenden reaktiven Spezies sind die wesentlichen Grundreaktionen des Sol-Gel-Prozesses. Die dabei ablaufenden Vorgänge und die Eigenschaften der Prekursor-Moleküle haben einen entscheidenden Einfluss auf die resultierenden Materialeigenschaften. Sobald sich ein Netzwerk aus Solpartikeln gebildet hat, spricht man von Gelierung. Das viskos fließende Sol ist in einen viskoelastischen Festkörper übergegangen. Das Gel besteht aus dem Gelgerüst und dem von ihm eingeschlossenen Lösungsmittel, wobei jedoch alle Poren miteinander in Verbindung stehen.

Zur Schichtherstellung müssen die als Beschichtungslösungen verwendeten Sole zunächst auf die Substratoberfläche appliziert werden. Hierzu bieten sich grundsätzlich alle Beschichtungsverfahren an, die auch für Fotolacksysteme verwendet werden können (Tauchen, Schleudern, Rakeln, Roller-Coating, Fluten oder Sprühen). Die verwendete Beschichtungstechnik hat entscheidenden Einfluss auf die gewünschten Eigenschaften wie Schichtdicke, Homogenität oder niedrige Defektdichte. Während des gesamten Beschichtungsvorganges und dem Trocknen des Sols werden die Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen der verwendeten Prekursormoleküle weiter fortschreiten, bis die Aggregation der Solteilchen zu einem festen Gelfilm führt.

Alternativ kann als Substrat auch photosensitives Glas, wie beispielsweise Chalkogenid- Glas, verwendet werden. Das photosensitive Material weist einen Absorptionsbereich von 200 bis 400 nm auf.

Das direkte 3D- Laserschreiben erfolgt derart, dass der Laserfokus entsprechend den aus der CAD- Modellerstellung ermittelten Modelldaten durch den Lack bewegt wird und dort lokal eine Modifikation der Materialeigenschaften (Brechungsindex, Löslichkeit) verursacht. Typischerweise verwendet man Laser mit einer Wellenlänge im nahen Infrarot, wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung zwischen 300nm und 2000nm liegt und bei der der Lack transparent ist.

Um die entsprechenden Photonenflussdichten zu erreichen, um nicht-lineare optische Prozesse wie die Zweiphotonenabsorption auszulösen, kommen häufig Kurzpulslaser zum Einsatz. In Abhängigkeit von der verwendeten Zusammensetzung der Lackschicht kann dabei die Pulsdauer von Femtosekunden bis Pikosekunden und die Repetitionsraten von kHz bis MHz variieren, und die Pulsenergie im Bereich weniger nJ liegen.

Typische Verfahrensparameter können beispielsweise eine Pulsdauer von etwa 1 bis 1000 fs, typischerweise ca. 120 bis 180 fs, eine Repetitionsrate von etwa 100 MHz und eine Pulsenergie von etwa O.lnJ sein.

Nach dem vorgehend beschriebenen Belichten mittels eines Lasers erfolgt die Entwicklung bzw. Postprozessierung, die im Wesentlichen wiederum abhängig ist von der verwendeten Lackschicht.

Beispielweise erfolgt bei einigen Materialien eine thermische Nachbehandlung (z.B. SU-8), andere Materialien, wie beispielsweise IP-L und IP-G können direkt mit einem geeigneten Lösungsmittel entwickelt werden, wobei das unbelichtete Material (bei einem negativen Resist) weggewaschen wird und der belichtete Teil a ls freistehende 3D-Struktur auf dem Substrat verbleibt. Geeignete Lösungsmittel sind in Abhängigkeit von der verwendeten Lackschicht Isopropanol, PGMEA, Propylacetat oder handelsübliche SU-8-Entwickler, wie mrdev 600. Die Entwicklung des Photoresists erfolgt vorzugsweise durch ein Kritisch-Punkt- Trocknungs-Verfahren. Das in Proben enthaltene Wasser wird über Aceton als Zwischenstufe durch flüssiges CO2 ersetzt. Das flüssige CO2 lässt sich durch überkritisches Trocknen leicht entfernen. Durch diese Art der Trocknung werden Oberflächenkräfte wie z.B. Kapillarkräfte vermieden, die sonst bei der Trocknung auftreten und feine Strukturen beschädigen oder zerstören würden.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Trocknung des Photoresists durch UV Strahlung erfolgen.

Die Strukturen weisen typischerweise eine Höhe von < 20 μηι, bevorzugt < 5 μιτι, besonders bevorzugt < 1 μιη, ihre laterale Ausdehnung ist typischerweise < 20 μητι, bevorzugt < 5 μιη, besonders bevorzugt < 1 μι .

Diese Struktur dient dann als Master zur Abformung in einem darauffolgenden Prägeprozess.

Wesentliche Vorteile der Methode zur Herstellung eines Prägemasters sind dabei die höchste Flexibilität im Design, die Erzeugung einer echt 3- dimensionalen Struktur, eine hohe räumliche Auflösung und kurze Entwicklungszeit.

Für die großflächige Herstellung von Prägewerkzeugen ist es wesentlich, dass die mittels 3D-Laserlithographie hergestellte Masterstruktur defektfrei und homogen über die beschriebene Fläche ist. Je größer diese Fläche der Masterstruktur wird, desto wahrscheinlicher treten Defekte auf. Dies ist einerseits durch die endliche mechanische Genauigkeit des Systems oder andererseits durch variierende Umweltbedingungen verursacht.

Abhilfe schafft nur die Beschränkung auf Flächen, die klein genug sind, damit die mechanischen Ungenauigkeiten und die schwankenden Umweltbedingungen nicht signifikant zum Tragen kommen. Um dennoch große Flächen strukturieren zu können, bedarf es einer Möglichkeit zur Vervielfältigung der Struktur. Ein kachelartiges Aneinanderreihen der Strukturen ermöglicht das sog. Step-and-Repeat-Verfahren (mittels Nanoimprintlithographie), das mit Hilfe des UV Prägens identische Kopien der Masterstruktur über eine größere Fläche herstellt.

Der Verfahrensablauf eines Step-and-Repeat-Verfahrens ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt.

Hier wird der Übergang von Flächen mit Kantenlängen im μηΊ-Bereich (Größe der hergestellten lasergeschriebenen Masterstruktur mittels 3D-Laserlithographie) auf Flächen von etwa 1 cm ² , die die minimale Anforderung an Flächengröße für ein Step- and-Repeat-Verfahren zur Prägewerkzeugfertigung darstellt, gezeigt.

Dabei wird zunächst die originale Reliefstruktur in Kontakt mit einem mit einem Lack beschichteten Substrat bzw. einer Lackschicht gebracht. Dabei nimmt die Schicht die negative Topographie der Masterstruktur an. Um diese Struktur dauerhaft zu machen, wird entweder mit UV Licht (UV-NIL) oder mit Druck und Temperatur (Heißprägen) die Lackschicht ausgehärtet.

Anschließend wird die Masterstruktur von der Lackschicht getrennt. Die Lackschicht weist nun ebenfalls ein Relief auf, welches für weitere Replizierungen verwendet werden kann.

Kritische Prozessparameter sind dabei vor allem das Fließverhalten der Lackschicht, da durch die Originalstruktur das Material von bestimmten Bereichen verdrängt werden muss, um eine möglichst getreue Abformung zu bekommen, außerdem die UV Dosis, bzw. Druck und Temperatur, sowie der entsprechende zugehörige zeitliche Verlauf der Prägeparameter (Temperatur- bzw. Druckrampen).

M ittels 3D-Laserlithographie bzw. über einen NIL-Zwischenschritt hergestellte erste 2.5D-Master mit Strukturen für die Prägewerkzeugfertigung sind in Fig. 7 gezeigt. Die Form war ist als eine 4-stufige Mikropyramide mit einem Durchmesser von 10 μηι angelegt, mit unterschiedlichen Grundrissen wie Kreis, 4-Eck, 5-Eck und 6-Eck. Die Stufengröße beträgt < 1 μηι in axialer und lateraler Richtung (Figur 7).

Zur Herstellung des Prägewerkzeugs werden die Master mit den Strukturen aus der 3D-Laserlithographie bzw. aus dem NIL-Zwischenschritt galvanisch abgeformt, um eine sogenannte Nickel-Kopie zu erhalten.

Dabei wird auf die Masterstruktur zunächst eine elektrisch leitfähige Oberfläche (z.B. Silber, Gold, NiV, etc.) aufgebracht (z.B. durch sprühen, tauchen, sputtern, etc. Figur 8 a).

Über Galvanoformung also elektrolytische Abscheidung von Nickel auf der Masteroberfläche und anschließende Abtrennung der Nickelschicht vom Master) wird dann eine selbsttragende Kopie des Masters aus Nickel (Nickelstempel, Figur 8 b) hergestellt.

Mit diesem Nickelstempel wird in einem weiteren Step-und-Repeat-Verfahren die Struktur gemäß des Layouts des endgültigen Prägewerkzeugs auf einen Zwischenträger (über Heißprägen in Kunststoff z.B. PMMA, PC etc. oder über UV-Prägen in UV-Lack) übertragen.

Dieser Zwischenträger wird nun wiederum als Master für das endgültige Prägewerkzeug verwendet und wie beschrieben durch Galvanoformung daraus eine Nickel-Kopie (Shim) hergestellt. Für die Nutzung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren wird der so erhaltene Nickelshim mit der sich darauf befindlichen Struktur durch Spannen, Schweißen oder Aufkleben zu einem Zylinder geformt.

In einer weiteren Ausführungsform können zusätzlich zu den durch 3 D- Laserlithographie hergestellten Strukturen auch Strukturen (z.B. diffraktive Strukturen = 2D oder 2.5D Struktur), die durch Elektronenstrahl-e-beam Lithographie, Holographie oder dergleichen hergestellt wurden, vorhanden sein.

Dabei wird ein geeigneter Resist (z.B. SU-8) der sowohl für 3D-Laserlithographie wie auch für herkömmliche Elektronenstrahl-Lithographie geeignet ist, als photoempfindlicher Lack verwendet. Im ersten Schritt kann dann die Strukturierung mittels 3D Laserlithographie erfolgen, danach die Strukturierung mittels Elektronenstrahlbelichtung. Anschließend werden beide strukturierten Bereiche entwickelt.

In einer weiteren Ausführungsform kann die in einem ersten Schritt mittels SD- Laserlithographie erzeugte 2,5D-Struktur abgedeckt werden und der Master mit einem geeigneten Resist für eine weitere Strukturierungsart neu belackt, danach belichtet und entwickelt werden. In Figur 9 ist eine derartige kombinierte Struktur dargestellt. Dabei bedeutet 1 die diffraktive Struktur und 2 die 3D-Struktur.