Hochgeordnete Strukturen im Sub-45nm-Bereich mittels Diblockcopolymer-Lithografie-Strukturierung und Funktionalisierung

Abstract

Geordnete poröse Materialien erlangen zunehmende praktische Bedeutung, besonders in der Nanotechnologie. Anwendungen hierfür sind in der Synthese von eindimensionalen Nanostrukturen oder in Form von hochselektiven Membranen für Trennprozesse zu finden. Eine einfache und bequeme Methode zur Herstellung solcher Strukturen mit Gitterkonstanten von wenigen zehn Nanometern basiert auf der Selbstorganisation von Diblockcopolymeren (DBC). Im Gegensatz zu konventionellen Lithografiemethoden, wie z.B. Elektronenstrahl-Lithografie, können hiermit schnell und kostengünstig große Bereiche bis zu mehreren cm2 strukturiert werden. Ein weiterer Vorteil ist das einfache Einstellen von Strukturabständen und -durchmessern durch Änderung des Molekulargewichtes der DBC und deren Fähigkeit zur Ausheilung von Defekten. Es wurden mittels "Spincoating" dünne Filme aus PS-b-PMMA mit zylindrischen Domänen der Minoritätsphase senkrecht zur Oberfläche auf verschiedenen Substraten hergestellt und anschliessend getempert. Durch UV-Bestrahlung und Spülen in Essigsäure konnte PMMA selektiv entfernt werden, wobei sowohl Loch- wie auch Stabmasken aus PS erzeugt und als Lithografiemasken verwendet wurden. Mit Hilfe von Plasmaätzen wurden die Strukturen in die unterliegenden Substrate übertragen, wodurch ausgedehnte und hochgeordnete Strukturen aus z.B. Si, Si3N4 oder Al2O3 entstanden. Anwendungen für mesoporöse Strukturen aus Si oder Si3N4 sind die Herstellung von geordneten, hochtemperaturstabilen Goldnanopunkten für das Wachstum von Nanostäben, die Katalyse oder die Sensorik. Dabei wurde das Gold in den Mesoporen dimensioniert und fixiert und eine Temperaturstabilität bis 600°C erreicht. Um hochgeordnete Strukturen mit hohem Aspektverhältnis herzustellen wurde Aluminium mit DBC vorstrukturiert und anschließend anodisch oxidiert.

Ordered porous materials have attracted increasing interest particularly in nanotechnology. Examples are their use as templates for the synthesis of one-dimensional nanostructures, and as highly selective membranes for separation applications. A simple and versatile method to prepare such porous structures characterized by lattice constants of a few tens of nanometers is based on self-assembly of diblock copolymers. Compared to electron beam lithography, this approach allows the patterning of large areas (up to several cm2) at considerably lower cost. Further benefits are the easy tailoring of the lattice constant by properly adjusting the molecular weight of the used block-copolymer and its self-healing behaviour. Thin films of PS-b-PMMA on various substrates consisting of cylindrical domains of the minor phase normal to the film plane were prepared by spin-coating and annealing under inert atmosphere. After exposing to UV light and rinsing in acetic acid, the PMMA can be removed. Both porous films and dots consisting of polystyrene were generated and used for lithography. Plasma etching was employed to transfer the pattern into the underlying substrates. Extended, highly ordered structures on different materials (Si, Si3N4, Al2O3) were obtained. The substrates thus patterned can be further processed to obtain extended, highly ordered porous materials with pores having high aspect ratios. An application discussed here is the fabrication of ordered gold nanoparticle arrays with high lateral density, which are stable at temperatures up to 600°C, by immobilising the nanoparticles within ordered mesoporous silicon. The thus obtained hybrid materials may be used for the growth of dense, ordered nanowire arrays, catalysis and sensor technology. To create highly ordered porous materials with pores having high aspect ratios, prepatterned alumina was manufactured by diblock copolymer lithography for subsequent electro-chemical etching.