Soft nanoimprint lithography on curved surfaces

Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen des Prägens auf gekrümmten Oberflächen. Die Prägung auf gekrümmten Oberflächen hat aufgrund der steigenden Nachfrage nach Anwendungen in der Optik, bei biomedizinischen Implantaten und Sensoren eine hohe Relevanz gewonnen. Gegenwärtig ist es aufgrund der begrenzten Tiefenschärfe des Projektionssystems eine Herausforderung, Strukturen auf gekrümmten Oberflächen mit Hilfe der konventionellen Photolithographie zu strukturieren. Daher wird zunehmend die Nanoimprint-Lithographie (NIL) eingesetzt. NIL ermöglicht die gleichmäßige Abformung von Strukturen auf stark gekrümmten Oberflächen. Sie ist im Vergleich zu herkömmlichen Methoden nicht durch optische Effekte wie Streuung, Beugung und Interferenz in einem Substrat begrenzt. In dieser Arbeit wird ein weicher UV-NIL-Prozess entwickelt, optimiert und für die Strukturierung auf nicht ebenen Oberflächen implementiert. Es handelt sich um einen mechanischen Prozess, der auf der Übertragung von Strukturen von einem flexiblen und transparenten weichen Polydimethylsiloxan (PDMS) Stempel auf das Substrat in Gegenwart von UV-Licht basiert. Die Entformung ist ein wichtiger Aspekt für einen erfolgreichen NIL-Prozess. Die induzierte Scherspannung während der Trennung des Stempels vom Substrat kann zu strukturellen Verzerrungen führen, insbesondere an den Rändern der gekrümmten Oberfläche, wo die Neigung hoch ist. Das weiche NIL wurde angewandt, da es im Vergleich zur konventionellen Lithographie nicht von komplexen Maschinen, strengen Umgebungsbedingungen und optischen Einschränkungen abhängig ist. Eine hochpräzise Nanopositionierungs- und Nanomessmaschine (NPMM) wurde eingesetzt, um eine kontrollierte Positionierung des Substrats zum Stempel zu ermöglichen. Ein kompakter und einstellbarer weicher UV-NIL-Prozess wurde entworfen, montiert und in die NPM-Maschine integriert. Die erfolgreiche Umsetzung des grundlegenden Prozesses im NPMM schuf die Grundlage für die Herstellung eines NIL-Werkzeugs, das mit einer Drehvorrichtung kombiniert und in das NPMM integriert wurde. Die Kombination ermöglicht fünf Bewegungsfreiheitsgrade für das orthogonale Formen und Entformen an den Kanten gekrümmter Substrate. Das rotierende NIL-Werkzeug spricht die allgemein übersehene Herausforderung der Strukturierung und Charakterisierung an den Kanten gekrümmter Substrate an. Unabhängig von den eingeschränkten Messmöglichkeiten bei hohen Neigungen für hochauflösende Nanostrukturen war es möglich, die Strukturen sowohl auf dem Linsensubstrat als auch bei einer Neigung von 45° im REM abzubilden. Es hat sich gezeigt, dass es an der Kante eines gekrümmten Substrats mit einem Krümmungsradius von ca. 25 mm bei einer Oberflächennormalen, die um 45° geneigt ist, ein Imprinting durchführen kann. Die Methode ermöglicht präzise Prägefähigkeiten bei hohen Neigungen und stellt damit einen neuartigen Ansatz von weichem NIL auf gekrümmten Oberflächen dar.

This thesis addresses the challenges of imprinting on curved surfaces. The imprinting on curved surfaces has gained high relevance due to the increasing demand for application in optics, biomedical implants and sensors. Currently, it is challenging to pattern structures on curved surfaces using conventional photolithography due to the limited depth of focus of the projection system. Herein, rises the use of Nanoimprint Lithography (NIL). NIL allows the uniform molding of structures on highly curved surfaces. It is not limited by optical effects such as scattering, diffraction and interference in a substrate as compared to conventional methods. In this thesis, soft UV-NIL process is developed, optimized and implemented for patterning on non-flat surfaces. It is a mechanical process based on the transfer of structures from a flexible and transparent soft polydimethylsiloxane (PDMS) mold to the substrate in the presence of UV light. Demolding is an important aspect for a successful NIL process. The induced shear stress during the separation of the stamp (mold) from the substrate can lead to structural distortions, specifically on the edges of the curved surface, where the inclination is high.
Soft NIL was applied as it is not dependent on complex machines, strict environmental conditions and optical limitations as compared to conventional lithography. A high-precision Nano-positioning and Nano-measuring Machine (NPMM) was used to provide controlled positioning of substrate to the stamp. A compact and adjustable soft UV-NIL process was designed, assembled and integrated into the NPM machine. The successful implementation of the fundamental process in the NPMM created a foundation for making a NIL tool to be combined with a rotary device and integrated into the NPMM. The combination enables five degrees of freedom of motion for orthogonal molding and de-molding on edges of curved substrates. The rotating NIL tool addresses the generally overlooked challenge of patterning and characterization on the edges of curved substrates. Regardless of restricted measurement capabilities at high inclinations for high nanostructures, it was possible to perform SEM images on top of the lens substrate as well as at an inclination of 45°. It has displayed imprinting capabilities on the edge of curved substrate with radius of curvature of approximately 25 mm at a surface normal titled to 45°. The method enables precise imprinting capabilities at high inclinations, thereby presenting a novel approach of soft NIL on curved surfaces.

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