Superkleine structuren spelen een belangrijkere rol in het dagelijks leven dan we vaak beseffen. Niet alleen talloze toepassingen in micro-elektronica, maar ook systemen voor dataopslag zoals cd’s en dvd’s, of lcd-beeldschermen maken gebruik van piepkleine oppervlaktereliëfs. “Er zijn twee conventionele productiemethoden voor deze kleine structuren”, zegt Ko Hermans (28). “Fotolithografie, waarbij een patroon met licht wordt afgebeeld in een lichtgevoelige lak en de niet-belichte lak met een geschikt oplosmiddel wordt weggewassen, en de ‘stempelmethode’, waarbij je het patroon met behulp van een mal rechtstreeks in het materiaal drukt.”

Voor het vervaardigen van computerchips is lithografie momenteel het meest geschikte procedé, terwijl de stempelmethode wordt ingezet voor het maken van cd’s en dvd’s tot het aanbrengen van patronen op douchegordijnen. Op zich werken die methoden prima, maar ze hebben allebei hun nadelen, vertelt Hermans: “Met lithografie kun je heel kleine, scherpe structuren maken, maar het is wel een duur en tijdrovend proces. En het maken van een mal om mee te stempelen is zo kostbaar dat je hem heel vaak moet gebruiken om het proces rendabel te maken. Bovendien is stempelen lang niet altijd mogelijk.”

Polymeergebergte
Vandaar dat aan de TU/e wordt gewerkt aan alternatieve methoden. Eerder besteedde Cursor al aandacht aan het printen van metaalstructuren (zie Cursor 22 van dit jaar), een project waarbij ook Hermans zijdelings betrokken is geweest. Daarnaast richtte Hermans met twee compagnons het bedrijfje NeoDec op, waarmee hij bezig is een nieuwe variant van het printen met metaalinkt uit te werken. Maar voor zijn promotie richtte hij zich op andersoortige structuren, met een techniek die volgens hem in zekere zin tussen de bovengenoemde conventionele methodes in ligt. Photoembossing maakt namelijk gebruik van licht -net als fotolithografie-, maar het effect hiervan is goed te vergelijken met dat van een stempel (to emboss: in reliëf maken).

Bij photoembossing belicht je een zogeheten fotopolymeer -via een masker met het gewenste lijnenpatroon- met uv-licht. Het fotopolymeer bestaat uit een mengsel van een polymeer (een lange keten van moleculen), lichtgevoelige moleculen (de foto-initiator) en monomeren (de bouwstenen van een polymeer). In de aan uv-licht blootgestelde gebieden ontstaat door de foto-initiator -na verhitting- een reactie waarbij de monomeermoleculen aan elkaar worden gekoppeld tot lange polymeerketens. In de belichte gebieden raakt daardoor het monomeer op, zodat diffusie van monomeren optreedt van de onbelichte naar de belichte gebieden. Zo groeit er in de door het uv-licht gemarkeerde gebieden een ‘polymeergebergte’ in de vorm van het gewenste lijnenpatroon.

Het materiaal wordt bij deze methode dus herverdeeld over het oppervlak, terwijl bij lithografie het grootste deel van het materiaal gewoon wordt weggegooid. Dat is een van de voordelen, vindt Hermans. “Daarnaast vormt het patroon zich pas als je het geheel verwarmt. Dat betekent dat je bijvoorbeeld met verschillende maskers patronen over elkaar heen kunt afbeelden. En dat alles zonder dat je het geheel hoeft aan te raken: dat is het unieke van deze methode.” De genoemde eigenschappen maken photoembossing volgens hem een uitstekende kandidaat als stempelen niet mogelijk is en lithografie te duur.

Vertraging
Toen Hermans begon met zijn promotieonderzoek waren de hoogste reliëfs gemaakt met photoembossing niet hoger dan een paar honderd nanometer; voor veel toepassingen niet hoog genoeg. Wil je hogere structuren, dan moet je ervoor zorgen dat de aangroei zo lang mogelijk blijft doorgaan, zo bleek uit een model dat Hermans opstelde. Hij besloot een polymerisatievertragende stof toe te voegen en wist daarmee maar liefst zeven keer zo hoge structuren te maken.
De nieuwe techniek is heel geschikt om kleine bakjes hermetisch af te dichten, vertelt Hermans. In samenwerking met Philips gebruikte hij photoembossing om de dekplaat van een elektroforetisch beeldscherm (‘elektronisch papier’) naadloos aan te laten sluiten op het raster van microbakjes met daarin de elektronische inkt. “Die bakjes vormen de pixels van het beeldscherm. Om vermenging van kleuren te voorkomen, wil je niet dat de inkt van het ene bakje naar het andere kan vloeien, maar het is ontzettend lastig om ze goed af te sluiten.” Door op de dekplaat randjes te laten groeien die precies aansluiten op de randen van de inktbakjes, kon hij de bakjes toch goed afdichten, legt Hermans trots uit: “Photoembossing is voor deze toepassing echt ideaal!”/.