Bij microcontact printing binden inktmoleculen, afkomstig uit een rubberen stempel, zich aan een substraat. Dat komt omdat de uiteinden van deze lange moleculen (thiolen) zich goed hechten aan goud. Bovendien zoeken de staarten van de moleculen elkaar op. Ze organiseren zich spontaan in een tweedimensionaal rooster aan het oppervlak. De methode werkt ook voor hechting aan siliciumoppervlakken of aan glas, maar dat gaat minder goed dan voor thiolen op goud.
Philips ontwikkelde een vlakke wave-printer. Een rubberen stempel `golft' over een vlak substraat waarop men een patroon wil aanbrengen. Het patroon doet dienst als barrière: waar inkt zit blijft de deklaag tijdens het etsen zitten, waar geen inkt zit wordt deze weggehaald. In het project “lab zonder muren” werkt Mesa+ samen met Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en Philips Research aan de verbetering van functionaliteit, inzetbaarheid en marktwaarde van deze techniek.
Een `killer-applicatie' diende zich vooralsnog niet aan, maar grote voordelen zijn er wel: cleanroomfaciliteiten zijn niet nodig en de nauwkeurigheid is groot. Door slim gebruik te maken van de (chemische) eigenschappen van de inkt en het stempelproces, is de ontwerpvrijheid aanzienlijk. Bovendien is deze `masker-fabricage' spotgoedkoop.
Natlab
Promovendus Ruben Sharpe bivakkeerde twee jaar lang op het Philips Natlab waar hij de ins en outs van deze techniek leerde kennen. Dit onder begeleiding van senior researcher bij Philips, dr. Dirk Burdinski. Het verblijf bij de multinational duurde langer dan gepland. Dat leverde hem detailinzicht op in de werking van de techniek en in de fysische processen die eraan ten grondslag liggen.
Sharpe: `Vooral het uitvloeigedrag van de inkt en het doorbuigen van de stempel leverden beperkingen op. Bij het patroneren van grote oppervlakken, van enkele centimeters, kon men de druk moeilijk controleren. Uit die vraagstelling ontwikkelde zich een fysisch interessant project dat rechtstreeks relevant was voor de praktijk. We hebben ons gericht op de inkttransportroutes en -mechanismen tijdens dit printproces.'
De inkt is de werkelijke sleutel tot het succes van microcontactprinten. Men gebruikt een quasi-droge inkt die niet op maar - zoals bij een spons - in de stempel is opgenomen. Tijdens het stempelen binden de inktmoleculen vanuit de stempel zich aan het substraat. Ze vormen hierop een laagje van precies een molecuul dikte.
Door de droge inkt is het mogelijk met hoge resolutie te printen. De inkt is eenvoudig chemisch te modificeren en is enigszins mobiel. Zo kan de inkt zichzelf organiseren tot een dichte pakking waardoor de kwaliteit van de monolaag hoog is. Deze mobiliteit bevordert echter ook het ongewenste uitvlekken buiten de directe contactgebieden.
Ook de mechanische eigenschappen van de stempel leiden tot verlies van resolutie doordat de holtes tussen de contactgebieden tijdens het stempelen doorbuigen. Sharpe ontwikkelde een chemische barrière (`een soort teflon anti-stick coating') voor de inktmoleculen, als alternatief voor de holtes. Daardoor kan de stempel, zonder holtes, stijver en steviger geconstrueerd worden. Hierdoor vermindert de doorbuiging en ook het ongewenste 'knikgedrag' van de stempel.
Bijeffect
Philips had ook veel belangstelling voor een tweede effect dat Sharpe bestudeerde. In de holtes van de stempel zit een soort inktdamp. Die blijkt zich bij voorkeur te hechten aan gebieden op het substraat waar al inkt zit. Het bleek mogelijk om van dit ongewenste bijeffect een gestuurd hoofdeffect te maken.
Zo zijn flinterdunne randjes te maken op plekken waar geen direct fysiek contact is tussen stempel en substraat. `Ze zijn in de orde grootte van 750 nanometer', zegt professor Jurriaan Huskens van SMCT. `Philips vond dit concept de moeite waard om te patenteren. Door het verder uit te ontwikkelen moet men kunnen uitkomen op lijnen ter grootte van 100 nanometer, schat ik in. Daarmee kan men de functionaliteit van de wave-printer vergroten.'
Vooraf had Huskens niet verwacht dat de microcontact printtechniek zoveel verrassende resultaten zou opleveren. Een derde fenomeen waar Sharpe nieuwe inzichten vond, was het werken met geoxideerd goud. Met een reducerend middel is dit vervolgens weer, heel gemakkelijk, in de oorspronkelijke toestand te brengen van het pure edelmetaal goud. Omdat geoxideerd goud in tegenstelling tot niet-geoxideerd goud resistent is tegen bepaalde etsmiddelen, kan men door zo te stempelen de etsbarrière juist plaatselijk verwijderen in plaats van aanbrengen. Zo is een omgekeerd stempel te maken.
Sharpe: `Met heel veel middelen bleek dit proces van reduceren goed te werken. Ik heb zelfs vitamine C uitgeprobeerd. Maar dat ging iets te goed: het hele oppervlak reduceerde terug tot goud. Uiteindelijk hebben we een aantal stoffen gevonden waarmee we wel heel gericht en nauwkeurig kunnen werken.'
Twee groepen
`Met deze methode is het vooral goed mogelijk om op een wafer goedkoop en met weinig stappen geïsoleerde nanostructuren te maken.' Dat zegt prof. dr. ir. Bene Poelsema, hoofd van vastestoffysica. Professor Harold Zandvliet van deze groep was betrokken bij het promotieproject.
`Samenwerking tussen de SMCT en onze groep kwam hier op natuurlijke wijze tot stand. Het contact tussen de groepen heeft zich verbreed. Ik verwacht dat we in de toekomst meer zullen samenwerken, bijvoorbeeld om processen te bestuderen waarbij individuele metaalbolletjes zich hechten aan verschillende oppervlakken. De vraag is of de hechting zodanig is dat deze van invloed is op belangrijke fysische eigenschappen, zoals de elektrische geleidbaarheid.'
