Für die Herstellung von Nanostrukturen wurden viele unterschiedliche Lithographiemethoden entwickelt, die allgemein in zwei Klassen eingeteilt werden können: Bei parallelen Methoden wird die gesamte Oberfläche gleichzeitig strukturiert, wohingegen bei seriellen Methoden die Oberfläche nacheinander strukturiert wird. Eine Auswahl der wichtigsten Verfahren wird in diesem Kapitel kurz beschrieben.
Rastersondenmikroskopische Verfahren, wie die Rastertunnel- und die Rasterkraftmikroskopie, sind serielle Methoden mit bis zu atomarer Auflösung. Mit einer extrem dünnen Spitze kann die Oberfläche am unteren Limit strukturiert werden. Wegen der atomaren Auflösung ist diese Technik sehr interessant, aber der Zeitaufwand für das Erzeugen einer Struktur ist, wie bei allen seriellen Methoden, sehr hoch [64,61].
Zwei weitere serielle Verfahren, die viel genutzt werden sind das Ionenstrahl- und das Elektronenstrahlschreiben. Beim Ionenstrahlschreiben werden entweder die Ionen auf einer Oberfläche deponiert oder Teile der Oberfläche werden mit dem Ionenstrahl abgesputtert. Die maximale Auflösung wird hauptsächlich durch die chromatische Aberration des ionenoptischen Systems begrenzt. Bei den momentan zur Verfügung stehenden Apparaturen beträgt sie etwa 50nm, kann für leichte Ionen jedoch theoretisch auf bis zu 1nm erhöht werden [18]. Beim Elektronenstrahlschreiben wird die Oberfläche (z.B. Si) nicht direkt strukturiert, sondern ein auf die Oberfläche aufgebrachter Fotolack durch den Elektronenstrahl belichtet. Je nachdem ob es ,,negativer`` oder ,,positiver`` Fotolack ist, bleiben die belichteten Stellen nach der Entwicklung stehen oder nicht. Der Strukturübertrag vom Fotolack auf die Oberfläche geschieht durch ein Ätzverfahren. Die Auflösung dieser Methode wird nicht durch die Beugung der Elektronen begrenzt, sondern hängt vom Strahldurchmesser und vor allem vom Proximity-Effekt ab [41]. Mit neuesten Apparaturen und speziellen Fotolacken können kleinste Strukturen von etwa 3nm erzeugt werden [29]. Beide Verfahren werden häufig zur Herstellung und Korrektur von Masken durchgeführt, die bei parallelen Strukturierungsmethoden verwendete werden.
Elektronenstrahl- und Ionenstrahlprojektionsverfahren, optische Lithographie und Röntgenlithographie sind parallele Strukturierungsmethoden, die alle auf dem gleichen Prinzip beruhen. Die Elektronen-, Ionen-, Licht- oder Röntgenstrahlen werden durch eine entsprechende Maske auf die Probenoberfläche projeziert, die mit einem entsprechenden Fotolack überzogen ist. Daher werden diese Techniken auch Maskentechniken genannt. Nach der Entwicklung des Lacks wird der Strukturübertrag auf die Oberfläche z.B. durch einen Ätzenprozeß erzeugt [41]. Die Auflösung der einzelnen Verfahren hängt nicht nur von der Art der Strahlung ab, sondern auch von der Wellenlänge und Energie der Strahlung. Ebenso haben der Abstand zwischen Maske und Probe, das Größenverhältnis von Maskenstruktur zu Probenstruktur und vielen weitere Faktoren Einfluß auf die kleinste erreichbare Strukturgröße dieser Verfahren. Die kleinsten möglichen Strukturen sind für Röntgenlithographie, Elektronenstrahl- und Ionenstrahlprojektionsverfahren etwa 10nm groß, während die optische Lithographie minimal 120nm erreicht [41,59].
Beim Nanoimprint-Lithographieverfahren wird zur Strukturierung ein
Stempel anstelle von Strahlung benutzt. Der Stempel drückt seine
Oberflächenstruktur in den heissen und dadurch weichen Fotolack. Nach der
Abkühlung des Fotolacks wird der Stempel von der Probenoberfläche getrennt und
die Struktur im Fotolack wird wieder durch einen Ätzprozeß auf die Oberfläche
übertragen. Die beste Auflösung dieses Verfahrens liegt bei etwa 10nm.
Der Bereich der selbstorganisierenden Verfahren soll hier als letztes vorgestellt werden. Es existiert eine ganze Reihe von selbstorganisierenden Verfahren, bei denen die Strukturierung durch geeignete Umgebungsbedingungen sozusagen von selbst erfolgt. So können z.B. wenige Nanometer große Si Strukturen erzeugt werden, indem auf eine geeignete Keimbildung und eine genaue Einstellung des Druckes beim Si CVD geachtet wird [43]. Wichtig sind bei diesen Verfahren oft die Herstellung eines thermodynamischen Gleichgewichtszustands oder die Ausbildung stabiler Keime. Die maximale Auflösung selbstorganisierender Verfahren ist von dem jeweiligen Verfahren abhängig und reicht bis zu wenigen Nanometern.
In dieser Arbeit wird die S-layer Maskentechnik verwendet, bei der die
Nanostruktur eines S-layer Proteins auf eine dünne Metallschicht übertragen
wird. Bei diesem Verfahren werden zuerst S-layer Proteine auf einem Si-Wafer
deponiert. Anschließend wird eine dünne Metallschicht auf den S-layer
aufgebracht. Durch den Beschuß mit Argonionen wird die dünne Metallschicht im
letzten Verfahrensschritt restrukturiert und nimmt die Struktur des
darunterliegenden S-layers an.
Im Gegensatz zu anderen Maskentechniken befindet sich der S-layer nicht über,
sondern direkt unter der dünnen Schicht. Anderenfalls würde der S-layer durch
die hochenergetischen Argonionen sofort zerstört werden.
Bevor die S-layer Maskentechnik in Kapitel 2.1 ausführlich beschrieben wird, gibt der folgende Abschnitt einen Überblick über die mikroskopischen Prozesse in der Metallschicht beim Ionenätzen.