3D-Strukturierung durch Laserlithographie
Werbung
Lasertechnik 3D-Strukturierung durch Laserlithographie Martin Hermatschweiler, Georg von Freymann, Michael Thiel, Nanoscribe GmbH, Eggenstein-Leopoldshafen Steffen Arnold, Physik Instrumente GmbH, Karlsruhe Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee Die 3D-Laserlithographie nutzt Mehrphotonenhrphotone enAbsorption zur lokalen hochaufgelösten Belichtung lösten Belich Belicht h ung g von photosensitivem Material. Die Bereiche e belichteten beli B Be reic iche h he weisen eine andere chemische Löslichkeit slichkeit auf als iihre Umgebung, so dass sich komplexe xe dreidimensionale le Strukturen im Sub-Mikrometerbereich ereich erzeugen lassen. n. Die Laserlithographie gilt für viele Bereiche heute als Schlüsseltechnologie. Typische Beispiele liefern die Mikro- u. Nanoelektronik oder -fluidik ebenso wie die Photonik oder Biotechnologie. Die bisher üblichen Verfahren, mit deren Hilfe sich zweidimensionale oder, wenn man die Schichtdicke berücksichtigt, auch zweieinhalbdimensionale Strukturen in photosensitive Materialien einbringen lassen, setzen mittlerweile sowohl in der Forschung als auch im industriellen Bereich Grenzen. Mit einem neuen Verfahren lassen sich sehr komplexe dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen in photosensitiven Materialien herstellen. Mehrphotonen-Laserstift Mit der 3D-Lithographie der 2007 gegründeten Nanoscribe GmbH können nahezu beliebige dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen erstellt werden. Das Verfahren nutzt ultrakurze Laserimpulse, deren Ein-Photonen-Energie unterhalb der Bild 1: Die EinPhotonen-Energie des fs-Faserlasers erzeugt keine Reaktionen im Material; erst in der starken Fokussierung werden Multiphotonenprozesse mit ausreichender Energie wahrscheinlich, die die chemische Löslichkeit gegenüber dem nichtbelichteten Umgebungsmaterial ändern (Bild teilweise aus [1]) 54 Photonik 6/2008 Absorptionsschwelle des zu belichtenden photosensitiven Mediums liegt. Daher ist das Material transparent für das Laserlicht. Wird jedoch dieser Laserstrahl stark fokussiert, so werden im fokalen Volumen Mehrphotonen-Absorptionsprozesse wahrscheinlich (Bild 1). Das Material wird an dieser Stelle chemisch und/oder physikalisch modifiziert und dadurch gegenüber dem umgebenden Material selektiv chemisch löslich. Da die photoempfindlichen Materialien erst ab einer gewissen Minimalbelichtungsdosis reagieren, erlaubt die von Nanoscribe verwendete Technologie Strukturgrößen deutlich unter der Beugungsbegrenzung der verwendeten Optiken. Entscheidend ist hierbei, eine möglichst stabile Laserquelle zu verwenden, da Variationen in der Laserleistung zu unerwünschten Variationen in den Strukturgrößen führen könnten. Die Verwendung von Faserlasern Bild 2: Laserlithographiesystem zur Herstellung dreidimensionaler Mikround Nanostrukturen Lasertechnik sichert genau diese geforderte hohe Stabilität und einen gegenüber anderen Lasersystemen erheblich reduzierten Wartungsaufwand. Je nach Materialsystem können schließlich entweder unbelichtete oder belichtete Bereiche herausgelöst werden. Entsprechend können Bild 3: Prinzipdarstellungen eines gestapelten seridie Materialien passend zu ellkinematischen xy-Piezostelltisches (links) und den herzustellenden Struktu- eines monolithischen xy-Parallelkinematik-Piezotiren gewählt werden. Sollen sches mit Rotation um z: hier wirken alle Aktoren z.B. Kanäle in einem Volu- unmittelbar auf die zentrale Plattform, kapazitive menmaterial erzeugt werden, Sensoren erfassen jede Abweichung von der vorgewird die Wahl auf ein Material gebenen Bahn in Echtzeit fallen, in dem die belichteten Bereiche herausgelöst werden können. trale Plattform (Bild 3). Dadurch lässt sich Kompliziertere Geometrien wie z.B. Struktuein identisches dynamisches Verhalten für ren für die Photonik erfordern dagegen ein alle Achsen erzielen. Bei der 3D-LithoHerauslösen der unbelichteten Bereiche. In graphie ist das besonders vorteilhaft, da beiden Fällen werden Linienbreiten von mehdie Proben beliebige Strukturen besitzen reren Mikrometern bis herunter zu 150 nm können. Außerdem erfasst die Sensorik erreicht, mit 5 nm Reproduzierbarkeit. Das alle geregelten Freiheitsgrade gleichzeitig. Bearbeitungsvolumen hängt von der Optik Durch diese Parallelmetrologie lassen sich und der Scanner-Konfiguration ab. Standard Achsübersprechen und Führungsfehler sind 300 x 300 x 80 μm3. Durch Aneinanderaktiv verhindern. Bahngenauigkeit und Reproduzierbarkeit profitieren davon. fügen mehrerer Bearbeitungsvolumina könDie Steuerung wird jedoch sehr anspruchsnen Flächen bis zu 10 x 13 cm² strukturiert voll, da es nicht genügt, bestimmte Positiwerden. Dabei werden Schreibgeschwindigonen exakt anzufahren. Verlangt wird eine keiten bis zu 2 mm/s erreicht. Die Laserlithohochgenaue Bahnsteuerung und natürlich graphen sind als kompakte und gekapselte muss auch die Intensität des Faserlasers Systeme aufgebaut, die auch in einer Reinentsprechend der Beschleunigung oder raumumgebung mit vielen Arbeitsplätzen Verzögerung des Positionierantriebs variiert eingesetzt werden können (Bild 2). werden. Für diese Berechnungen werden ausgefeilte Algorithmen herangezogen, so Präzise Positionierung der Objekte dass die Bedienung der Software denkim Laserstrahl bar einfach bleibt. Strukturdaten können z.B. direkt aus üblichen CAD–Programmen Während des Schreibvorgangs bleiben exportiert und in die Software eingelesen Laser und Fokus fix, das Objekt wird werden. dreidimensional bewegt. Eine Schlüsselkomponente des Systems ist daher die Positioniertechnik. Das Piezo-NanopositiGerüste für Zellen oniersystem der Firma Physik Instrumente (PI) ist als parallelkinematisches MehrachsTypische Einsatzbereiche für die Technik system aufgebaut: Die Piezoaktoren sind finden sich z.B. bei der Herstellung dreiin ein Führungssystem mit Festkörpergedimensionaler Gerüste für die Zellbiologie lenken integriert und wirken auf eine zen(Bild 4). In der Stammzellenforschung Bild 4: 3D-lithographisch hergestelltes Gerüst für die Zellbiologie; Entwurf und Realisierung einer Struktur, und rechts eine andere Struktur, mit Zellen bewachsen (Bild: Franziska Klein) Lasertechnik beispielsweise gilt es als anerkannt, dass neben einer geeigneten chemischen Umgebung auch die räumliche Umgebung die Differenzierung der Zellen maßgeblich beeinflusst. So ist es wünschenswert, die Steifigkeit der Zellumgebung lokal einstellen zu können. Durch geschicktes Strukturdesign und die passende Wahl der Materialien lassen sich diese Parameter in relativ weiten Bereichen einstellen. Der Vorteil gegenüber anderen Verfahren zur Herstellung von Zellgerüsten ist die Reproduzierbarkeit der Strukturen. Auf diese Weise werden Experimente aussagekräftiger und vor allem gezielt steuerbar. Mikrooptische Bauelemente Auch bei der Fertigung mikrooptischer Bauelemente oder photonischer Kristalle erschließen sich dem neuen Laserlithographieverfahren viele Einsatzbereiche. Als Beispiel ist hier das Schema eines Weitere Beispiele für photonische Strukturen zeigen die Bilder 6 und 7. Zusammenfassung Mit den Laserlithographen erreicht die etablierte Technologie der optischen Lithographie die dritte Dimension. Hochkomplexe dreidimensionale Strukturen, die bisher – wenn überhaupt – nur unter sehr großem Aufwand realisiert werden konnten, stehen nun zur Verfügung. Durch eine Kombination von einfacher Bedienung und hochpräziser Positionierung stehen dem Anwender bisher ungeahnte Möglichkeiten offen. Anwendung findet dieses Verfahren überall dort, wo dreidimensionale Nano- und Mikrostrukturen in hoher Qualität gefordert sind, z.B. in der Nanophotonik und auf dem Gebiet der Mikrooptik, aber auch in Rahmen der Zellbiologie und des TissueEngineerings. Danksagung Bild 5: Dünnschichtpolarisator aus nanoskaligen Viertelwellenplatten und chiralen Filterelementen hochkomplexen Dünnschichtpolarisators gezeigt (Bild 5), der durch die Kombination von nanoskaligen Viertelwellenplatten und chiralen Filterelementen realisiert wurde [2]. Die Herausforderung liegt hier insbesonderen in der Umsetzung des chiralen Filterelements, das aus tausenden nanoskaliger Spiralen besteht. Jede einzelne Spirale muss in ihrer Ganghöhe der Wellenlänge des einfallenden Lichtes entsprechen, wobei enge Toleranzen einzuhalten sind, um die Funktionsweise des optischen Elements nicht zu gefährden. Ohne die dreidimensionale Laserlithographie wäre dieses Design nicht monolithisch umsetzbar gewesen. 56 Photonik 6/2008 Die Nanoscribe GmbH dankt ihren Kooperationspartnern für die Zusammenarbeit und Bereitstellung von Bildmaterial: der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Wegener, Institut für Angewandte Physik, Universität Karlsruhe (TH), für die photonischen Strukturen sowie der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Bastmeyer, Universität Bild 6: Dreidimensionaler photonischer Kristall (“Square-Spiral-Struktur“) aus dem Photolack SU-8; diese Struktur bildet in Silizium repliziert eine vollständige photonische Bandlücke aus Bild 7: Kettenartige 3D-Spiralstruktur in Photolack Karlsruhe (TH), Zoologisches Institut I, für die zellbiologischen Strukturen. Literaturhinweise: [1] S.H.E. Wong, Arsenic Trisulfide Inorganic Photoresist for Three-Dimensional Photolithography, Dissertation, Universität Karlsruhe, 2008 [2] M. Thiel, M. Hermatschweiler, M. Wegener, G. von Freymann, Thin-film polarizer based on a 1D-3D1D photonic crystal heterostructure, Appl. Phys. Lett. 91, 123515 (2007) Kontakt: Martin Hermatschweiler Nanoscribe GmbH Hermann-vonHelmholtz-Platz 1 D-76344 EggensteinLeopoldshafen Tel. 07247/82-8841 Fax 07247/82-8848 [email protected] www.nanoscribe.de Steffen Arnold Leiter Markt und Produkte Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG Auf der Römerstr. 1 D-76228 Karlsruhe Tel. 0721/4846-0, Fax 0721/4846-100 [email protected] www.pi.ws www.photonik.de Webcode 6007
