Integrierte optische Signalverteilungs-, Verarbeitungs- und Erfassungsnetzwerke erfordern die Miniaturisierung grundlegender optischer Elemente wie Wellenleiter, Splitter, Gitter und optische Schalter. Um dies zu erreichen, sind Fertigungsansätze erforderlich, die eine hochauflösende Fertigung ermöglichen.
Gekrümmte Elemente wie Biegungen und Ringresonatoren sind besonders anspruchsvoll in der Herstellung, da sie eine noch höhere Auflösung und eine geringere Seitenwandrauheit erfordern. Darüber hinaus sind Herstellungstechniken mit präziser Kontrolle der absoluten Strukturabmessungen unerlässlich.
Für die hochauflösende Fertigung im Subwellenlängenbereich wurden mehrere Technologien entwickelt, beispielsweise direktes Laserschreiben, Multiphotonen-Lithographie, Elektronenstrahl-Lithographie, Ionenstrahl-Lithographie und Domino-Lithographie. Allerdings sind diese Technologien kostspielig, komplex und zeitaufwändig. Die Nanoimprint-Lithographie ist eine aufstrebende Replikationstechnik, die sich gut für eine hochauflösende und effiziente Fertigung eignet. Dafür sind jedoch hochwertige Masterstempel erforderlich, die meist mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt werden.
In einem neuen Licht: Fortschrittliche Fertigung Papier, Wissenschaftler Dr.-Ing. Lei Zheng et al. von der Leibniz Universität Hannover haben eine kostengünstige und benutzerfreundliche Fertigungstechnik namens UV-LED-basierte Mikroskopprojektionsphotolithographie (MPP) für die schnelle, hochauflösende Herstellung optischer Elemente innerhalb von Sekunden entwickelt. Dieser Ansatz überträgt Strukturmuster auf einer Fotomaske unter UV-Beleuchtung auf ein mit Fotolack beschichtetes Substrat.
Das MPP-System basiert auf standardmäßigen optischen und optomechanischen Elementen. Als Lichtquelle kommt anstelle einer Quecksilberlampe oder eines Lasers eine äußerst kostengünstige UV-LED mit einer Wellenlänge von 365 nm zum Einsatz.
Die Forscher entwickelten einen Vorprozess, um die für MPP erforderliche strukturierte Chrommaske zu erhalten. Es umfasst den Strukturentwurf, den Druck auf eine transparente Folie und die Musterübertragung auf die Chrom-Fotomaske. Sie richteten auch einen Lithographieaufbau zur Herstellung von Fotomasken ein. Auf die transparente Folie gedruckte Strukturmuster können mit diesem Aufbau und einem anschließenden Nassätzprozess auf eine Chrom-Fotomaske übertragen werden.
Das MPP-System kann hochauflösende optische Elemente mit Strukturgrößen bis zu 85 nm herstellen. Dies ist vergleichbar mit der Auflösung viel teurerer und komplexerer Herstellungsmethoden wie der Multiphotonen- und Elektronenstrahllithographie. MPP könnte zur Herstellung mikrofluidischer Geräte, Biosensoren und anderer optischer Geräte verwendet werden.
Dieser von den Forschern entwickelte Herstellungsansatz stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Lithographie zur schnellen und hochauflösenden Strukturierung optischer Elemente dar. Es eignet sich besonders gut für Anwendungen, bei denen schnelles Prototyping und kostengünstige Fertigung wichtig sind. Beispielsweise könnten damit neue optische Geräte für die biomedizinische Forschung oder Prototypen neuer MEMS-Geräte für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik entwickelt werden.
Mehr Informationen:
Lei Zheng et al., Strukturgröße unter 100 nm, realisiert durch UV-LED-basierte Mikroskopprojektionsphotolithographie, Licht: Fortschrittliche Fertigung (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.033