In der heutigen schnelllebigen Technologielandschaft wurde das Sprichwort „Je größer, desto besser“ auf den Kopf gestellt und ein Wettlauf darum, alles kleiner zu machen, hat begonnen. Von optischen Miniaturkomponenten bis hin zu medizinischen Geräten im Mikromaßstab hat das Streben nach der Schaffung immer kleinerer und dennoch komplexerer Strukturen zu bemerkenswerten Fortschritten in einer Vielzahl von Bereichen geführt.
Eine wichtige Fertigungstechnik, die diese Fortschritte ermöglicht, ist der 3D-Druck mit Zwei-Photonen-Polymerisation (TPP). Doch gerade im Bereich der Mikrooptik können bereits Fehler im Nanometerbereich erhebliche Folgen haben. Daher ist es wichtig, möglichst viele systematische Fehler im Druckprozess zu verstehen und zu kompensieren.
Kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse in der Zeitschrift für optische Mikrosysteme befasst sich mit der entscheidenden Herausforderung der Korrektur von Neigungs- und Krümmungsfehlern beim TPP-Druck.
Diese Fehler sind auf inhärente Unvollkommenheiten in der Optomechanik jedes Druckers zurückzuführen. Herkömmlicherweise umfasst die etablierte Methode zur Fehlerkorrektur den Einsatz kostspieliger Oberflächenmessinstrumente wie konfokaler Mikroskope oder Rasterelektronenmikroskope. Obwohl diese Techniken effektiv sind, können sie für viele Labore unerschwinglich teuer sein.
Um eine leichter zugängliche Lösung anzubieten, stellten Forscher der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg in Deutschland einen vereinfachten optischen Aufbau zur Messung von Neigungs- und Krümmungsfehlern vor und testeten ihn. Die Kernidee bestand darin, eine optische Struktur zu drucken, ohne die Fehler zu kompensieren, und anschließend zu beobachten, welche Auswirkungen solche Unvollkommenheiten auf das erzeugte Bild haben, wenn die Struktur mit einem Laser beleuchtet wird.
Anschließend wurde ein Computeralgorithmus verwendet, um die Fehler zu rekonstruieren und eine Kompensation bei späteren Drucken zu ermöglichen. Eine ähnliche Methode wird bereits zur Überprüfung der Abmessungen kleiner Strukturen in der Halbleiterfertigung eingesetzt.
„Um die Funktionalität unserer Methode zu überprüfen, haben wir sie mit Strukturen getestet, die bewusst so konstruiert wurden, dass sie definierte Fehler aufweisen. Wir haben auch einen Kompensationsprozess an einem unserer Drucksätze durchgeführt und das Bild der mit Kompensation gedruckten optischen Elemente mit dem des unkompensierten Systems verglichen.“ “ sagte Elias Ellingen, einer der Forscher.
Der Test zeigte, dass eine Rekonstruktion von Neigungs- und Krümmungsfehlern möglich ist. Die damit verbundenen Unsicherheiten sind geringer als die erwarteten Fehler für den Drucksatz der Forscher, mit einer Genauigkeit von 1,1 mRad für Neigungsfehler. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Dies entspricht der Winkeländerung, die ein 10 cm langer Stock erfahren würde, wenn er an einem Ende um den Durchmesser eines einzelnen menschlichen Haares angehoben würde.
Als die Forscher die Bilder des unkompensierten Drucks mit denen des kompensierten Drucks verglichen, stellten sie eine deutliche Reduzierung des Rauschens fest, was die erhebliche Verbesserung, die ihr Ansatz bei der Qualität gedruckter Mikrostrukturen mit sich bringt, weiter unterstreicht.
Diese Forschung hat eine kostengünstige und genaue Methode zur Korrektur von Neigungs- und Krümmungsfehlern beim TPP-Druck eingeführt. Die durch geringe Unsicherheiten gestützte Methode bietet eine praktische Lösung für Labore und Einrichtungen, die herkömmliche Fehlerkorrekturmethoden möglicherweise zu teuer finden.
Durch die Optimierung des TPP-Druckprozesses erweitert diese Methodik den Zugang zu einem vielfältigen Spektrum von Forschern und ermöglicht so Fortschritte in kritischen Bereichen wie Mikrooptik, Medizintechnik und mikromechanischen Elementen.
Mehr Informationen:
Elias Ellingen et al., Fourier-Scatterometrie zur Kompensation von Neigungs- und Krümmungsabweichungen von dreidimensionalen Zwei-Photonen-Polymerisationsdruckern, Zeitschrift für optische Mikrosysteme (2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.4.043501