in positiven Fotolacken mit ultrakurzen Laserpulsen

Herstellung von Mikrostrukturen
in positiven Fotolacken
mit ultrakurzen Laserpulsen
Andreas Aumann

Herstellung von Mikrostrukturen
in positiven Fotolacken
mit ultrakurzen Laserpulsen
Dissertation
zur
Erlangung des Grades
Doktor-Ingenieur
der
Fakultät für Maschinenbau
der Ruhr-Universität Bochum
von
Andreas Aumann
aus Datteln
Bochum 2015

Referent:
Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Ostendorf
Koreferent: Prof. Dr.-Ing. Alfred Ludwig
Datum der Einreichung: 26. Mai 2015
Tag der mündlichen Prüfung: 25. August 2015

”Wenn alle Experten sich einig sind, ist Vorsicht geboten.”
Bertrand Russell

Danksagungen
Die Verleihung meines Doktorgrades habe ich mit viel Freude und großem Stolz erlebt.
Dennoch habe ich all die Menschen nicht vergessen, die mich auf dem Weg dorthin begleitet
und unterstützt haben.
Zuerst danke ich meine Doktorvater Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Ostendorf, der mir
die Möglichkeit gab, diese Arbeit erstellen zu können und die Begutachtung der Arbeit
übernahm. Weiterhin möchte ich mich auch bei Prof. Dr.-Ing. Alfred Ludwig für die
Zweitbegutachtung bedanken. Seine Anregungen und kritischen Kommentare haben zum
Gelingen dieser Arbeit beigetragen.
In gleichem Maße bedanke ich mich bei Jun. Prof. Dr. rer. nat. Evgeny L. Gurevich für
die viele Zeit, die er für mich opferte und die zahlreichen Diskussionen und Anregungen.
Ohne seinen wertvollen Rat wäre diese Arbeit nicht entstanden.
Als Ansprechpartner für alle Fragestellungen die Programmierung betreffend war Dr.-Ing.
Dipl. Phys. Thomas Weigel immer für mich da, weswegen ich mich bei ihm ebenfalls
bedanken will. Ein Dank gebührt auch allen anderen Mitarbeitern des Lehrstuhls für
Laseranwendungstechnik für die zahlreichen zielführenden Diskussionen und das Ertragen
meiner ab und zu gestressten Laune. Besonders Dipl.-Ing. Ralf Nett war immer ein
zuverlässiger Ansprechpartner und Unterstützer, vor allem hinsichtlich der Laborarbeit.
Ein besonderer Dank gilt Dr. Christine Schuster und dem Team der micro resist technology
GmbH für die vielen Gespräche und Diskussionen sowie die Unterstützung in Bezug auf die
Verwendung der positiven Fotolacke.
Einen großen Dank auch an meine Freundin Katrin Sinha für das Lesen der Arbeit und
die langen Nächte im Kampf gegen den Rechner und die Textverarbeitungsprogramme.
Ohne Dich wäre das ganze hier nichts geworden.
Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern und meinem Sohn, die immer ein Rückhalt waren
und mich vorbehaltlos unterstützt haben, sowie meinen Freunden für die Aufmunterungen
und die entgegengebrachte Nachsicht.
Abschließend liegt es mir noch am Herzen Holger Deimann und den Mitgliedern der Luta
Livre Akademie in Dortmund für die großartige Hilfe beim Stressabbau zu danken.

Zusammenfassung
Die Verwendung von Maskenbelichtungsverfahren in der Mikrosystemtechnik ermöglicht
die Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich mit Aspektverhältnissen von >150
und Oberflächenrauheiten bis unter 20 nm. Die Apparaturen zur Nutzung der eingesetzten
Röntgen- und Synchrotronstrahlung hingegen haben sehr große Abmessungen und sind
kostenintensiv. Zur Reduktion des Platzbedarfs und der Kosten ist die Verwendung der Zwei-
Photonen-Absorption (2PA) in positiven Fotolacken durch die Nutzung eines Ultrakurzpuls-
Lasers eine mögliche Alternative, die in der vorliegenden Arbeit untersucht wird.
Die 2PA als Grundlage der Herstellung komplexer LIGA-Strukturen setzt ein sehr gutes
Verständnis für das Verhalten des verwendeten Fotolacks bei diesem Vorgang voraus. In
umfangreichen Versuchen mit handelsüblichen positiven Fotolacken werden einfache und
mehrfache 2D-Belichtungsprozesse untersucht und mit einem vorhandenen theoretischen Modell
verglichen. Die Ergebnisse werden als Grundlage für einfache 3D-Strukturen verwendet
und der Parameterraum für die Herstellung dieser Strukturen bestimmt. In abschließenden
Versuchen werden komplexe geometrische Formen hergestellt und mittels eines Elastomers
abgeformt.
Die qualitative Auswertung der gemessenen Werte der 2D-Belichtungsprozesse bestätigt
ein aus der Literatur bekanntes theoretisches Modell. Eine Abhängigkeit der Linienbreiten
von der Art der Belichtung wird nachgewiesen. Folgend werden die im Zweidimensionalen
ermittelten Ergebnisse auf 3D-Strukturen übertragen. Die Herstellung einfacher Gitterstrukturen
ist bereits bei einer mittleren Laserleistung von unter 8 mW möglich. Beim
Belichtungsprozess ist ein unterschiedliches Verhalten des Fotolacks an der Oberfläche
verglichen mit dem des Volumens zu erkennen.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsergebnisse zeigen, dass die 2PA in Kombination
mit positivem Fotolack als innovative Neuanwendung auf das LIGA-Verfahren zu
übertragen ist. Bisher mit diesem Verfahren nicht herzustellende geometrische Strukturen
können mit niedrigen mittleren Leistungen von 5 mW und Schreibgeschwindigkeiten von
0,1 mm/s angefertigt werden. Dazu zählen sowohl in mehrere Richtungen stark abgeschrägte
als auch gedrehte Strukturen als Basis für z.B. schräge Verzahnungen.

Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
v
Tabellenverzeichnis 1
1. Einleitung 2
2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke 5
2.1. Grundlagen der Zwei-Photonen Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Entwicklung der Zwei-Photonen Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3. Positive Fotolacke in der Nanolithographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4. Zwei-Photonen Absorption bei positiven Fotolacken . . . . . . . . . . . . . 16
3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie 18
3.1. Überlappungsgrad der Spots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2. Auflösung der Zwei-Photonen Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4. Positive Fotolacke 27
4.1. Chemische Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.1. Verhalten bei UV-Einstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.1.2. Vernetzung des DNQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2. Verarbeitung positiver Fotolacke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen 36
5.1. LIGA und seine Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2. Verarbeitung des Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
ii

6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen 43
6.1. Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2. Der Laseroszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.1. Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2.2. Ti:Saphir Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3. Pulsverlängerung am Mikroskopobjektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4. Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.4.1. Messung der Pulsdauer mittels Autokorrelator . . . . . . . . . . . . 54
6.4.2. Messung der Pulsdauer mittels Spektrometer . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.3. Pulsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.5.1. Datenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.5.2. Datenbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7. Von der Linie zur 3D-Struktur 67
7.1. Ermittlung der Linienbreiten bei zweidimensionalen Strukturen . . . . . . 67
7.2. Abhängigkeit der Linienbreite von Leistung und Schreibgeschwindigkeit bei
3D-Gitterstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.3. Einfluss der Abbildungsfehler durch das Mikroskopobjektiv . . . . . . . . . 86
7.4. Dreidimensionale Strukturen als Voraussetzung für das LIGA Verfahren . . 89
8. Zusammenfassung und Ausblick 101
Literaturverzeichnis 105
A. Datenblätter 121
A.1. Datenblatt Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.2. Datenblatt Leistungsmessgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.3. Datenblatt Autokorrelator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B. LIGA-Strukturen 125
B.1. Kegel mit großem Aspektverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
B.2. Pyramide mit großem Aspektverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

B.3. Kegel mit geringem Aspektverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
B.4. Pyramide mit geringem Aspektverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
B.5. Verdrehter Pyramidenstumpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Abbildungsverzeichnis
2.1. Prinzipdarstellung der 1PP und 2PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1. Überlappung einzelner Spots während des Schreibvorgangs . . . . . . . . . 19
3.2. Minimaler Abstand zwischen zwei Airy-Scheibchen . . . . . . . . . . . . . 21
3.3. Intensitätsabhängigkeit der Voxelgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4. Mikroexplosionen durch hohe Intensität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1. Hauptkomponenten eines positiven Fotolacks . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2. Absorptionswellenlängen von Naphtalin und DNQ . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3. Reaktionsablauf der DNQ bei UV-Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.1. Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2. Transmissionskurve des Objektivs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3. Überlagerung von 200 Moden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4. Fluoreszenzemmissionsspektren von Kristallen . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.5. Schematischer Aufbau einer Kerrlinse für die Modenkopplung . . . . . . . 50
6.6. Vereinfachte Darstellung des Ti:Saphir Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.7. Prinzipieller Aufbau des Autokorrelators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.8. Spektrum des Ti:Saphir Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.9. Einfachst mögliche Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.10. Benutzeroberfläche mit Kegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.11. Fehler durch den Einfluss der Schichtdicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.12. Benutzeroberfläche mit Kegel und Slicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.1. Anordnung der Strukturen auf einer Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
v

7.2. Gitterstruktur zur Messung der Linienbreiten . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3. Linienbreiten bei Einfachbelichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.4. Linienbreiten bei Mehrfachbelichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.5. Vergleich der Linienbreiten bei 14 mW und 12,8 mW . . . . . . . . . . . . 73
7.6. Vergleich der Linienbreiten bei 11,5 mW und 10,2 mW . . . . . . . . . . . 74
7.7. Vergleich der Linienbreiten bei 9 mW und 7,7 mW . . . . . . . . . . . . . . 75
7.8. Vergleich der Linienbreiten bei 6,4 mW und 5,1 mW . . . . . . . . . . . . . 76
7.9. Schema von HPET und LPET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.10. Vom Modell zur Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.11. Variation der mittleren Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.12. Variation der Schreibgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.13. Vergleich der Linienbreite bei 2D- und 3D-Strukturierung . . . . . . . . . . 84
7.14. T-Top . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.15. Geringe Haftung der Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.16. Einfluss von Koma auf die Stukturqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.17. Pyramide mit großer Steigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.18. Array aus Pyramidenstümpfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.19. Kegelstumpf und Negativ des Kegelstumpfs . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.20. Raue Pyramidenstruktur und Negativ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.21. Elastomerkegel mit geringer Steigung, Rissen und Negativform im positiven
Fotolack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.22. Pyramiden- und Kegelstumpf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.23. Negativ der gewundenen Pyramidenstümpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.24. Elastomerabdrücke gewundener Pyramidenstümpfe . . . . . . . . . . . . . 100

Tabellenverzeichnis
4.1. Verarbeitungsschritte für positive Fotolacke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2. Parameter für das Spin Coating positiver Lacke . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.1. Verarbeitungsschritte des Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.1. Verhältnisse zwischen Intensitätsautokorrelation zur realen Pulsdauer . . . 56
7.1. Linienbreiten bei Variation der mittleren Leistung . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2. Linienbreiten bei Variation der Schreibgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . 83
1

Kapitel 1.
Einleitung
Die Anwendungsgebiete der Mikrosystemtechnik sind vielfältig. So werden zum Beispiel
Zahnräder oder Wellenleiter mit einer hohen Genauigkeit und einem Rauheitswert von bis
zu 10 nm [SSH + 06, MS04] für MEMS 1 und MOEMS 2 in dem handelsüblichen Fotolack
SU-8 hergestellt. Gegenwärtig können diese Strukturen nur mit dem LIGA 3 -Verfahren unter
Nutzung von Röntgen- und Synchrotronstrahlung hergestellt werden.
Der apparative Aufwand für dieses Verfahren ist jedoch (sehr) kostenintensiv, benötigt
mehrere Quadratmeter Grundfläche und beansprucht in vielen Fällen mehr als zwei Meter
Raumhöhe. Die Verwendung von UKP 4 -Laserstrahlquellen reduziert nicht nur die Abmessungen
der Produktionsgeräte, sondern bietet weiterhin den Vorteil der Möglichkeit
der Herstellung neuartiger Formen, z.B. schräger Strukturen, wie sie in schrägverzahnten
Zahnrädern zu finden sind.
Das in dieser Arbeit verwendete Verfahren, die Zwei-Photonen Absorption (2PA), findet
bisher seinen Anwendungsschwerpunkt bei negativen Fotolacken. Erfolgt in diesem Fall
die Polymerisation des Lacks, wird von einer Zwei-Photonen Polymerisation (2PP) gesprochen.
Dabei können hochkomplexe dreidimensionale Strukturen im µm- und nm-Bereich
hergestellt werden, deren Herstellung mit keinem anderen Verfahren möglich ist. Obwohl
vermehrt positive Lacke in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen, ist die Verwendung
eines solchen Fotolacks in Kombination mit der 2PA nur wenig erforscht und die
1 Microelectromechanical systems
2 Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems
3 LIGA ist die Abkürzung für Lithographie, Galvanoabformung und Abformung
4 Ultrakurzpuls
2

Kapitel 1. Einleitung
Anwendungsmöglichkeiten sind bisher entsprechend begrenzt.
Erst vor Kurzem konnte gezeigt werden, dass auch positive Lacke in Verbindung mit der
2PA aufgrund zunehmender Aspektverhältnisse und gesteigerter Strukturqualität eine gute
Basis für die Maskenherstellung des LIGA-Prozesses sein können [AKG + 14]. Dabei wurde
ein Aspektverhältnis von fünf erreicht. Die Auflösung im positiven Fotolack wurde von
Cao et al. auf unter 100 nm reduziert [CZD + 13]. Gesteigerte Strukturqualität und geringe
Linienbreite sind die Voraussetzungen für das LIGA-Verfahren. Die bisher erreichten Werte
für Linienbreiten und Oberflächenrauheit in der 2PA entsprechen den benötigten Standards
zur Maskenherstellung für das LIGA-Verfahren.
Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Verhaltens von mittels 2PA
bearbeiteten positiven Fotolacken. Eine Validierung findet im Hinblick auf die Verwendung
als Ergänzung zu oder als Ersatz von bestehenden Maskenbelichtungsverfahren für LIGA
statt. Des Weiteren können die Ergebnisse zur Verbesserung der Verfahren zur Herstellung
von MEMS und MOEMS beitragen. Dazu gehört u. a. die Reduktion von Linienbreiten
bei der Herstellung elektrischer Leiterbahnen. Die Herstellung dieser Leiterbahnen, deren
Auflösung zum jetzigen Zeitpunkt noch sehr stark nach unten beschränkt ist, erfolgt durch
Ätzverfahren. Die Herstellung dreidimensionaler Strukturen im Bereich weniger Mikrometer
stellt einen weiteren Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Forschungsaufgabe dar.
Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, die Größe des Einflusses einer Mehrfachbelichtung
im Fokusbereich des Laserstrahls zu erforschen, wie sie bei der Fertigung zwei- und dreidimensionaler
Strukturen mittels UKP-Laserstrahlquellen Anwendung findet. Dabei stehen
im Speziellen die durch diesen Vorgang entstandene Verbreiterung der Linien sowie die
Qualitätsänderung gerader Wände und schräger Flächen im Vordergrund. Die belichteten
Bereiche außerhalb des Fokus müssen nicht betrachtet werden. Dort ist die Energie des
Laserlichts nicht ausreichend um eine chemische Reaktion im Fotolack hervorzurufen (vgl.
Kap. 2). Die Klärung der genannten Forschungsfragen wird einen Beitrag für eine spätere
industrielle Anwendung dieses Verfahrens leisten. Abschließend werden erste Ergebnisse,
deren Eigenschaften über den aktuellen Stand der Technik hinaus gehen, zur Übertragung
des 2PA-Verfahrens auf den LIGA-Prozess dargestellt.
Der Aufbau dieser Arbeit ist folgendermaßen gegliedert:
3

Kapitel 1. Einleitung
• Kapitel 2 gibt einen Überblick über den Stand der Technik bezüglich der 2PA
und ihrer Verwendung bei der 2PP in negativen Fotolacken. Dabei werden Verwendungsmöglichkeiten
dieses Verfahrens und dessen Auflösung vorgestellt. Des Weiteren
wird die Verwendung positiver Lacke in der Nanolithographie ebenso vorgestellt wie
der aktuelle Stand der Nutzung der 2PA in positiven Lacken.
• Kapitel 3 beschreibt die mathematischen Berechnungsmodelle der in dieser Arbeit verwendeten
Parameter. Es wird einerseits der Grad der Überlappung von Spots berechnet,
andererseits werden mathematische Modelle zur Berechnung des Auflösungsvermögens
der 2PA durch die Verwendung von Femtosenkundenlaserpulsen aufgezeigt.
• Kapitel 4 erläutert die chemischen Grundlagen der positiven Fotolacke und deren
Reaktionsverhalten bei der Belichtung. Dabei spielt die Verarbeitung der Lacke, die
ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist, eine wesentliche Rolle.
• Kapitel 5 stellt das LIGA-Verfahren und seine industrielle Verwendung in einem
kurzen Überblick vor. Dazu wird der aktuelle Stand der Forschung erläutert, um den
Stand der Technik im Bereich LIGA zu vervollständigen. Des Weiteren wird an dieser
Stelle die Verarbeitung des in dieser Arbeit verwendeten Elastomers aufgegriffen.
• Kapitel 6 erläutert das in dieser Arbeit vorrangig verwendete Equipment. Dazu
zählen sowohl der Laseroszillator wie auch der Einfluss des Mikroskopobjektivs auf
die Pulsdauer. Außerdem wird auf die Charakterisierung der Laserpulse eingegangen
wie sie in den Versuchsreihen Anwendung findet. Zusätzlich wird der verwendete
Versuchsaufbau beschrieben sowie auf die Funktionsweise der für die Versuchsreihen
entwickelten Software eingegangen.
• In Kapitel 7 werden die Ergebnisse sämtlicher Versuchsreihen vorgestellt. Begonnen
mit zweidimensionalen Schreibmustern werden die Ergebnisse auf dreidimensionale
Muster übertragen. Abschließend werden komplexe dreidimensionale Formen für das
LIGA-Verfahren hergestellt und deren Qualität im Anschluss bewertet.
4

Kapitel 2.
Zwei-Photonen Absorption als
Werkzeug zur Bearbeitung positiver
Fotolacke
2.1. Grundlagen der Zwei-Photonen Absorption
Maria Goeppert-Mayer erforschte in ihrer Dissertation von 1930 die theoretischen Grundlagen
der 2PA [GM30]. Bei der 2PA handelt es sich um einen Vorgang, bei dem es eine
Interaktion zwischen der Bestrahlung durch elektromagnetische Wellen und der bestrahlten
Materie gibt. Diese findet durch Anregung eines Atoms oder Moleküls von einem niedrigen
Quantenzustand |1〉 in einen angeregten Zustand |2〉 derselben Parität in zwei Schritten
statt, die quasisimultan ausgeführt werden [PAVR03, She84, Rez03]. Im Gegensatz zu
einem Ein-Photonen-Prozess kann dies nicht durch einen Dipolübergang erklärt werden.
Aus Mangel an einer geeigneten Strahlenquelle konnte der experimentelle Beweis erst 30
Jahre später nach der Erfindung des Lasers erbracht werden [Mai60, KG61]. Selbst die enge
Beziehung zur Ramanstreuung, bei der es sich ebenfalls um einen Zwei-Photonen-Prozess
handelt, konnte einen experimentellen Nachweis nicht beschleunigen [Ram28]. Im Gegensatz
zur 2PA wird bei der Ramanstreuung ein Photon absorbiert und gleichzeitig ein anderes
emittiert. Das neue Energieniveau unterscheidet sich dabei von dem des Eingangsenergieniveaus.
Während die Intensität des gestreuten Lichts bei der spontanen Ramanstreuuung
5

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist, verhält es sich bei der 2PA so, dass
die absorbierte Leistung proportional zum Quadrat der Intensität des einfallenden Lichts
ist [MF08].
Die nichtlinearen Eigenschaften eines Materials haben direkten Einfluss auf die Reaktion
des Materials bei einfallendem Licht. Die Ordnung der Nichtlinearität hängt von der
Intensität der elektrischen Feldstärke des einfallendes Lichts ab. Je größer die Intensität
des einfallenden Lichts, desto größer ist die Ordnung der nichtlinearen Effekte. Dazu
zählen beispielsweise die Generierung der zweiten Harmonischen (SHG 1 ) und der dritten
Harmonischen (THG 2 ) sowie Frequenzen höherer Ordnung [Lou83].
Die Funktion, welche die Polarisation der Ladungsverschiebungen innerhalb eines nichtlinearen
Materials bei der Interaktion mit einem einfallenden elektrischen Feld beschreibt,
kann als Reihe entwickelt werden [GM30] und ist in Gleichung 2.1 gezeigt:
P = P 0 + ɛ 0 χ (1) E + ɛ 0 χ (2) E 2 + ɛ 0 χ (3) E 3 + . . . (2.1)
Der Faktor χ beschreibt die Suszeptibilität des Mediums und E den Vektor des dazugehörigen
elektrischen Feldes. Der erste Term χ (1) E(t) stellt die lineare vom einfallenden
elektrischen Feld erzeugte Polarisation dar. Die weiteren Terme treten erst bei größeren
Intensitäten des elektrischen Felds auf. Bei der 2PA handelt es sich um einen Prozess mit
Nichtlinearitäten dritter Ordnung [SBH00].
Die Wahrscheinlichkeit der 2PA hängt vom Quadrat des Photonenstroms F bzw. equivalent
vom Quadrat der Intensität I des einfallenden Lichts sowie vom Wirkungsquerschnitt
δ ab, wie Gleichung 2.2 zeigt [MH77]:
dN TPA
dt
= 1 2 δN MGSF 2 (2.2)
N TPA ist die Anzahl der Moleküle im angeregten Zustand pro betrachtetem Volumen
durch die 2PA und N MGS ist die Anzahl der Moleküle im Grundzustand pro betrachtetem
Volumen. Der Bereich, in dem eine Anregung stattfindet, ist in Kapitel 3.2 aufgeführt. Für
die Herleitung sei an dieser Stelle auf die Literatur verwiesen [SEO + 03, Ser04].
1 Second Harmonic Generation
2 Third Harmonic Generation
6

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Die Art des Übergangs von Zustand |1〉 in |2〉 kann bei der 2PA auf zwei unterschiedliche
Weisen erfolgen [LKP07]. Bei der sequenziellen Anregung wird das absorbierende Element
auf einen realen Zwischenzustand angeregt. In diesem Zustand, der von dem ersten Photon
hervorgerufen wird, wird eine minimale Lebensdauer zwischen 10 −4 und 10 −9 Sekunden
benötigt, die von der Intensität der einfallenden Strahlung abhängt. Eine weitere Anregung
in diesem Zeitraum findet damit früher statt als die spontane Emission. Bei der simultanen
2PA hingegen findet zuerst ein Übergang |1〉 → |v〉 von einem niedrigen Quantenzustand in
einen virtuellen Zustand statt. Die dafür benötigte Energie E 1v ergibt sich aus dem Produkt
des reduzierten Planckschen Wirkungsquantums ¯h und der Kreisfrequenz des einfallenden
Lichts ω. Die benötigte Energie E v2 des zweiten Schritts für den Übergang von |v〉 nach |2〉
berechnet sich analog zu E 1v . Dementsprechend ist die Gesamtenergie E 12 = 2¯hω. An dieser
Stelle beträgt die Lebensdauer im virtuellen Zustand zwischen 10 −15 und 10 −16 Sekunden
[VJV01, JTV09, RP10].
Die 2PA wird vor allem in der Laserspektroskopie verwendet. Die Anregung durch
zwei Photonen in der Zwei-Photonen Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS 3 ) konnte
ähnliche Ergebnisse erzielen wie die Konfokalmikroskopie [BSG95]. Grundlegend für die
Medizin und die Biologie sind die gute Tiefenauflösung und Eindringtiefe des Verfahrens,
um z.B. eine Gewebeanalyse durchzuführen. Das Licht mit geringer Quantenenergie limitiert
mögliche Schäden an den betrachteten Proben [SKHH98, SDMB00]. Bei der FCS werden
Farbstoffmoleküle durch 2PA angeregt und die entstandene Fluoreszenz beobachtet [BH02,
WXLO03]. Der entscheidende Vorteil der 2PA gegenüber einer Anregung durch ein Photon
ist die Möglichkeit der lokalen Anregung an jeder beliebigen Stelle eines dreidimensionalen
Volumens. Hinzu kommt die hohe Auflösung durch 2PA bei der Verwendung von Objektiven
mit hoher numerischer Apertur in einem Bereich von 500 nm in axialer sowie 100 nm in
lateraler Richtung [Rez03].
3 Fluorescence Correlation Spectroscopy
7

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
2.2. Entwicklung der Zwei-Photonen Polymerisation
Die in Kapitel 2.1 angesprochenen Prinzipien sind als 1PP 4 und 2PP 5 auf die Polymerisation
von negativen Fotolacken zu übertragen. Erste Versuche von Cumpston et al.
mit Wellenlängen von 500-975 nm zeigten, dass die 2PA sehr gut geeignet ist komplexe
dreidimensionale Strukturen in Fotolacken herzustellen [CEK + 98]. Das UV-Licht wird bei
der 1PP direkt an der Oberfläche des UV-sensitiven Materials absorbiert (vgl. Abb. 2.1);
hierbei härtet der Fotolack ausschließlich an der Oberfläche aus. Durch UV-Bestrahlung
höherer Intensität kann der Lack, abhängig von der Schichtdicke des Fotolacks sowie der
Konzentration und Art des Fotoinitiators, im Bereich des gesamten Laserstrahls polymerisieren
[LF07]. Bei der 2PP hingegen werden Wellenlängen über 450 nm verwendet, in den
meisten Fällen kommen Ti:Saphir Laser im NIR 6 -Bereich zum Einsatz [PYL09]. Der Fotolack
und die Initiatoren sind weitestgehend transparent für das Licht mit Wellenlängen im
NIR-Spektrum, jedoch hochabsorbierend für den Bereich der halben Wellenlängen. Dadurch
ist eine Fokussierung des Laserstrahls in jede beliebige Stelle des Fotolacks möglich [LF07].
Im Gegensatz zur 1PP, die ein zweidimensionaler Prozess ist und mit der durch schichtweises
Schreiben 2,5-dimensional strukturiert werden kann, ist die 2PP ein dreidimensionaler
Prozess.
UV
NIR
UV-sensitiver Fotolack
Abbildung 2.1.: Prinzipdarstellung der 1PP und 2PP Prinzip der 1PP (links): Die
Photonen werden an der Oberfläche des UV-sensitiven Fotolacks absorbiert.
Bei NIR-Belichtung und 2PP (rechts) ist der Stahl beliebig in den Fotolack
fokussierbar, da der Lack für die verwendeten Wellenlängen transparent ist.
Als besonders geeignet für die Herstellung beliebiger Strukturen stellten sich die vom
4 Ein-Photonen Polymerisation
5 Zwei-Photonen Polymerisation
6 Near infrared
8

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Fraunhofer ISC entwickelten Ormocere 7 heraus. Hierbei handelt es sich um anorganischorganische
Hybridpolymere. Die Ormocere finden bereits in vielen weiteren Untersuchungen
Anwendung [HCD + 04, KHLB04, JTV09]. Ausschlaggebend für die kleinen Strukturgrößen
ist dabei der Wirkungsquerschnitt, da der Vorgang der 2PA in diesem Querschnitt stattfindet.
Der effektive Wirkungsquerschnitt beträgt unter Verwendung eines handelsüblichen
Fotoinitiators bei Ormoceren σ 2 = 3 · 10 −55 cm 4 s (vgl. Kap. 3.2). Der Grenzwert der Dichte
der Radikale, die für die Polymerisation notwendig sind, liegt hier bei 0, 25 Gew. − %.
Durch die Verwendung spezieller Photoinitiatoren wird der Wirkungsquerschnitt deutlich
auf σ2 a = 10 −50 bis 10 −4 cm 4 s erhöht, wodurch eine höhere Empfindlichkeit des Fotolacks
als Voraussetzung zur Reduktion der Strukturgröße erreicht werden kann [BNB + 99]. Durch
die Möglichkeit zur Fokussierung des Laserstrahls in jede beliebige Stelle des Fotolacks und
eine höhere Empfindlichkeit, konnten beliebige Strukturen mit Auflösungen im Bereich von
200 nm in Polymeren geschrieben werden [HCD + 04].
Die Anwendung verschiedener Lasertypen erforderte eine Anpassung der Fotoinitiatoren
an die verwendeten Wellenlängenbereiche [KBZ + 03, KHLB04, FFW10, LDC + 11]. Aufgrund
der guten Eigenschaften bezüglich der Haltbarkeit und Steifigkeit des Fotolacks SU-8 8
rückte dieser in Kombination mit der 2PP in den Forschungsfokus [KWT07, LNPN10]. Die
Anpassung an die Laserwellenlänge und die bessere Kontrollierbarkeit des Vorgangs zum
Erreichen kleinerer Strukturen erfolgte unter dem zusätzlichen Einsatz von Fotosensitizern
[KWT07].
Ein Forschungsziel für weitere Anwendungen ist die Verbesserung der Auflösung und das
Erzeugen immer kleinerer Strukturen. Dazu wurde zuerst die Ausdehnungen der Voxel 9 in x-,
y- und z-Richtung betrachtet. Nachfolgend wurden der Einfluss der Schreibgeschwindigkeit
und der Leistung auf das Voxelvolumen untersucht [HCD + 04, LKP07]. Dabei wurde festgestellt,
dass mit steigender Belichtungszeit und höherer Leistung das Gesamtvolumen der
Voxel zunimmt. Genauere Betrachtungen haben gezeigt, dass eine Vergrößerung von Länge
und Durchmesser der Voxel stattfindet. Durch das Verständnis der Herstellungsparameter
konnte die Auflösung der Strukturen deutlich auf unter 100 nm reduziert werden. Durch
7 Organic modified ceramics
8 Microchem Corp.
9 Voxel: dreidimensionales Pixel
9

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
lange Belichtungszeiten entstanden beispielsweise kontrollierte Verbindungen zwischen zwei
Linien mit einer Auflösung im sub-30-nm-Bereich [PLY + 06, MF08, PYL09].
Bei der Herstellung von Nanowire als Verbindung zwischen zwei Strukturblöcken mit SU-8
konnte die Linienbreite durch direktes Schreiben auf 70 nm reduziert werden [KYYL09]. Der
Vergleich mit der Nahfeldlithographie zeigt, dass auch hier die gleiche Auflösung erreicht
werden kann [YFZ + 02]. Die 2PP eröffnete durch die Eigenschaft, kontrolliert kleinste
Strukturen herstellen zu können, neue Möglichkeiten in der Produktion von Mikro- und
Nanostrukturen.
Die hohe Stabilität von SU-8 ermöglichte in ersten Versuchsreihen die Anfertigung
von Linien- und Zylinderstrukturen mit einem Aspektverhältnis von neun bis zehn. Eine
Übertragung der Strukturen in Silizium wurde durch reaktives Ionenätzen erzielt [LCL + 04,
KYYL09, KYBF10]. Das Aspektverhältnis bei der Nutzung von SU-8 ließ sich auf 27:1
bei sehr großflächiger Herstellung von mikroporösen Strukturen mit einem Volumen von
450 µm · 450 µm · 40 µm steigern [LNPN10]. Bei der Erzeugung einfacher gerader Wände
konnte ein Verhältnis von 50:1 erreicht werden [TDD + 05].
Weitere Anwendungsmöglichkeiten für die 2PP in Verbindung mit Fotolacken wurden
erschlossen. Nanowire als Verbindung zwischen zwei Strukturen realisierten die gezielte Leitung
von Lichtwellen auf kleinstem Raum [KYYL09]. Die verbesserten Herstellungsverfahren
ermöglichten die Fertigung von Linsenarrays und Mikro-Fresnellinsen mit Brennweiten von
etwa 60 µm [GXZ + 06]. Solche Mikrolinsen und andere Objekte, wie ringförmige Phasenmasken,
wurden zur Manipulation des Laserlichts direkt auf optischen Fasern hergestellt
[LCC + 10]. Bedingt durch die Kombination aus Mikrolinse und Faser ließ sich das Licht
aus der Faser in einem Abstand von 15 µm fokussieren. Das entspricht näherungsweise der
Brennweite f =
R . Die Brennweite f ist abhängig vom Krümmungsradius R und vom
n−1
Brechungsindex n der aufgebrachten Linse aus Fotolack.
Die Anwendung von dielektrischen zwei- und dreidimensionalen SPP 10 -Strukturen auf
metallischen Oberflächen ermöglichten es, SPPs zu lokalisieren, zu leiten oder zu manipulieren
[RKP + 07]. Die Strukturen wurden aus organisch-inorganischen Hybridpolymeren
mit hohem Brechungsindex gefertigt. Dabei konnten mit den verwendeten Ormoceren
10 Surface Plasmon Polariton, deu. Oberflächenplasmonenpolariton (OPP)
10

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Linienbreiten von unter 100 nm erreicht werden.
Letztendlich führte die Verwendung von Fotolacken, die auf MAPTMS 11 - und MAA 12
basierten und die verschiedene Anteile von ZPO 13 aufwiesen, dazu, dass der Brechungsindex
des Fotolacks im Bereich von 1,495 bis 1,535 angepasst und zu photonischen Kristallen,
die Bandsperren im NIR-Bereich aufwiesen, verarbeitet werden konnte [OGC + 08]. Des
Weiteren konnten in negativem Fotolack, durch 2PP und in-situ-Reduktion von metallischen
Salzen, Strukturen erzeugt werden, die Linien mit einer Breite von etwa 200 nm
aufwiesen und für Gitterstrukturen verwendet wurden [SFVS10]. Die Nanopartikel, die in
den negativen Fotolacken erzeugt wurden, hatten eine Größe von ∼ 10 nm. Nanopartikel
aus Magnetit 14 in Rotorblättern oder am Ende von Federn bewirkten, dass diese Objekte
durch magnetische Felder bewegt werden konnten [XWT + 10]. Die Dotierung der negativen
Fotolacke mit SWNTs 15 wurde genutzt, um die elektrischen Eigenschaften zu verändern
und die hergestellten Linien mit Breiten von ∼ 100 nm leitfähig zu machen [GXA + 12].
Über die Verwendung in der Optik hinaus wurden 2PP-Strukturen in der Mikrotechnik
und für die Realisierung von MEMS eingesetzt. Um Flüssigkeiten zu pumpen entwarfen
Maruo und Inoue [MI06] eine optisch angetriebene Mikropumpe, die mittels zweier Rotoren
das Fluid mit einer Maximalgeschwindigkeit von etwa 0,8 µm/s durch einen mikrofluidischen
Kanal förderte. Variable Querschnitte für Kanäle sind einige Jahre später von Kumi et
al. [KYBF10] durch die Verwendung von SU-8 hergestellt worden. Dabei ist das SU-8 als
Negativ genutzt worden um anschließend die Form des Negativs in Polydimethylsiloxan 16
zu übertragen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet war die Herstellung von Spitzen für die Rastersondenmikroskopie
17 , speziell für das Rasterkraftmikroskop 18 . Die wenige Mikrometer kleinen
Polymerspitzen ermöglichten dabei eine topographische Bildauflösung von unter 5 nm
[KM05].
11 methacryloxypropyltrimethoxysilane
12 Methacrylsäure, engl. methacryl acid
13 zirconium propoxide
14 F e 3 O 4
15 Single-Walled Carbon Nanotubes
16 C 2 H 6 OSi, PDMS
17 engl. scanning probe microscopy, SPM
18 engl. atomic force microscope, AFM
11

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Über diese Anwendungsbereiche hinaus haben durch direktes Laserschreiben mittels 2PP
hergestellte Strukturen Einzug in weitere Gebiete gehalten. So wurden in den letzten Jahren
die Applikationen einer HOT 19 deutlich erweitert. Die Herstellung von Hebel und Feder
in negativem Fotolack ermöglichten genauere Betrachtungen der durch HOT erzeugten
optischen Kräfte [LLL + 11]. Auch der Einfluss der Partikelform auf den Zusammenhang
zwischen optischen Kräften und der Verschiebung der Strukturen konnte untersucht werden.
Daraus resultierte die Herstellung optisch stromlinienförmiger Bauteile [SPCH12]. Des
Weiteren wurde demonstriert, dass mit einer HOT beliebige Teilchen gegriffen und bewegt
werden können. Dies wurde durch die Möglichkeit der Herstellung beliebiger 2PP-Strukturen
erreicht [KHL12, KAGO13]. Allerdings waren die nach der Herstellung im Entwickler
freischwebenden Partikel schwer im HOT-Aufbau zu lokalisieren. Deswegen wurde am
Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik 20 der Ruhr-Universität Bochum ein Verfahren, das
auf der 2PP basiert, zur Sammlung der Partikel in einer Kammer entwickelt [KAG + 13]. Die
hergestellten Strukturen wurden letztendlich als Werkzeuge, mit denen das Abtasten der
Oberflächen von Materialien unter Anwendung einer HOT erfolgte, verwendet. Schließlich
gelang mit diesem Verfahren eine Auflösung im sub-100-nm-Bereich [PGB + 12, PSG + 12,
PWC + 13]. In diesen Forschungsarbeiten wurden sowohl die oben erwähnten Werkzeuge als
auch die abzutastenden Oberflächen durch 2PP angefertigt.
Trotz all dieser Möglichkeiten traten bei der präzisen Herstellung von Strukturen Probleme
auf. Beispielsweise war bei dem Entwicklungsvorgang der Strukturen ein Schrumpfprozess
zu beobachten [LQY + 08, PYL09]. Der Grad der Schrumpfung war dabei abhängig vom
genutzten Fotolack sowie der Pulsleistung und dem Abstand des jeweiligen Strukturanteils
von der Glasplatte, auf der die Struktur geschrieben wurde. Die Anteile, die direkt an der
Oberfläche der Glasplatte hafteten, waren nicht vom Schrumpfen betroffen. Im Gegensatz
dazu waren die Anteile mit einen größeren Abstand in z-Achsen-Richtung vom Schrumpfen
betroffen. Auch die Verwendung neuer Fotolacke mit geringeren Schrumpfungsgraden konnte
das Problem nur reduzieren. Von Serbin wurde 2004 eine Kompensationsfunktion für die
19 Holografische optische Pinzette, engl. holographic optical tweezer
20 LAT
12

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Herstellung von photonischen Kristallen eingeführt [Ser04]:
F comp,s (z) =
1
1 + s(1 − e −0,3z )
(2.3)
Diese empirische Formel (Gl. 2.3) ist abhängig von der Höhe der Struktur z sowie dem
von der Laserleistung und dem Schrumpfungsgrad des Fotolacks abhängigen Faktors s. Eine
weitere Möglichkeit, die Verformung der Struktur durch das Schrumpfen zu verhindern, war
die Herstellung der Strukturen auf Stelzen. Hier trat die eigentliche Struktur nicht mit der
Glasoberfläche in Kontakt [OVC + 08, FVC10].
Die Schreibgeschwindigkeit ist ein limitierender Zeitfaktor bei der Herstellung der Strukturen.
Das parallele Schreiben ist eine mögliche Herangehensweise die Geschwindigkeit
bei der Anfertigung vieler Strukturen zu erhöhen. Kato et al. nutzten dazu ein Array aus
Linsen, mit dessen Hilfe über 200 dreidimensionale Helizes geschrieben werden konnten
[KTA + 05]. Die Auflösung bei diesem Verfahren betrug mehr als 200 nm. Der Nachteil dieser
schwachen Auflösung ließ sich einige Jahre später durch den Einsatz eines SLM 21 beheben
[GNO + 11, KOV11]. Durch die Phasenmodulierung konnten simultan mehrere Spots erzeugt
werden, mit denen bei hoher Auflösung, unter Verwendung verschiedener Objektive mit
unterschiedlichen Aperturen, bis zu 16 dreidimensionale Strukturen gleichzeitig realisiert
wurden. Die Qualität der geschriebenen Linien konnte ebenfalls durch den Einsatz eines
SLMs verbessert werden. Ohne die Nutzung eines SLMs war die Energieverteilung im Fokus,
in der Objektebene bei z = 0, kreisförmig. Die Verteilung in der xz- und yz-Ebene war
elliptisch mit der maximalen Ausdehnung in ±z-Richtung. Die Ausbreitung des Laserstrahls
lag auf der z-Achse. Das Aspektverhältnis der PSF 22 lässt sich durch die Integration eines
SLMs in dem Versuchsaufbau deutlich reduzieren [WRF12].
Zur Reduktion der Linienbreiten sind weitere Verfahren untersucht worden, die über die
2PP mit nur einem Laser hinaus gingen. Vor allem die sogenannten Depletion-Techniken
stellten sich als vielversprechend heraus [Per09]. Li et al. hatten mittels Multiphotonenabsorption
durch einen gepulsten Laser mit 800 nm Wellenlänge die Polymerisation initiiert
und simultan deaktiviert, indem eine 1PA, unter Anwendung eines cw 23 -Lasers mit einer
21 Spatial Light Modulator
22 point-spread-function
23 continuous-wave
13

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Wellenlänge von 800 nm, stattfand [LGG + 09]. Das Prinzip dieser Verfahrensweise stammte
von der STED 24 -Mikroskopie und führte zu einer direkt geschriebenen Auflösung von bis
zu 40 nm Linienbreite. Das entspricht ungefähr einem Zwanzigstel der Wellenlänge λ.
Ähnliche Ergebnisse wurden auch von Fischer et al. mit einer Anregungswellenlänge von
810 nm für die 2PP und einer Depletion-Wellenlänge von 532 nm erzielt [FFW10]. Ein
weiteres Verfahren zur Reduktion der Linienbreiten wurde durch Scott et al. vorgestellt. Um
den Anregungsprozess zu starten, wurde ein 473 nm Laserstrahl mit einem Gaußprofil auf
eine Oberfläche fokussiert [SKS + 09]. Gleichzeitig wurde ein weiterer 364 nm Laser mit einem
Gauß-Laguerre-Donutprofil genutzt, um den Anregungsbereich räumlich zu reduzieren. Die
Auflösung war auf 200 nm beschränkt.
Die Anwendung einer sehr dünnen photochromen Schicht auf dem Polymer wurde von
Andrew et al. untersucht. Zur Anregung wurde ein Laser mit 325 nm Wellenlänge und einem
Gaußprofil genutzt. Ein zweiter 633 nm Laser mit Donutprofil machte die photochrome
Schicht undurchlässig [ATM09]. Dabei konnte eine Auflösung von 36 nm erzielt werden.
Im Gegensatz zur 2PP ist die 1PP einfacher in der Handhabung und weniger kostenintensiv,
dadurch rückt sie in den Fokus aktueller Forschungsarbeiten. Beispielsweise wurden
durch LOPA 25 bereits Linien mit einer Breite von 190 nm zuverlässig geschrieben [DNL + 13].
2.3. Positive Fotolacke in der Nanolithographie
Während der Stand der Forschungsarbeiten bezüglich negativer Fotolacke in Verbindung
mit 2PA weit fortgeschritten ist (vgl. Kap. 2.2), fehlen bei positiven Fotolacken diesbezügliche
Forschungsarbeiten. Ein weit verbreitetes Anwendungsgebiet für die positiven Fotolacke
ist die Elektronenstrahllithographie 26 . Diese Technik ist über zwanzig Jahre alt und schon
Zandbergen und Dijkstra konnten 1994 zeigen, dass damit hohe Auflösungen zu erzielen
sind [ZD94]. Mit diesem Verfahren gelang es, Löcher mit einem Durchmesser von 100 nm
und 140 nm in 300 nm bzw. 700 nm dicken Lackschichten zu erzeugen. Weiterhin war es
möglich Linien mit einer Breite von 300 nm und Linienabständen von 300 nm zu erreichen.
24 stimulated emission depletion
25 ultralow one-photon absorption; Dabei wird ausgenutzt, dass die Intensität nichtlinear bis zur Fokusebene
ansteigt und dort ihr Maximum erreicht.
26 engl. electron beam lithography oder E-Beam lithography
14

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Neue Techniken, wie die Veränderung von positivem zu negativen Fotolack bei hohen
Spannungen [KZVB95] oder dem Belichten bei gleichzeitigem Anlegen einer niedrigen
Spannung [TLI + 96], führten sowohl zu höheren Aspektverhältnissen von 11:1 als auch zu
einer gesteigerten Auflösung mit Abständen zwischen zwei Linien von 50 - 60 nm. Der
Einsatz von Fotolacken mit neuer chemischer Zusammensetzung ermöglichte sub-100 nm
Strukturen bei der Belichtung im tiefen UV-Bereich. Deswegen wurde schon sehr früh die
Einführung neuer Lacke befürwortet, um alte Lacke, wie PMMA 27 , zu ersetzen [HFKS91].
Für die Maskenherstellung mittels Excimer-Laser wurden neue phenolbasierte Harze
entwickelt, die im Wellenlängenbereich von 248 nm besonders gut absorbierten und sehr gut
für KrF 28 -Lithographie geeignet waren [AHSF04, SMA + 04]. Diese Strukturen wurden durch
eine nachträgliche Größenreduktion mittels liquid ashing 29 auf etwa 60 nm Linienbreite
verkleinert [TFH + 01]. Durch E-Beam Lithographie und NIL 30 konnten dreidimensionale
Strukturen im sub-100 nm Bereich eingeschränkt hergestellt werden. Eine wirkliche 3D-
Strukturierung, wie bei einem Zwei-Photonen Prozess, war allerdings nicht möglich [UTI07].
In weiteren Untersuchungen wurde die Möglichkeit NIL auf nicht glatten Oberflächen zu
verwenden geprüft [SZZC98]. Auch die Stabilität des Lacks bei hohen, parallelen Wänden
[YNL + 10] sowie die Langzeitbelichtung über einen Zeitraum von 355 Stunden mittels
E-Beam auf einem 300 mm Siliziumwafer [TCF + 13] wurden betrachtet. Wie schon bei
der E-Beam Lithographie wurden auch für die NIL neue Lacke vorgestellt, die ein auf das
Verfahren abgestimmtes Prozessfenster aufwiesen [PGBT11].
Positive Fotolacke sind auch für die NIL verwendet worden. Hier wurden die Strukturen im
Fotolack auf andere Materialien wie beispielsweise Ormocere übertragen [PBR + 07, HHP + 09].
Damit war es möglich Wellenleiter mit einer Länge von 30 mm und einem Durchmesser
von 2 µm bzw. 6 µm auf Silizium-Wafern herzustellen. Die ursprünglichen Strukturen im
positiven Fotolack entstanden allerdings nicht durch E-Beam Lithographie sondern durch
Maskenbelichtung.
27 Polymethylmethacrylat
28 Krypton-Fluorid-Laser, gehört zur Gruppe der Excimer-Laser
29 Der Prozess besteht aus zwei Schritten, einem Backprozess bei einer Temperatur von 115 ◦ C und dem
nachfolgenden Entwickeln mit Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
30 Nanoimprint lithography
15

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
2.4. Zwei-Photonen Absorption bei positiven Fotolacken
Bereits vor über zehn Jahren wurde begonnen die Eignung positiver Fotolacke für den
Zwei-Photonen Prozess zu erforschen. Jedoch sind auf diesem Gebiet nur sehr wenige
Forschungsergebnisse und Anwendungen bekannt. Zhou et al. und Kübler et al. schrieben in
den Jahren 2002 und 2003 dreidimensionale Strukturen in Form von Kanälen in positiven
Fotolack [ZKB + 02, KBZ + 03]. Dies wurde durch die Entwicklung neuer PAGs 31 möglich,
die deutlich weniger einfallende Lichtintensität benötigten um die chemische Startreaktion
im Fotolack hervorzurufen, als die herkömmlichen PAGs. Im Gegensatz zum negativen
Fotolack muss bei einem positiven Fotolack immer eine ausreichend große Verbindung des
gelösten Bereichs zur Oberfläche vorhanden sein. Dies ist erforderlich, damit der Entwickler
sämtliche gelösten Zonen im Lack erreicht. Die von Zhou et al. und Kübler et al. gefertigten
Kanäle, die nicht mit der Oberfläche des Fotolacks verbunden waren, endeten in großen,
ebenfalls mittels 2PA geschriebenen Hohlräumen mit Verbindung zur Oberfläche des Lacks
[ZKB + 02, KBZ + 03]. Dadurch war ein Zugang für den Entwickler zum Durchströmen der
Kanäle vorhanden. Hiermit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass auch im positiven Fotolack
beliebige dreidimensionale Strukturen geschrieben werden konnten und eine schichtweise
Strukturierung nicht notwendig war.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden einige Jahre später Goldhelizes hergestellt,
deren Formgebung auf durch 2PA hergestellten Negativen basierte [GTR + 09]. Auf ein
Glassubstrat mit einem Dünnfilm aus leitendem ITO 32 , das eine Schichtdicke von 25 nm
hatte, wurde positiver Fotolack gegeben und eine Reihe von Lufthelizen geschrieben. Die
dadurch erzeugten Löcher wurden in einem Elektrolyt mit Gold gefüllt und der Fotolack
im Folgenden durch Plasmaätzen entfernt. Die entstandenen freistehenden Goldhelizes
beeinflussten längenabhängig die Transmittanz des Materials für Wellenlängen über 3 µm.
Das Ziel von Yuan et al. war die Verbesserung der Eigenschaften des eigentlichen 2PA-
Prozesses. Im Zuge ihrer Arbeit sind zwei neue PAGs genutzt und deren Eigenschaften in
Verbindung mit positivem Fotolack untersucht worden [YZW12]. Die verwendeten PAGs
zeigten einen viel größeren 2PA-Querschnitt als herkömmliche UV-PAGs. Die Effizienz des
31 Photoacid Generator
32 indium tin oxide, deu. Indiumzinnoxid, CAS 50926-11-9
16

Kapitel 2. Zwei-Photonen Absorption als Werkzeug zur Bearbeitung positiver Fotolacke
Prozesses stieg soweit, dass zur Initiierung einer 2PA nur noch eine mittlere Laserleistung
von 0,24 mW benötigt wurde.
Cao et al. haben ohne selbst entwickelte Komponenten und mit dem handelsüblichen
positiven Fotolack AZ P4620 Linien mit einer Breite von 85 nm erreicht, was ungefähr 1/9
der eingesetzten Laserwellenlänge von 780 nm entsprach [CZD + 13]. Bei der Untersuchung
von einzelnen durch 2PA entstandenen Punkten konnte ein Einfluss von stehenden Wellen
zwischen dem Glassubstrat und der Oberfläche des Fotolacks nachgewiesen werden.
17

Kapitel 3.
Physikalische Grenzen der
2PP-Lithographie
3.1. Überlappungsgrad der Spots
Zum Schreiben einer Linie in Fotolack werden die durch einen gepulsten Laser generierten
Voxel aneinandergereiht. Bei diesem Vorgang überlappen sich die Voxel nicht vollständig.
Zum besseren Verständnis wird vereinfachend die kreisförmige Projektionsfläche des Voxels
in der x-y-Ebene betrachtet. Der Abstand a s ist die Entfernung der Mittelpunkte zweier
benachbarter Spots M 1 und M 2 (vgl. Abb. 3.1) und wird bestimmt aus dem Verhältnis der
Scangeschwindigkeit v scan zu der Pulswiederholrate ν rep des Lasers:
a s = v scan
ν rep
(3.1)
Die gemeinsame Fläche A Schnitt von zwei sich überlappenden Spots besteht aus zwei
Kreissegmenten und kann durch
A Schnitt = r 2 s (α − sinα) mit r 1 = r 2 = r s (3.2)
dargestellt werden. Die Schnittfläche A Schnitt ist abhängig vom Spotradius r s und dem
Öffnungswinkel α (vgl. Abb. 3.1). Um α aus der Gleichung 3.2 in den bekannten Parametern
18

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
Abbildung 3.1.: Überlappung einzelner Spots während des Schreibvorgangs Der
Abstand a s zwischen den Spotmittelpunkten M 1 und M 2 in der x-y-Ebene
wird durch die Schreibgeschwindigkeit und die Pulswiederholrate bestimmt.
Der Radius bleibt von einem Spot zum nächsten konstant, sodass r 1 = r 2 =
r s angenommen werden kann.
r s und a s auszudrücken, wird der Cosinussatz zur Berechnung genutzt.
( ) α
rs 2 = a 2 s + rs 2 − 2 · a s · r s · cos
2
(3.3)
Wird nun Gleichung 3.3 in Gleichung 3.2 eingesetzt, folgt für die Schnittfläche A Schnitt
zweier Spots die Gleichung:
A Schnitt = r 2 s
{ ( ) [ ( )]}
as
as
2 · arccos − sin 2 · arccos
2 · r s 2 · r s
(3.4)
Für die weitere Beurteilung der Ergebnisse in Kapitel 7 wird der Überlappungsgrad U Spot
als dimensionslose Kennzahl eingeführt und prozentual angegeben.
U Spot = A Schnitt
πr 2 s
(3.5)
3.2. Auflösung der Zwei-Photonen Polymerisation
Grundlage für die Auflösung eines optischen Systems ist die Bildentstehungstheorie von
Ernst Abbe. Zur Auflösungsbestimmung in lateraler und transversaler Richtung muss das
Rayleigh-Kriterium hinzugezogen werden [Hec94, BW98].
19

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
Das von einer beleuchteten Lochblende erzeugte Muster wird durch ein Integral dargestellt,
das durch eine Besselfunktion nullter Ordnung J 0 gelöst werden kann. Der qualitative Verlauf
der durch das Integral beschriebenen Verteilung des Lichts ist in Abbildung 3.2 als schwarze
Kurve dargestellt. Das scheibchenförmige Maximum der zweidimensionalen Darstellung der
Kurve wird als Airy-Scheibchen bezeichnet.
Der Radius r Airy eines solchen Airy-Scheibchen wird durch den Quotient aus der Wellenlänge
λ und dem Brechungsindex des Mediums n sowie der Numerischen Apertur NA
berechnet [Trä07]:
r Airy = 0, 61 nλ
NA , (3.6)
Die Numerische Apertur NA=r/f ist abhängig von dem Radius der Linse r und der
Brennweite f.
Zwei Airy-Scheibchen gelten nach dem Rayleigh-Kriterium als getrennt, wenn das Maximum
eines benachbarten Airy-Scheibchens in das erste Minimum des ersten Scheibchens
fällt, wie in Abbildung 3.2 dargestellt ist. Dieses Kriterium gilt ebenfalls für die Betrachtung
zweier Spots in einem Polymer. Damit ist die laterale Auflösung d lat durch
gegeben.
d lat = 0, 61 λ
NA
(3.7)
Neben dem Rayleigh-Kriterium gibt es das Sparrow-Kriterium sowie das Halbwertsbreitenkriterium.
Bei der Anwendung der Kriterien ändert sich der in Gleichung 3.7 angegebene
Vorfaktor. Beim Halbwertsbreitenkriterium sinkt der Vorfaktor von 0,61 auf 0,51 und beim
Sparrow-Kriterium auf 0,48. Eine weitere Beeinflussung des Vorfaktors ergibt sich durch
die Brechungsindizes der eingesetzten Materialien sowie für reale Laserstrahlung durch die
Multiplikation mit dem Faktor M 2 [Trä07].
Bei zwei Gaußstrahlen lässt sich die Auflösungsgrenze durch
w 0 =
λ
πNA
(3.8)
festlegen, was der kleinstmöglichen Strahltaille entspricht, wenn die Numerische Apertur
20

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
Abbildung 3.2.: Minimaler Abstand zwischen zwei Airy-Scheibchen Der schwarze
Kurvenverlauf zeigt den Intensitätsverlauf des Querschnitts eines Airy-
Scheibchens. Das Maximum des zweiten Airy-Scheibchens befindet sich im
ersten Minimum des ersten Scheibchens (blau gestrichelte Kurve). Unter
diesen Bedingungen ist eine Auflösung der einzelnen Scheibchen möglich.
Die rote Linie ist die Summe der beiden Funktionen und zeigt den Intensitätsverlauf
eines gemeinsamen Bildes.
NA ungefähr der Sinus des Öffnungswinkels α ist. Der minimale Abstand, um zwei Spots
aufzulösen, ist damit 2w 0 . Dementsprechend kann der Abstand zwischen zwei Maxima als
λ
d lat = k 1
(3.9)
NA
beschrieben werden. Der Faktor k 1 liegt standardmäßig in einem Wertebereich zwischen 0,5
und 1.
Für den Schreibprozess zur Anfertigung von dreidimensionalen Strukturen ist jedoch
nicht nur die laterale Auflösung von Bedeutung, sondern auch die axiale bzw. longitudinale
Auflösung 1 . Der Radius des Laserstrahls wird bis zu dem Wert angegeben, bei dem die
1 engl. DOF, depth of field
21

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
Intensität auf 1/e 2 in lateraler Richtung abgefallen ist und kann durch
w(z) = w 0
[1 +
( ) ] 1
z
2 2
z R
(3.10)
beschrieben werden [SEO + 03]. Dabei ist w 0 der kleinste Strahldurchmesser an der Strahltaille
mit z = 0 und z ist der Abstand von der Strahltaille in z-Richtung.
Die Rayleighlänge z R wird aus dem Quotienten des kleinsten Strahldurchmessers w 0 und
der Wellenlänge λ bestimmt:
z R = πw2 0
λ
(3.11)
Sie gibt den Abstand vom Ort z = 0 an, bei dem der Strahlradius √ 2-fach größer ist als
an der Strahltaille. Unter Berücksichtigung der Strahlqualität K = M −2 ändert sich die
Gleichung 3.11 zu
z R = πw2 0
λM 2 (3.12)
mit M 2 als Beugungsmaßzahl, die bei einem realen Laserstrahl immer mit M 2 > 1 angegeben
wird. Die axiale Auflösung wird meistens mit 5 % Abstand von der Strahltaille angegeben, ist
jedoch beliebig definierbar. Aus den Gleichungen 3.10 und 3.11 lässt sich mit w(z) = 1, 05·w 0
ein Abstand von
z ax ≈ 0, 32πw2 0
λ
ermitteln. Gleichung 3.13 ist gültig für den Bereich von 0 bis z ax .
(3.13)
Die axiale Auflösung d ax ist jedoch definiert von +z ax bis −z ax . Dementsprechend muss
beim Einsetzen der Gleichung 3.8 in Gleichung 3.13 der Faktor 2 hinzugefügt werden.
Daraus ergibt sich mit dem materialabhängigen Parameter k 2 für die axiale Auflösung d ax
λ
d ax = k 2
(3.14)
NA 2
Die 2PP ist hingegen ein nichtlinearer Prozess. Entsprechend komplexer ist die Auflösung
mathematisch zu berechnen. Der Grad der Polymersiation wurde von Wang et al. auf Basis
22

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
der Fortpflanzung der Vernetzung des Materials bei der Umwandlung vom Monomer zum
Polymer angegeben [WBB + 02]. Darauf aufbauend wurde von Serbin et al. die Auflösung
bei der Herstellung von Linien in negativem Fotolack in lateraler und axialer Richtung
hergeleitet [SEO + 03]. Die Auflösung in lateraler Richtung ist
und in axialer Richtung
√ √√√√ ⎛
4σ
d lat (N 0 , t) = w 0 ln ⎝
2ηP a 2 T 2 t
π 2 w0τ 4 L ν rep¯h 2 w 2 ln ρ 0
ρ 0 −ρ th
⎞
⎠ (3.15)
√ √√√√ √ √√√
4σ
d ax (N 0 , t) = 2z
2ηP a 2 T 2 t
R
π 2 w0τ 4 L ν rep¯h 2 w 2 ln ρ − 1 (3.16)
0
ρ 0 −ρ th
Dabei sind w 0 und z R der Radius des Spots im Fokus und die Rayleighlänge, σ a 2 ist
der durchschnittliche Wirkungsquerschnitt für die 2PA, η beschreibt die Effizienz des
Initiationsprozesses, wobei η < 1 gilt. Das Produkt σ 2 = σ a 2η entspricht dem effektiven
Wirkungsquerschnitt für die Generierung von Radikalen für die 2PP mit der Einheit [cm 4 s].
P ist die durchschnittliche Laserleistung, T der Anteil des Lichts, der durch das Mikroskopobjektiv
transmittiert wird, t ist die Belichtungszeit während des Prozesses und ν rep die
Pulswiederholfrequenz des Lasers, womit N = νt die Anzahl der Pulse ist. Der Faktor τ L
beschreibt die Pulsdauer des Lasers, ¯h ≈ 1, 054 · 10 −34 Js ist das Plancksche Wirkungsquantum,
w die spezifische Arbeit und ρ 0 die Dichte der Radikalen sowie ρ th der Dichtegrenzwert
der Radikalen, der erreicht werden muss, damit eine Polymerisation stattfindet. Diese
Formeln beruhen auf der vereinfachten Annahme, dass im Fokus des Laserstrahls z = 0 die
Verteilung des Photonenstroms N(r, t) = N 0 (t)exp(−2r 2 /r 2 0) gaußförmig ist.
Der Photonenstrom N 0 ist dabei definiert als
N 0 = 2 P T
πw0τ 2 L ν rep¯hw
(3.17)
Die von Cao et al. entwickelte Formel (Gl. 3.18) zur Berechnung der Linienbreiten in
23

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
positivem Fotolack ist der von Serbin et al. strukturell ähnlich [CZD + 13, SEO + 03]:
⎧
⎫ √
⎨ 4ΦδC 0 T
W d = 2r th = w(z) √ln
2 P 2 t
⎬
⎩(A E + C 0 ) ν rep τ L [πhλw 2 (z)] 2 ln G 0 ⎭
G th
(3.18)
r th ist der Radius, auf dem der Grenzwert G th ≥ G zur Unlöslichkeit des Lacks liegt, w(z)
der Radius des Laserstrahls in Abhängigkeit von z und Φ ist die Quanteneffizienz und damit
definiert als das Verhältnis der Moleküle mit DNQ 2 im Zustand G die angeregt werden, zu
der Anzahl der Photonen die von G absorbiert werden. δ ist dabei der Wirkungsquerschnitt
für die 2PA, T ist die Transmittanz des Objektivs, P ist die einfallende Laserleistung und
t die Prozessdauer. A E ist der Einsteinkoeffizient für spontane Emission, ν rep und τ L sind
die Pulswiederholfrequenz des Lasers und die Pulsdauer der Femtosekunden-Laserpulse.
h ≈ 6, 626 · 10 −34 Js ist das Plancksche Wirkungsquantum, λ ist die Wellenlänge des Lasers
und G 0 bezeichnet den Ausgangswert der DNQ im Grundzustand. Auch hier wird die
Intensität
mit dem Radius r als gaußverteilt angenommen.
[ ] 2
w0
I = I 0 e −2r2
w 2 (z)
(3.19)
w(z)
Die Voxellänge entlang der Strahlachse r = 0 lässt sich durch Einsetzen der Gleichung
3.10 in Gleichung 3.19 bestimmen, was für den gaußförmigen Laserpuls zu
führt und eine Pixellänge von
I(z) =
I 0
1 + ( z
z 0
) 2
(3.20)
ergibt.
√ √√√√ √ √√√
4ΦδC 0 T
W l = 2z 2 P 2 t
R
(A E + C 0 ) ν rep τ L [πhλw 2 (z)] 2 − 1 (3.21)
ln G 0
G th
Gleichung 3.21 zeigt, dass eine Grenze überschritten werden muss um die chemische
Reaktion in Gang zu setzen. In Abbildung 3.3 ist diese Grenze durch die untere gestrichelte
2 Diazonaphtoquinon, deutsch: Diazonaphtochinon
24

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
Linie gekennzeichnet. Des Weiteren zeigt diese Abbildung die Abhängigkeit der Voxelgröße
von der Intensität der Laserpulse. Ist der Grenzwert überschritten, steigt das Volumen der
Voxel so lange an, bis ein vom Material abhängiger weiterer Grenzwert überschritten ist.
Abbildung 3.3.: Intensitätsabhängigkeit der Voxelgröße Die Abhängigkeit der Größe
des Volumens, in dem die chemische Reaktion stattfindet, von der eingebrachten
Intensität durch das Laserlicht wird gezeigt. Bis zum ersten
Grenzwert findet keine chemische Reaktion statt, danach ist ein deutliches
Wachstums des Volumens zu beobachten. Bei Überschreiten der zweiten
Grenze finden Mikroexplosionen statt, die eine Herstellung von Strukturen
verhindern (Abbildung in Anlehnung an [Pas08]).
Bei der Überschreitung des zweiten Grenzwerts bilden sich bei negativem Fotolack Blasen,
die durch weitere Lasereinstrahlung zu Mikroexplosionen führen können. Dadurch wird in
einem Radius von etwa 10 µm die gesamte Struktur zerstört (Abb. 3.4 links). Wird der
zweite Grenzwert bei positvem Fotolack überschritten, können Schäden von über 100 µm
Durchmesser im Fotolack entstehen (Abb. 3.4 rechts).
Wird nun die 1PP mit der 2PP verglichen, so werden die Vorteile der 2PP schnell deutlich.
Im Gegensatz zur 1PP sind mit der 2PP Strukturgrößen und Linienbreiten unterhalb des
25

Kapitel 3. Physikalische Grenzen der 2PP-Lithographie
Abbildung 3.4.: Mikroexplosionen durch hohe Intensität Bei Überschreiten der oberen
Grenze (siehe Abb. 3.3) ist sowohl bei negativem als auch bei positivem
Fotolack keine kontrollierte photochemische Reaktion mehr möglich. Bei
negativem Lack bilden sich Blasen, die in einem Radius von etwa 10 µm
durch Explosionen die Struktur schädigen (links aus [JTV09]), bei positivem
Lack hingegen wurden deutlich größere Zerstörungsradien erkannt (rechts).
Beugungslimits mit einer Auflösung von unter 200 nm mit handelsüblichen Fotolacken und
einem Immersionsobjektiv herstellbar.
26

Kapitel 4.
Positive Fotolacke
4.1. Chemische Zusammensetzung
Im Gegensatz zu negativen Fotolacken werden positive Fotolacke während der Belichtung
chemisch so verändert, dass die belichteten Volumen mit Hilfe des Entwicklers entfernt
werden können und der unbelichtete Lack erhalten bleibt. Dadurch entsteht das Negativ
der Struktur, die durch den Laser in den Lack geschrieben wurde.
Ein handelsüblicher Fotolack besteht aus zwei Komponenten, einem Harz sowie einer
photoaktiven Komponente. Ersterer ist für die feste Struktur verantwortlich und in den
meisten Fällen ein Novolak. Durch die photoaktive Komponente bleibt der Novolak vor der
Belichtung unlöslich, während sie unter Belichtung hingegen die Löslichkeit des Novalaks
verstärkt [Glo11].
Abbildung 4.1 verdeutlicht die näherungsweise prozentuale Zusammensetzung der Hauptbestandteile
eines handelsüblichen Fotolacks in Form eines Kreisdiagramms. Hierbei handelt
es sich jedoch lediglich um Anhaltswerte. Der tatsächliche prozentuale Anteil der einzelnen
Komponenten kann herstellerabhängig schwanken. Damit beispielsweise unterschiedliche
Schichtdicken erreicht werden können, ist zudem auch anwendungsspezifisch eine Variation
in der Zusammensetzung des Fotolacks möglich. Das Lösungsmittel, mit dem die
Fließfähigkeit des Harzes gewährleistet wird, macht mit etwa 70 % den größten Anteil aus.
Als weitere Hauptbestandteile sind der Novolak mit 20 % und eine photoaktive Komponente
mit 10 % enthalten. Abhängig von den speziellen Anforderungen einer Anwendung können
27

Kapitel 4. Positive Fotolacke
Abbildung 4.1.: Hauptkomponenten eines positiven Fotolacks Ein handelsüblicher
Fotolack besteht aus einem Harz, einer photoaktiven Komponente und einem
Lösungsmittel. Der tatsächliche prozentuale Anteil der einzelnen Komponenten
schwankt und ist hersteller- sowie anwendungsspezifisch [Glo11].
dem Fotolack weitere Additive hinzugefügt werden. Deren Menge ist jedoch so gering, dass
sie im Weiteren nicht näher betrachtet werden.
Der Novolak besteht in erster Linie aus einem aromatischen Benzolring mit einer substituierten
OH-Gruppe 1 [Pil13], [RHH + 02]. Dieses Phenolmolekül mit seiner Hydroxygruppe
lagert vorzugsweise Wassermoleküle an und ist damit hydrophil. Die Entwicklerflüssigkeit für
den Novlak ist eine basische Lösung. Sobald das Phenol mit dem Entwickler in Berührung
kommt, verhält es sich wie eine schwache Säure. Dabei wird das Wasserstoffatom leicht
abgetrennt, was als Deprotonisierung der OH-Gruppe bezeichnet wird.
Die photoaktive Komponente des positiven Fotolacks heißt DNQ. Als Grundlage für das
DNQ fungiert das Naphtalin (Abb. 4.2(A)), das eine Absorptionswellenlänge von 315 nm
hat und Namensgeber für das DNQ ist.
Entscheidend für das physikalische und chemische Verhalten speziell bei der Absorption
von Licht sind die Substituenten. Hierbei spielt nicht nur die Zusammensetzung der Substituenten
eine wichtige Rolle, sondern auch der Ort an dem sie mit dem Benzolring verbunden
sind. Die DNQ-Moleküle sind hydrophob und verhindern die Anlagerung von Wasser an die
hydrophilen Hydroxygruppen des Phenols. Eine weitere Eigenschaft der Substituenten ist die
Absorptionsfähigkeit von ultraviolettem Licht nahe des sichtbaren Bereichs. Abbildung 4.2
1 Hydroxygruppe
28

Kapitel 4. Positive Fotolacke
Abbildung 4.2.: Absorptionswellenlängen von Naphtalin und DNQ Beispiel für
die Abhängigkeit der Absorptionswellenlänge vom Substituenten ebenso wie
von der Position des Substituenten an der aromatischen Verbindung. Die
Absorptionswellenlänge für Naphtalin ohne einen Substituenten ist 315 nm
(A) und erhöht sich auf 365 nm (B) nach Hinzufügen einer Sulfonatguppe
(B). Dies resultiert in einem i-line DNQ. Für eine Breitbandabsorption
muss die Position des Sulfonates geändert werden, wodurch die Maxima
des Absorptionsspektrums bei 365 nm, 405 nm und 436 nm liegen (C).
(Abbildung aus [AKG + 14])
stellt exemplarisch die Abhängigkeit der Absorbtionswellenlänge vom Substituenten sowie
dessen Position an der aromatischen Verbindung dar. Das Hinzufügen eines Substituenten
verschiebt das Absorptionsspektrum zu höheren Wellenlängen (vgl. Abb. 4.2). Bei den für
diese Arbeit verwendeten Fotolacken handelt es sich um die Sufonatgruppe R−SO 2 −O−R,
durch die eine Breitbandabsorption ermöglicht wird.
Der prozentuale Anteil des verwendeten Lösungsmittels, der beispielhaft in Abbildung
4.1 gezeigt ist, liegt bei handelsüblichen Fotolacken zwischen 65 und 86 Gew. - %. Die
Auswahl für ein Lösungsmittel wird vor allem dadurch bestimmt, dass die Komponenten
der bindenden Kräfte mit denen des Novolaks übereinstimmen. Dadurch bedingt wird die
Anzahl der geeigneten Lösungsmittel stark reduziert. Neben der Viskosität, die entscheidenden
Einfluss auf die Uniformität der Beschichtung hat, sind der Dampfdruck und der
Siedepunkt wichtig. Zum aktuellen Zeitpunkt werden hauptsächlich Ester aus Alkoholen
und Carbonsäuren angewendet. Durch die Wahl des Lösungsmittels ist es möglich, viele
Qualitätsmerkmale zu beeinflussen, wie beispielsweise die Lebensdauer des Fotolacks. In
den meisten Fällen wird herstellerseitig diese mit einem Jahr angegeben. Um Qualität und
Haltbarkeit zu gewährleisten müssen der Novolak und das DNQ von dem Lösungsmittel in
der Schwebe gehalten werden.
29

Kapitel 4. Positive Fotolacke
4.1.1. Verhalten bei UV-Einstrahlung
Kommt es zu einer UV-Bestrahlung des positiven Fotolacks, nimmt die N 2 -Gruppe eine
entscheidende Rolle beim Reaktionsvorgang ein. Für die in dieser Arbeit verwendeten Lacke
liegt eine Breitband-DNQ Verbindung vor, wie sie in den Abbildungen 4.2(C) und 4.3(A)
zu sehen sind.
Abbildung 4.3.: Reaktionsablauf der DNQ bei UV-Belichtung Durch Belichtung
des Breitband-DNQ (A) werden die Stickstoffanteile der Diazoverbindung
ausgelöst (B), worauf ein Keten entsteht (C). Durch hinzugeführte Wassermoleküle
wird Ketenhydrat gebildet (D) und daraus eine Indenkarbonsäure
(E) [Glo11].
Die N 2 -Gruppe ist mit einer Doppelbindung nur leicht an den aromatischen Ring gebunden
und bildet in Kombination mit ihm eine sogenannte Diazoverbindung. Eine Diazoverbindung
enthält mit N 2 eine sehr reaktive Gruppe und zählt zu den organisch-chemischen
Verbindungen. Die ausgeprägte Reaktionsfähigkeit des N 2 führt dazu, dass bei Raumtemperatur
eine sehr leichte Abspaltung möglich ist. Um diese Eigenschaft zu unterbinden
bzw. die Reaktionsfähigkeit herabzusetzen, ist die Anwendung bei entsprechend niedrigeren
30

Kapitel 4. Positive Fotolacke
Temperaturen durchzuführen.
Der Ablauf einer Reaktion der DNQ unter UV-Belichtung ist in Abbildung 4.3 schematisch
veranschaulicht. Bei 21 ◦ C sind zwei quasisimultan einfallende Photonen einer Wellenlänge
von 780 nm ausreichend um die Abspaltung der N 2 -Gruppe auszulösen (Abb. 4.3(A) und
(B)). Die dafür aufgewendete Energie entspricht der eines Photons von 390 nm Wellenlänge.
Die nun frei gewordenen Elektronen (Abb. 4.3(B)) werden genutzt um Kohlenstoffatome
umzulagern, wodurch ein Keten entsteht (Abb. 4.3(C)). Kommen nun Wassermoleküle
hinzu, entsteht ein Ketenhydrat (Abb. 4.3(D)) und daraus eine Indenkarbonsäure (Abb.
4.3(E)). Aus dem vorher hydrophoben DNQ-Molekül ist nun eine organische Säure mit
hydrophilen Eigenschaften entstanden.
Während des Reaktionsvorgangs wird der Stickstoff in sehr großen Mengen freigesetzt
und nimmt gasförmig etwa den 10-fachen Raum des Lackvolumens ein. Für diesen Reaktionsprozess
muss genug Wasser vorhanden sein und des Weiteren die Möglichkeit bestehen,
dass das freigesetzte Gas nach der Belichtung ausdiffundieren kann.
4.1.2. Vernetzung des DNQ
Die N 2 -Moleküle können nicht nur durch Belichtung abgespalten werden, sondern auch
durch die Erwärmung bei einer Temperatur von über 125 ◦ C. Im Bereich von 125 bis 135 ◦ C
bildet das DNQ durch das Erwärmen ein Keten. Durch die Erwärmung auf über 100 ◦ C
geht der Anteil des Wassers im Gemisch gegen null. Ohne Wasser ist eine Reaktion, wie in
Kapitel 4.1.1 beschrieben, nicht möglich (vgl. Abb. 4.3). Das Fehlen von H 2 O führt dazu,
dass das Keten eine Verbindung mit einer Hydroxygruppe eines benachbarten Phenols im
Novolak eingeht. Im alkalischen Entwickler ist diese Verbindung nur sehr schwer löslich,
denn durch die Abspaltung von Wasser wird unlösliches Ester gebildet. Dieser Vorgang
wird Vernetzung oder Crosslinking genannt. Erst ab einer Temperatur von 150 ◦ C ist eine
vollständige Vernetzung vorhanden [Glo11].
31

Kapitel 4. Positive Fotolacke
4.2. Verarbeitung positiver Fotolacke
Für die Versuchsvorbereitung werden die in dieser Arbeit verwendeten Fotolacke ma-
P 1205, ma-P 1225 und ma-P 1275 auf Deckgläser aufgetragen. Dabei ist zu beachten,
dass die Schichten glatte Oberflächen und gleichmäßige Dicken aufweisen. Der Fotolack
ma-P 1205 wird mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 µm aufgetragen. Die Proben des Lacks
ma-P 1225 weisen mit ca. 3,5 µm eine größere Schichtdicke auf. Die größten Schichtdicken
von ca. 7,5 µm sowie ca. 30 µm wurden mit dem positiven Lack ma-P 1275 hergestellt.
Tabelle 4.1 zeigt eine
Übersicht der Verarbeitungsschritte, die notwendig sind, um die
Proben mit positiven Fotolacken zu erzeugen. Nachfolgend werden die einzelnen Schritte
detailliert beschrieben.
Tabelle 4.1.: Verarbeitungsschritte für positive Fotolacke
Arbeitsschritt Bezeichnung Dauer Parameter
1 Reinigen des Deckglases
2 Aufbringen des Fotolacks
3 Spin Coating ≤ 60 s ≤ 3000 rpm
4 Prebake ≤ 300 s 105 ◦ C
5 Cool Down 25 - 30 min 21 ◦ C
6 Entfernen der Randbeschichtung
7 Relaxation 2 - 3 h 21 ◦ C
8 Optionaler Soft Bake 300 s 70 - 80 ◦ C
9 Cool Down 25 - 30 min 21 ◦ C
Schritt 1: Reinigen des Deckglases
Der Fotolack wird auf handelsübliche Deckgläser (Menzel-Gläser, 24 mm x 60 mm), die eine
Dicke von 150 ± 10 µm haben, aufgetragen. Da die Deckgläser nicht in einem Reinraum
gelagert werden, müssen vor der Verwendung Verunreinigungen entfernt werden. Dazu wird
auf Linsenputztücher, die in Isopropanol getränkt sind, zurückgegriffen.
Schritt 2: Aufbringen des Fotolacks
Zum Aufbringen des Fotolacks wird das Deckglas im Spincoater platziert und mittels eines
Vakuums, das durch eine Vakuumpumpe erzeugt wird, festgehalten. Bedingt durch die
geringe Dicke des Deckglases bildet sich direkt nach dem Einschalten der Vakuumpumpe eine
32

Kapitel 4. Positive Fotolacke
Vertiefung in der Deckglasmitte aus. Um Fehler, die aufgrund dieser Verformung auftreten,
auszuschließen wurden diesbezüglich Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Vertiefung in der Mitte des Deckglases keinen
messbaren Einfluss auf die Qualität der Schichten haben. Mittels einer Pipette werden
die Lacke auf die Deckgläser aufgetragen. Im Gegensatz zum Fotolack ma-P 1205, der
als Tropfen in der Mitte aufgebracht wird, werden die beiden anderen (ma-P 1225 und
1275) flächig aufgetragen. Je nach verwendetem Lack variiert die aufgetragene Menge. Die
benötigte Menge an ma-P 1205 beträgt 0,2 ml, die vierfache Menge, also 0,8 ml, ist dagegen
bei ma-P 1275 erforderlich. Zu begründen ist dies durch die unterschiedliche dynamische
Viskosität der Fotolacke. Die Werte für die dynamische Viskosität werden herstellerseitig
vorgegeben und gelten für eine Raumtemperatur von 25 ◦ C sowie einer Umdrehungszahl
von 1000 s −1 . Während ma-P 1205 eine dynamische Viskosität von 4,8 ± 0,3 mPas hat,
steigt diese für ma-P 1225 auf 47 ± 2 mPas an. Die höchste dynamische Viskosität liegt
mit 410 ± 20 mPas bei ma-P 1275 vor.
Schritt 3: Spin Coating
Für die verwendeten Fotolacke gibt Tabelle 4.2 eine Übersicht der für das Spin Coating
positiver Lacke notwendigen Parameter Schichtdicke, Schleuderdrehzahl und -zeit.
Tabelle 4.2.: Parameter für das Spin Coating positiver Lacke
Fotolack Schichtdicke Schleuderdrehzahl Schleuderzeit
[µm] [min −1 ] [s]
ma-P 1205 0,5 3000 30
ma-P 1225 2,5 3000 30
ma-P 1275 7,5 3000 30
ma-P 1275 30 350 60
Mit der Schichtdicke des Fotolacks variiert die beim Spin Coating zum Auftragen erforderliche
Schleuderdrehzahl sowie die Schleuderzeit. Die unterschiedliche Menge an Lösungsmittel
im jeweiligen Lack beeinflusst auch bei verschiedenen Schichtdicken weder die Umdrehungszahl
noch die Schleuderzeit. Bis zu einer Schichtdicke von 7,5 µm kann sowohl die Drehzahl
als auch die Schleuderzeit konstant gehalten werden. Für Schichtdicken über 7,5 µm ist eine
33

Kapitel 4. Positive Fotolacke
deutliche Reduktion der Umdrehungsgeschwindigkeit von 3000 auf 350 min −1 erforderlich,
bei gleichzeitiger Verdoppelung der Schleuderzeit. Die Beschleunigung des Spincoaters bis
zur Schleuderdrehzahl beträgt 500 s −2 .
Schritt 4: Prebake
Der Prebake, auch Soft Bake genannt, dient dazu das Lösungsmittel aus dem Fotolack
zu entfernen. Bei diesem Verfahren werden die Proben auf einer Hotplate bei 100 ◦ C mit
Hard-Contact erwärmt. Dabei liegt die Probe direkt auf der Hotplate auf und im Gegensatz
zum Proximity-Bake ist kein Abstand zur Platte vorhanden. Der Lack härtet bei diesem
Verfahren von unten nach oben aus und das Lösungsmittel kann nach oben entweichen.
Der Fotolack ma-P 1205 benötigt bei einer Schichtdicke von 0,5 µm eine Backzeit von
30 Sekunden. Diese steigert sich für ma-P 1225 auf 120 Sekunden. Für Schichtdicken
über 5 µm wird der Konvektionsofen empfohlen. Der Nachteil eines solchen Ofens ist,
dass die Temperaturbehandlung von allen Seiten stattfindet und die Lackoberfläche schnell
geschlossen ist. Dadurch wird die Diffusion des Lösungsmittels aus den tieferen Lackschichten
verhindert. Um diesem Nachteil entgegenzuwirken werden die Proben des ma-P 1275 mit
den Schichtdicken von ca. 7,5 µm bzw. ca. 30 µm ebenfalls auf der Hotplate erwärmt. Die
Backzeit für eine 7,5 µm dicke Schichtdicke beträgt 5 Minuten und 30 Minuten für Schichten
mit einer Dicke von 30 µm.
Schritt 5: Cool Down
Um die weiteren Arbeitsschritte durchzuführen ist eine Abkühlung der Probe auf unter
40 ◦ C notwendig. Für den sogenannten Prozess des Cool Down stehen zwei Möglichkeiten zur
Verfügung. Entweder kann die Probe bei Umgebungstemperatur ohne den Einsatz technischer
Hilfsmittel abkühlen oder mittels einer Cool Plate, welche den Vorgang entsprechend
beschleunigt.
Schritt 6: Entfernen der Randbeschichtung
Zur Bearbeitung der Proben mit dem Femtosekundenlaser müssen die Proben auf einer
Haltevorrichtung mit der Lackschicht nach unten platziert werden. Da am Rand des
Deckglases keine geschlossene Lackschicht vorhanden ist und die Oberfläche dadurch eine
34

Kapitel 4. Positive Fotolacke
hohe Rauheit aufweist, ist eine definierte Auflage auf der Vorrichtung nicht möglich. Um
zu garantieren, dass die Proben plan aufliegen, werden die Ränder der kurzen Seiten
der Deckgläser in ein Bad aus PGMEA 2 getaucht. In Abhängigkeit der Schichtdicke ist
eine Verweildauer zwischen 20 Sekunden und 5 Minuten erforderlich um den Fotolack
rückstandslos zu entfernen. Auf diese Weise ist eine definierte Auflagefläche vorhanden und
die Proben liegen plan auf.
Schritt 7: Relaxation
Wie in den Kapiteln 4.1.1 und 4.1.2 beschrieben wurde, ist für die Reaktion des DNQ
zur Carbonsäure Wasser notwendig. Ohne Wasser vernetzen die DNQ-Moleküle mit den
Novolakketten. Als Relaxationszeit wird die Zeit nach dem Prebake bezeichnet, in der das
Wasser aus der Umgebungsluft zurück in den Lack diffundieren kann. Sobald die relative
Luftfeuchte unter einen Wert von 30 % fällt, findet aufgrund von fehlenden H 2 O-Molekülen
keine chemische Reaktion zur Carbonsäure statt. Dementsprechend sollte die relative
Luftfeuchte im Raum einen Wert von 40 % nicht unterschreiten. Bei Schichtdicken von
beispielsweise 0,5 µm liegt die Relaxationszeit im Bereich weniger Minuten. Allerdings steigt
diese überproportional mit der Schichtdicke an. Für Lackschichten mit einer Dicke über
5 µm ist daher ein Zeitraum für den Relaxationsvorgang von etwa 100 Minuten einzuplanen.
Schritt 8: Optionaler Soft Bake
Beträgt die Zeit zwischen dem Prebake und der Belichtung mehr als 24 Stunden ist
ein erneuter Soft Bake durchzuführen. Mit diesem Vorgang sind eventuell vorhandene
Feuchtigkeits- und Lösungsmittelgradienten auszugleichen. Um dieses Ziel zu erreichen
werden die Proben 15 - 30 Minuten vor der Belichtung erneut für 5 min bei 70 - 80 ◦ C auf
die Hotplate gelegt.
Schritt 9: Cool Down
Analog zu Schritt 5 wird nach dem erneuten Backen die Probe bei Raumtemperatur wieder
abgekühlt.
2 Propylenglykolmonomethyletheracetat, CAS 108-65-6
35

Kapitel 5.
LIGA als Grundlage zur Entwicklung
komplexer Strukturen
5.1. LIGA und seine Verwendung
Mit dem LIGA-Verfahren ist seit Ende der 1980er Jahre die Herstellung qualitativ hochwertiger
und dennoch kostengünstig produzierter Produkte im Bereich der MEMS und MOEMS
möglich. Zu Beginn der 1980er Jahre wurde diese Technik in Deutschland entwickelt. Diese
innovative Technologie ist eine Kombination aus herkömmlichen Technologien (Heißprägen
und Spritzgießen) und Fertigungstechniken der Mikroelektronik (Maskenherstellung durch z.
B. Röntgentiefenlithographie) und ist zur Massenproduktion von Mikrostrukturen geeignet
[BRS01].
Die Prozessschritte des LIGA-Verfahrens werden im Folgenden beschrieben. Zu Beginn
wird ein Fotolack mittels einer Maskenbelichtung bearbeitet. Dazu kann sowohl UV-Licht
[CBYCC01, JCNG12] als auch Röntgenstrahlung [KBCM00, MS04] zum Einsatz kommen.
Alternativ wird auch die Synchrotronstrahlung angewendet [BRS01, KLBK + 06], die aufgrund
ihres Potentials zur Tiefenstrukturierung sehr gut für das LIGA-Verfahren geeignet ist.
Nach der Entwicklung des Fotolacks verbleibt eine dreidimensionale Struktur. Anschließend
wird in die Zwischenräume der Strukturen Gold galvanisch abgeschieden. Dadurch entsteht
eine mechanisch sehr stabile Form, die für die Abformung der Struktur genutzt wird.
Obwohl das LIGA-Verfahren schon lange in der Industrie erfolgreich verwendet wird, ist
36

Kapitel 5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen
es bis zum jetzigen Zeitpunkt ein aktuelles Thema in der Forschung. Ein Forschungsschwerpunkt
ist die Verbesserung des Verfahrens. Um dies zu erreichen werden beispielsweise
die Verwendung neuartiger Lacke, das Erreichen höherer Aspektverhältnisse oder besserer
Qualität an den Grenzflächen sowie die Entwicklung neuer Verfahren zur Reduktion der
Kosten untersucht [JCNG12, Law05, GLKT07].
Im Gegensatz zu anderen Verfahren ist der entscheidende Vorteil von LIGA das Erreichen
hoher Aspektverhältnisse. Lorenz et al. konnten ein Aspektverhältnis von 18 bei der
Herstellung von verschiedenen Zahnradformen erreichen [LDF + 98]. Dabei verwendeten
Sie den negativen Fotolack SU-8, der speziell für Anwendungen mit dicken Schichten und
hohem Aspektverhältnis entwickelt wurde. Schichtdicken bis zu 1200 µm konnten dabei
erzielt werden. Im Bereich des UV-LIGA steht SU-8 bis heute immer wieder im Fokus
der Forschungsarbeiten. Chang und Kim entwickelten ein neuartiges und kostengünstiges
Verfahren, um das SU-8 nach der Galvanoformung zu entfernen und Spannungseffekte bei
der Herstellung komplexer Strukturen zu reduzieren [CK00]. Ein Aspektverhältnis von
maximal 26 wurde dabei erreicht.
Lawes führte Berechnungen und Messungen zur Toleranzermittlung bezüglich der Beugung
am Maskenrand durch, um eine Prozessverbesserung zu erreichen [Law05]. Dabei wurde
auch die Absorption des Lacks in der Tiefe berücksichtigt, da die Strahlung das gesamte
Werkstück durchdringen muss.
Durch die Herstellung von Tunneln als Leitung für Elektronenstrahlen haben Joye et al.
die Präzision der Strukturen in SU-8 gezeigt [JCNG12]. Das UV-LIGA-Verfahren eignet sich
ebenfalls für Schichten von mehreren Millimetern Dicke. Hierbei konnte ein Aspektverhältnis
von 29 erreicht werden. Da hohe Aspektverhältnisse immer von einem kontrollierten und
optimal durchgeführten Entwicklungsvorgang abhängen, musste dieser Prozess von Cheng
et al. verbessert werden [CBYCC01].
Für Anwendungen mit höheren Aspektverhältnissen wird jedoch hauptsächlich die
Röntgenstrahllithographie verwendet. Schon Ballandras et al. konnten bei der Herstellung
von Mikrogreifern ein Aspektverhältnis von etwa 100 erreichen. Dabei nutzten sie als
Fotolack PMMA 1 [BBR + 97]. PMMA wurde bereits zur Herstellung von elektrostatischen
1 Polymethylmethacrylat
37

Kapitel 5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen
Mikroaktoren mit einem Aspektverhältnis von 50 verwendet [KTSS00]. Kupka et al., die LI-
GA für die Mikromechanik, die Mikrooptik, die Mikrohydrodynamik und die Mikrobiologie
einsetzten, erreichten das bisherige Maximum eines Aspektverhälntisses von 1000 [KBCM00].
Die Einschränkung bestand aber darin, dass es sich hierbei um Strukturen handelte, die von
ihrer Basis nach oben schmaler wurden. Bei der Berechnung des Aspektverhältnisses (AR)
musste daher der Steigungswinkel α = tan −1 ( 1 AR) ebenfalls betrachtet werden. Dabei
2
nutzten Sie die Röntgenstrahllithographie für eine hohe Präzision bei der Herstellung von
Strukturen. Weiterhin zeigten sie, dass auch mit UV-Lithographie hohe Aspektverhältnisse
möglich sind, die jedoch im direkten Vergleich eine geringere Präzision aufweisen. Sekundäre
Effekte wie das Auftreten von Sekundärelektronen oder der Fotofluoreszenz des Substrats
beeinflussen die Qualität der Strukturen bei der Röntgenstrahllithographie. Zu den limitierenden
Effekten zählen die Lackentwicklung, die mechanische Stabilität des Fotolacks
und die Adhäsion des Lacks auf dem Substrat, die trotz des hohen Aspektverhältnisses
auftreten. Daraus wird ersichtlich, dass es kaum noch Verbesserungsmöglichkeiten bezüglich
des Aspektverhältnisses gibt. Jedoch sind weitere Optimierungen, die sich auf den Herstellungsprozess
der Strukturen konzentrieren, in Forschung und Entwicklung notwendig.
Malek und Saile entwickelten ein für die Massenproduktion geeignetes Verfahren, das es
ermöglicht, gerade Strukturwände mit geringer Oberflächenrauheit von 10 nm zu produzieren
[MS04]. Nach Verbesserungen des Abformungsprozesses [GLKT07] sind bisher nicht
verwendete Materialien genutzt worden, um z. B. Gitter für eine Phasenkontrast-Bildgebung
herzustellen [MGK + 12]. Die Verwendung weiterer Materialien für das LIGA-Verfahren wie
PDMS ließen die Herstellung 300 µm dicker Zahnräder mit einem Aspektverhältnis von 15
zu [KPL + 02]. Weiterhin wurden auch andere Strahlungsarten als die bisher angewandten
erforscht. Gute Ergebnisse erzielte hierbei die Synchrotronstrahlung in Verbindung mit
an die Strahlung angepassten Lacken (vlg. Kap. 4.1) [Hir03]. Die in diesem Verfahren
hergestellten piezoelektrischen Keramiken, Polymerverbunde und optischen Schalter waren
qualitativ hochwertig und nach einigen Jahren konnte die Oberflächenrauheit bei einem
Mikrolinsen-Array auf 1 nm reduziert werden [KLBK + 06]. Allerdings ist der apparative
Aufwand zur Nutzung von Röntgen- und Synchrotronstrahlung sehr platzraubend und
kostenintensiv.
Die Multilevel-Vorgehensweise bietet eine weitere Herangehensweise an das LIGA-Verfahren.
38

Kapitel 5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen
Der Fotolack wird hierbei in mehreren dünnen Schichten aufgetragen. Die Belichtung findet
jeweils nach dem Auftragen einer Schicht statt [WDD + 09]. Dadurch ist es möglich stufenweise
Strukturen herzustellen, die mit den herkömmlichen Maskenbelichtungsverfahren
nicht möglich sind. Die Auflösung hängt dabei von der Schichtdicke ab. Eine große Herausforderung
bei diesem Verfahren ist das Fortführen der Struktur in der nächsten Schicht.
Nach aktuellem Stand der Technik wird eine Wiederholgenauigkeit von 1, 5 µm erreicht,
wodurch die Auflösung stark beschränkt ist. Ein weiterer Schritt für zukünftige Herstellungs-,
Variations- und Anwendungsmöglichkeiten von LIGA wurde durch die Integration von
Nano- und Mikrodrähten in metallische Mikrosysteme gemacht [GQD + 13].
Trotz all dieser Vielseitigkeit ist das LIGA-Verfahren in seiner Anwendbarkeit begrenzt.
Obwohl es möglich ist durch die Variation des Maskenabstands und das Kippen der Proben
relativ zum Laserstrahl den Winkel der Strukturseitenwände bezogen auf das Basissubstrat
zu variieren, gibt es dennoch Einschränkungen die Art der Strukturen betreffend.
So sind flache Winkel von unter 40 ◦ und Kegel bisher nicht möglich herzustellen. Zum
Erreichen eines größeren Schrägungswinkels der Wand müsste die Strahlungsquelle in einem
entsprechenden Einfallswinkel strahlen. Die Fertigung zweier gegenüberliegender Wände
mit entgegengesetzten Steigungen und Sonderformen, wie beispielsweise schrägverzahnten
Zahnrädern, ist unter den bisher beschriebenen Bedingungen nicht möglich.
Die in der vorliegenden Forschungsarbeit hergestellten Strukturen werden für die Bewertung
des Verfahrens mit Hilfe eines Elastomers abgeformt. Dieser Vorgang ist erforderlich,
um die 2PA in Kombination mit LIGA im Bezug auf die Fertigung der genannten Sonderformen
als mögliches Fertigungsverfahren zu bestätigen. Im Gegensatz zu der allgemein
in der Industrie durchgeführten Abformung mit metallischen Legierungen, die für den
Abscheidungsprozess die Verwendung eines Elektrolyt erfordert, bietet die Anwendung eines
Elastomers entscheidende Vorteile:
• schnelle Verfügbarkeit des Elastomers
• unkomplizierte Handhabung des Elastomers
• keine Beeinflussung der Strukturqualität durch Abformung mittels eines Elastomers
• Anwendung eines Elektrolyts entfällt
39

Kapitel 5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen
Der Prozess wird durch das Fehlen eines Elektrolyts entscheidend vereinfacht, da dieses
giftige Bestandteile wie beispielsweise Borsäure enthält. Prozessabläufe unter Anwendung
eines Elektrolyts unterliegen deswegen besonderen Sicherheitsbestimmungen.
5.2. Verarbeitung des Elastomers
Eine detailgetreue Abformung durch das Elastomer Sylgard 184 der Firma Dow Corning
erfordert die Einhaltung wichtiger Parameter bei den Verarbeitungsschritten. Da es sich um
ein zwei-Komponenten-Elastomer handelt, ist unter anderem das Mischungsverhältnis dieser
beiden Anteile von entscheidender Bedeutung. Ebenfalls nimmt die Zeit zum Entgasen des
Gemisches Einfluss auf die Qualität der abgeformten Struktur. Nicht nur die Trocknungszeit
sondern auch die Art und Weise des Trocknungsvorganges ist ein qualitätsbeeinflussender
Parameter. Eine Übersicht über die Verarbeitungsschritte des Elastomers gibt Tabelle 5.1.
Die Beschreibung und Erläuterung der einzelnen Schritte erfolgt anschließend.
Tabelle 5.1.: Verarbeitungsschritte des Elastomers
Arbeitsschritt Bezeichnung Dauer Parameter
1 Mischen der Komponenten 10min Verhältnis 9:1
2 Entgasen in Vakuumkammer ∼ 20min bis blasenfrei
3 Gießvorgang
4 Entgasen der Proben ∼ 15min
5 Backen 5 − 6Std. ∼ 80 ◦ C
6 Abkühlen ∼ 10min Raumtemperatur
7 Enfernen des Elastomers
Schritt 1: Mischen der Komponenten
Beim Mischen der zwei Komponenten ist es wichtig das richtige Mischungsverhältnis zu
wählen. Um eine homogene Vermischung der Komponenten zu gewährleisten muss das
Gemisch mit einem Stab mindestens 10 Minuten von Hand verrührt werden. Das vom
Hersteller vorgegebene Mischungsverhältnis von 10:1, bei dem 10 Teile Sylgard 184 Base mit
einem Teil Sylgard 184 Curing Agent vermischt werden, stellte sich als ungeeignet für die
40

Kapitel 5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen
Versuchsreihen heraus. Nach dem Trocknungsvorgangs war die Oberfläche des Endproduktes
nicht ausgehärtet und sogar klebrig. Mehrere Versuchsreihen zeigten, dass das optimale
Mischungsverhältnis bei 9:1 liegt. Wird der Anteil des Curing Agents hingegen zu hoch
gewählt, sinkt die Viskosität. Mit fallender Viskosität können auf dem positiven Fotolack nur
noch sehr dünne Schichten erzeugt werden, da die Fließfähigkeit des Elastomers zunimmt.
Zwar härten diese Schichten sehr gut aus, allerdings führt die mangelnde Dicke und die
damit einhergehende Abnahme der Stabilität zu Schwierigkeiten bei der Entfernung des
Elastomers vom Deckglas.
Schritt 2: Entgasen in Vakuumglocke
Bedingt durch den langen Mischvorgang gelangt eine sehr große Menge Luft in das Gemisch
hinein, wodurch sich Luftblasen im flüssigen Elastomergemisch ausbilden. Diese Blasen
beeinflussen die Qualität der Strukturabformung negativ und müssen vorab aus dem
Gemisch entfernt werden. Hierzu wird die Mischung in eine Vakuumkammer gestellt. Eine
Verweildauer von ungefähr 20 Minuten ist ausreichend, sodass keine sichtbaren Blasen mehr
im flüssigen Elastomer vorhanden sind.
Schritt 3: Gießvorgang
Um den Abdruck der mittels 2PA im positiven Fotolack gefertigten Struktur zu erhalten
wird das entgaste Gemisch zu Beginn des Gießvorgangs über diese gegossen. Damit ein
leichtes Entformen nach der Trocknung des Elastomers vom Fotolack erfolgen kann, ist es
in diesem Prozessschritt vorteilhaft die Mischung großflächig aufzutragen.
Schritt 4: Entgasen der Proben
Obwohl das Elastomer bereits in der Vakuumkammer entgast wurde, ist eine erneute
Wiederholung dieses Schrittes nach dem Begießen der Proben unumgänglich. Während des
Gießvorgangs kommt es zu Lufteinschlüssen zwischen der Struktur und dem Elastomer,
bedingt durch die geringe Größe der Strukturen und das dicht schließende Elastomer
darüber, sind diese nicht zu vermeiden. Um die Qualität der Strukturabdrücke nicht zu
beeinflussen, werden die Proben für eine Dauer von etwa 15 Minuten in der Vakuumkammer
platziert, sodass die Einschlüsse entweichen.
41

Kapitel 5. LIGA als Grundlage zur Entwicklung komplexer Strukturen
Schritt 5: Backen
Theoretisch ist ein Trocknen über mehrere Tage bei einer Raumtemperatur ≥ 25 ◦ C möglich.
Bei geringeren Temperaturen härtet das Material jedoch nicht vollständig aus und eine
klebrige Oberfläche bleibt zurück. Das Aushärten der Proben wird durch die Verwendung
eines Backofens stark beschleunigt und erhöht die Qualität des Endproduktes. Die Backtemperatur
liegt für diese Versuche bei 80 ◦ C und die Backzeit beträgt 5 − 6 Stunden bis zur
vollständigen Aushärtung. Ein Überschreiten der Backzeit hat keinen weiteren Einfluss auf
die Proben. Allerdings führen zu hohe Backtemperaturen zu einer Verformung des Fotolacks
[Glo11].
Schritt 6: Abkühlen
Im Anschluss an den Backvorgang muss die Probe zur weiteren Verarbeitung abkühlen.
Dieser Prozess erfolgt bei Raumtemperatur und nimmt nur wenige Minuten in Anspruch.
Direkt nachdem die Probe ausgekühlt ist, ist ein zerstörungsfreies Berühren möglich.
Schritt 7: Entfernen des Elastomers
Das Entfernen des Elastomers sollte vorsichtig und sehr langsam erfolgen um ein Abreißen
der Elastomerstrukturen im positiven Fotolack zu verhindern. Weiterhin ist zu beachten,
dass das Elastomer schon unter optimalen Bedingungen sehr gut am Deckglas haftet,
wodurch eine Rissbildung im Elastomer bei der Entfernung herbeigeführt werden kann.
Die Risses können bis zur Zerstörung des Abgusses führen. Besonders im Fall von falschen
Mischungsverhältnissen des Zwei-Komponenten Elastomers, die einen zu hohen Anteil des
Curing Agents enthalten, ist ein Abreißen der Schicht beim Ablösevorgang wahrscheinlich.
42

Kapitel 6.
Technische Aufbauten zur Erzeugung
und Charakterisierung von Laserpulsen
6.1. Versuchsaufbau
In Abbildung 6.1 ist der Versuchsaufbau zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen in
positivem Fotolack dargestellt. Eine λ/2-Wellenplatte (2) zur Drehung der Polarisationsrichtung
kombiniert mit einem polarisierenden Strahlteilerwürfel (3) regelt die Leistung des
Femtosekundenoszillators (1). Eine Strahlfalle blockiert den horizontalen Anteil des Laserstrahls,
der den Strahlteilerwürfel passiert. Lediglich der vertikale Anteil wird reflektiert
und steht zur Verarbeitung des Fotolacks zur Verfügung. Die rechnergestützte Steuerung
der Laserleistung findet über einen Schrittmotor 1 mit zugehöriger Software statt. Durch
diesen kann die λ/2-Wellenplatte gedreht werden.
Zur Messung der Pulsdauer wird ein Autokorrelator 2 (4) verwendet. Hierfür werden etwa
8 % der Laserleistung durch einen Strahlteiler ausgekoppelt und in den Autokorrelator
geleitet. Um eine möglichst genaue Leistungsregelung durchzuführen wird eine Diode 3
(5) eingesetzt. Diese nimmt die mittlere Leistung des Laserstrahls auf und sendet das
Signal an einen Rechner. Die Steig- und Fallzeit der Diode beträgt 30 ns. Damit ist sie zu
langsam, um sich zwischen den Laserpulsen vollständig zu entladen. Deswegen liefert sie
1 Linos, Göttingen
2 Pulse Scope, APE, Berlin
3 Silicon PIN Detector 818-BB-40, Newport, Irvine
43

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
1
2 3
4
9
8
5
6
z
y
x
10
7
Öl
Objektiv
150 µm Deckglas
Fotolack
Abbildung 6.1.: Versuchsaufbau Versuchsaufbau für die Herstellung von 3D -
Nanostrukturen in positivem Fotolack. 1: Femtosekunden-Laser, 2: λ/2-
Wellenplatte, 3: Polarisierender Strahlteilerwürfel, 4: Autokorrelator, 5: Diode
zur Leistungsmessung, 6: Akusto-Optischer Modulator, 7: Strahlaufweiter,
8: CCD-Kamera, 9: Galvanoscanner, 10: Objektiv
ein fast konstantes Spannungssignal, das im Anschluss von einer PCI-Karte verarbeitet
wird. Ein weiterer Strahlteiler koppelt 4 % der Leistung des Laserstrahls aus und leitet
den geringeren Anteil zur Diode. Um eine zuverlässige Leistungsmessung zu gewährleisten
muss die Diode vor jeder Versuchsreihe kalibriert werden. Dafür werden fünf Messwerte
mit einem Leistungsmessgerät direkt vor dem Strahlaufweiter (7) aufgenommen. Diese fünf
Messwerte werden softwareseitig den internen Messwerten der Diode zugeordnet. Daraus
wird eine Regressionsgrade berechnet. Eine Messung im linearen Bereich der Diode ist in
allen Fällen gewährleistet.
Als schneller Shutter dient eine Kombination aus einem AOM 4 (6) und einer Aper-
4 Akusto-Optischer Modulator, AA Optoelektronic, Orsay
44

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
tur. Sobald der Shutter geöffnet ist, werden die Strahlen erster und höherer Ordnungen
in einen Strahlaufweiter (7) geführt, während der Strahl nullter Ordnung weiterhin auf
einen Beamblocker trifft. Der AOM wird dabei über ein TTL 5 -Signal der Steuerkarte des
Galavanoscanners 6 (9) angesteuert.
Zur Prozessbeobachtung wird eine CCD 7 -Kamera 8 (8) genutzt. Diese wird vor dem
Galvanoscanner im Versuchsaufbau integriert und so ausgerichtet, dass sie dem Laserstrahl
folgend ein Bild der Probe aufnimmt. Der Spiegel, durch den das Bild aufgenommen wird,
reflektiert Wellenlängen im Bereich von 750 nm bis 850 nm und ist für andere Wellenlängen
durchlässig.
Der Galvanoscanner lenkt den Laserstrahl in ein Objektiv 9 . Durch dieses Objektiv wird
der Laserstrahl auf die Probe fokussiert. Um Strukturen auf der Probe zu schreiben, kann
einerseits der Galvanoscanner zum Einsatz kommen. In diesem Fall ist die Probe ortsfest
und der Fokus des Laserstrahls wird bewegt. Andererseits erfolgt mittels des mechanischen
Achssystems 10 eine Bewegung der Probe. Hierbei sind die Scannerspiegel festgestellt und
der Fokus des Laserstrahls ist ortsfest.
Die Messung der mittleren Leistung erfolgt vor dem Strahlaufweiter. Um die tatsächliche
mittlere Leistung im Fokus des Laserstrahls zu bestimmen, die abweichend von der gemessenen
ist, müssen die Reflexionen an den Grenzflächen der Spiegel und Linsen betrachtet
werden. Für den Strahlaufweiter ist ein Transmissionsgrad von 0,995 für jede Grenzfläche
angegeben. Der Transmissionsfaktor für die Planspiegel für Ti:Saphir Laser wird wie der
der beiden Scannerspiegel mit >0,99 angegeben. Laut Herstellerangaben ist der Transmissionsfaktor
für das Nikon Objektiv bei einer Wellenlänge von 780 nm mit 0,68 angegeben
(siehe Abb. 6.2). Damit berechnet sich der Transmissionsgrad des Aufbaus ab dem Strahlaufweiter
unter Einbeziehung der vier verwendeten Umlenkspiegel, zwei stationäre und zwei
im Galvanoscanner, der vier Grenzflächen des Stahlaufweiters und des Mikroskopobjektivs
auf 0,64.
5 Transistor-Transistor-Logik
6 hurryScan II 14, Scanlab, Puchheim
7 charge-coupled device
8 USB 2 µEye LE, IDS-Imaging, Obersulm
9 Plan Apo 100x, NA 1,4 Oil, Nikon
10 ANT130-110-XY und WaverMax Z, beides Aerotech
45

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
90
Transmission [%]
80
70
60
50
40
650 700 750 800 850 900 950
Wellenlänge [nm]
Abbildung 6.2.: Transmissionskurve des Objektivs Darstellung der Transmissionskurve
des Nikon Objektivs Plan Apo 100x, NA 1,4 aus den vom Hersteller zur
Verfügung gestellten Daten. Das Laserlicht, das das Objektiv passiert, hat
eine Wellenlänge von 780 nm (rot). An dieser Stelle ist die Transmission
0,68 (grün).
6.2. Der Laseroszillator
6.2.1. Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen
Für den einfachsten Fall zur Erzeugung eines Laserstrahls wird ein klassischer Laser mit
zwei Spiegeln des Abstands L zueinander angenommen. Zwischen den Spiegeln befindet
sich ein Medium und weitere Komponenten wie Spiegel und Linsen. Handelt es sich dabei
um einen cw-Laser, ergibt sich das entstehende elektrische Feld E(t) zu
E(t) =
M−1 ∑
m=0
E m sin[2π(ν 0 + n∆ν)t + φ m (t)], (6.1)
wobei M die Gesamtzahl der angeschwungenen Moden und φ m (t) die Phase der mten
Mode ist. ν 0 ist die niedrigste Frequenz der angeschwungenen Moden [Trä07, KS99]. Unter
diesen allgemeinen Bedingungen mit zufälligen Phasen lassen sich allerdings keine Pulse
erzeugen.
46

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Die Methode, die beim Lasersystem Tsunami dazu verwendet wird die relativen Phasen
zwischen den einzelnen Moden in eine feste Beziehung zu setzen, ist die sogenannte Modenkopplung.
Zur Vereinfachung für die weiteren Betrachtungen werden alle Amplituden der
einzelnen Moden zu E 0 gesetzt. Um das resultierende elektrische Feld zu berechnen, wird
den Phasen φ m (t) → φ m der Wert Null zugewiesen [Trä07]. Dementsprechend ergibt sich
das gesamte elektrische Feld zu
[ (
E(t) = E 0 sin 2π ν 0 + M − 1 ) ] sin(Mπ∆νt)
∆ν t
2 sin(π∆νt) . (6.2)
Das resultierende elektrische Feld schwingt mit einer Frequenz ν 0 + M−1 ∆ν und weist
2
eine Einhüllende der Frequenz ∣ sin(Mπ∆νt)
∣ ∣ auf, die mit ∆ν oszilliert.
sin(π∆νt)
Die Laserleistung P(t) ist proportional zum Quadrat des gesamten elektrischen Feldes.
Somit führt die Summation über alle Frequenzen zu einer Gesamtleistung von
[ ] 2
sin(Mπ∆νt)
P (t) = P 0 (6.3)
sin(π∆νt)
mit P 0 als durchschnittliche Leistung einer Welle. Die mittlere Leistung entspricht der
eines nicht modengekoppelten Lasers und ist ¯P = MP 0 .
Aus Gleichung 6.3 geht die Pulsdauer ∆t hervor:
∆t = 1 M T U = 1 2L
M c
(6.4)
Durch die Erhöhung der gekoppelten Moden erhöht sich die Pulsleistung quadratisch,
wohingegen die Pulsdauer linear reduziert wird. Abbildung 6.3 zeigt die Leistung im Falle
von 200 überlagerten Moden im ungekoppelten Zustand (oben) sowie im gekoppelten Fall
(unten). Die Anzahl der anschwingenden Moden wird durch die laserfähige Breite ∆ω L des
Mediums begrenzt. Nur in diesem Bereich können Moden angeregt werden. Im Grenzfall
ist die Breite ∆ω L ungefähr gleich der Bandbreite ∆ω 0 des Laserübergangs. Damit ist die
minimale Pulsdauer gegeben durch die Formel
∆τ min ≈ 2π
∆ω 0
. (6.5)
Eine größere Bandbreite des Laserübergangs resultiert damit in mehr Moden und folglich
47

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Abbildung 6.3.: Überlagerung von 200 Moden Die Abbildung zeigt die Intensitätsverläufe
für den Fall von 200 Moden. Bei nicht gekoppelten Moden und
zufälligen Phasen ergibt sich ein stetes Rauschen (oben), das bei gekoppelten
Moden nicht vorhanden ist (unten).
in kürzeren Pulsen [Kry01].
Auch wenn für verschiedene als Lasermedien geeignete Kristalle Bandbreiten von teilweise
über 400 nm angegeben werden, gibt es optimale Nutzungsbereiche. Abbildung 6.4
zeigt beispielhaft Fluoreszenzemissionsspektren, wie sie bei Kristallen auftreten, die in
Festkörperlasern zur Erzeugung von Femtosekundenlasern verwendet werden. Der Hauptemissionsbereich
eines Titan-Saphir Kristalls liegt im Wellenlängenbereich von 750-850 nm.
In den anschließenden Wellenlängenbereichen reicht oftmals die Intensität nicht mehr aus
um stabil Femtosekundenlaserpulse zu erzeugen.
Um eine Modenkopplung zu realisieren gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: die aktive
und die passive Modenkopplung. Bei der aktiven Modenkopplung wird der Laser durch eine
externe Quelle gesteuert, wobei hier zwischen Modenkopplung durch Amplitudenmodulation
48

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Abbildung 6.4.: Fluoreszenzemmissionsspektren von Kristallen Emissionsspektren
von Kristallen, wie sie in Lasersystemen zur Generierung von Femtosekundenlaserpulsen
Anwendung finden. [Kry01]
und durch Frequenzmodulation unterschieden wird. Bei passiver Modenkopplung werden
hauptsächlich zwei verschiedene Ausführungen genutzt [Trä07]. In der ersten Variante wird
ein schnell sättigender Absorber verwendet, bei dem die Sättigungseigenschaften eines
absorbierenden Materials, wie z. B. eines Farbstoffs, ausgenutzt werden. Die zweite Variante
generiert die Modenkopplung mithilfe einer Kerrlinse, der sogenannten KLM 11 [KS99]. Für
Feststoffkörperlaser wird in den meisten Fällen letztere verwendet.
Bei der KLM wird ein nichtlineares Kerrmedium vor einer Lochblende platziert. In
Abbildung 6.5 ist der schematische Aufbau einer solchen Linse dargestellt. Das Kerrmedium
zeigt einen intensitätsabhängigen Brechungsindex [Trä07, Fre96]
n = n 0 + n 2 I (6.6)
n 0 ist dabei der lineare Brechungsindex des Mediums und I die lokale Intensität des
Laserlichts. Da es sich hier um ein selbstfokussierendes Medium handelt, ist n 2 ein positiver
11 Kerr-lens mode-locking (Kerr-Linsen-Modenkopplung)
49

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
−16 cm2
Koeffizient [Trä07], der von der Größe der Nichtlinearität abhängig ist (n 2 ≃ 3, 45 · 10
W
für Saphir). Ein Lichtstrahl mit einer Gauß’schen Intensitätsverteilung bewirkt, dass der
Brechungsindex des Mediums nicht an jeder Stelle gleich ist, sondern mit steigender Intensität
des Strahls zunimmt. Das bedeutet, dass es eine transversale Phasenverschiebung gibt, die
mit folgender Formel zu berechnen ist:
δφ = 2πn 2lI(r)
λ
= 2πn 2l
λ I pe −2( r w) 2 . (6.7)
l ist die Länge des Mediums (vgl. Abb. 6.5) und I(r) die vom Radius abhängige Intensität.
Für den Fall n > 2 liegt eine positive Linse, die Kerrlinse genannt wird, vor. Der Vergleich
der Phasenverschiebung einer Kerrlinse der Länge l mit der einer plankonvexen Linse führt
zu einem Brechwert [Trä07]
mit w als Radius des Laserstrahls.
1
f = 4n 2lI p
n 0 w 2 (6.8)
Abbildung 6.5.: Schematischer Aufbau einer Kerrlinse für die Modenkopplung
Nach dem Kerrmedium wird eine Apertur platziert, die Teile des Laserstrahls
mit niedriger Intensität blockt. Steigt die Intensität an, wird der Strahl
durch die Apertur geleitet. z ist die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls,
w der Radius und l die Dicke des Kerrmediums.
Für das Modenkoppeln wird nun eine Apertur in geeignetem Abstand vor dem Kerrmedi-
50

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
um platziert [Fre96, Ipp94, Trä07], sodass der Strahl bei niedrigen Intensitäten weitestgehend
geblockt wird. Die fehlende Intensität des geblockten Strahls führt zu Verlusten im Resonator.
Erst mit zunehmender Intensität der Laserpulse sinken die Verluste durch eine stärkere
Fokussierung des Laserstrahls (Abb. 6.5).
6.2.2. Ti:Saphir Laser
Aufgrund seines nutzbaren Emissionsspektrums von über 200 nm Breite ist der Ti:Saphir-
Oszillator der am weitesten verbreitete Ultrakurzpulslaser [Bäu11, PYL09]. Mit diesem
Laser ist es möglich Wellenlängen unter 800 nm zu generieren. Dadurch bedingt passt
dieser gut zu den Anforderungen des Zwei-Photonen-Absorptions-Prozesses in positiven
Fotolacken, da die Absorptionswellenlänge λ für die hier verwendeten Fotolacke unter
400 nm liegt.
Für die Versuchsreihen der hier vorliegenden Forschungsaufgabe, die auf der Zwei-
Photonen Absorption beruhen, wird das Lasersystem Tsunami 12 verwendet. Dieses wird
durch einen Nd : Y V O 4 -Laser 13,14 mit 532 nm Wellenlänge gepumpt, da der Absorptionsbereich
des Ti:Saphir Kristalls im Bereich zwischen 400 bis 600 nm liegt. Abb. 6.6 zeigt
den schematischen Aufbau des Tsunami mit einer Set-Up Variante des Ti:Saphir Lasers
[XTP + 97, BDIM98]. Die Leistung des Pumplasers muss deutlich größer als die Verluste,
die im Tsunami auftreten, gewählt werden. Diese werden durch Spiegelbeschichtungen
und polierte Oberflächen und durch den Ti:Saphir-Kristall selber verursacht, bei dem die
Verluste proportional zu Kristalllänge sind.
Dieses System ist durch Modifikationen im Pico- und Femtosekundenbetrieb nutzbar. Für
die Zwei-Photonen Prozesse wird dieser im Femtosekundenbetrieb verwendet. Dann können
Pulse im Bereich von 40-120 fs durch passive Modenkopplung und Selbstfokussierung durch
die Kerrlinse erzeugt werden. Mittels eines im Brewsterwinkel eingebauten AOMs wird der
Prozess durch aktive Modenkopplung gestartet. Während es bei üblichen Systemen mit
passiver Modenkopplung zu Pulsaussetzern und Ausfällen kommt, sorgt der AOM dafür,
dass der Oszillator über einen ausgedehnten Zeitraum fehlerfrei arbeitet. Die Wiederholrate
12 Mode-locked Ti:Sapphire Laser, Spectra-Physics, Santa Clara
13 Neodym-dotierter Yttrium-Vanadat-Laser
14 Millennia, Spectra-Physics, Santa Clara
51

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Abbildung 6.6.: Vereinfachte Darstellung des Ti:Saphir Lasers Layout eines typischen
Ti:Saphir Laseroszillators. M 1 , M 6 −M 10 : Spiegel, M 2 −M 4 : Konvexe
Spiegel zur Fokussierung in den Ti:Saphir Kristall, P r 1 − P r 4 : Prismen zur
Wellenlängenselektion und Pulsweitenregulierung, M 11 : Auskoppelspiegel.
liegt bei konstanten 82 MHz und die durchschnittliche Laserleistung beträgt bei 6 W
Pumpleistung etwa 550 mW. Die Pulsdauer lässt sich durch die simultane Höhenverstellung
der Prismen P r 2 und P r 3 variieren und wurde zu 70 fs gewählt. Gleichzeitig ist es möglich
die Mittenwellenlänge mittels des Spalts zwischen den genannten Prismen von 710 nm bis
etwa 870 nm zu verschieben.
6.3. Pulsverlängerung am Mikroskopobjektiv
Der Laserstrahl wird durch ein aus mehreren Linsen zusammengesetztes Objektiv fokussiert.
Herstellerseitig werden keine Angaben zu dem Aufbau des Linsensystems publiziert.
Der Einfluss von Linsen oder Objektiven auf die Pulsdauer des Laserpulses und die räumliche
und zeitliche Intensitätsverteilung im Laserfokus wurde von verschiedenen Forschergruppen
untersucht [FO92, HB93]. Durch Linsen wird ein Intensitätsabfall hervorgerufen, der von
Horvath und Bor für eine Linse festgestellt und mathematisch beschrieben werden konnte
52

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
[HB94]. Auch im vorliegenden Fall ist ein solcher Intensitätsabfall im Objektiv des Versuchsaufbaus
vorhanden. Eine genaue Verifizierung und Berechnung ist durch die ungenaue
Kenntnis über die Art und Anzahl der Linsen im Objektiv nicht möglich. An dem Beispiel
einer einzelnen Linse wird nachfolgend ein kurzer Überblick über die möglichen Einflüsse
des Mikroskopobjektivs auf die Pulsdauer gegeben.
Der von Kempe und Rudolph vorgestellte und für einzelne Linsen gültige Parameterraum
kann nicht für das verwendete Mikroskopobjektiv übernommen werden, da dieses nicht für
den Pulsbetrieb ausgelegt ist [KR93]. In diesem Parameterraum ist die sphärische Aberration
stärker ausgeprägt als die chromatische Aberration. Die vom Objektiv verursachte
Pulsverbreiterung wird überwiegend durch die chromatische Abberation verursacht. Die
Abhängigkeit der Pulsverbreiterung vom Laufzeitunterschied der achsnahen Anteile zu den
achsfernen wird von Kempe und Rudolph angegeben mit [KR93]:
∆τ tot =
r 2 (
λ 0 dn
2f(n − 1)c dλ (λ 0) 1 − 9f(n − 1)λ 0
2cr 2 τ dn(λ
dλ 0) − 3λ )
0
. (6.9)
2cτ
Dabei ist r die Entfernung des Strahls von der Achse, λ 0 die Mittenwellenlänge, f gibt
die Brennweite der einzelnen Linse an und n ist der Brechungsindex des Materials, aus dem
die Linse gefertigt ist. c ist die Lichtgeschwindigkeit im Material und τ ist die Pulsdauer
des Laserpulses.
Die Pulsverbreiterung durch die sogenannte GVD 15 lässt sich nach Bor [Bor88] durch
∆τ GVD = λ 0
c
d 2 n
L∆λ (6.10)
dλ2 bestimmen. λ 0 ist die zentrale Wellenlänge, c die Lichtgeschwindigkeit im Medium, n
der Brechungsindex des Mediums und ∆λ die Bandbreite des Laserpulses. Der Lichtweg
des Laserstrahls im Medium wird durch die Länge L angegeben, die stark von den
Krümmungsradien der Linse und den Abstand des Strahls zu Mittelachse abhängt. Daraus
folgt für die Pulsverbreiterung durch die GVD:
∆τ GVD = λ 0
c
r 2 0 − r 2
2
( 1
− 1 ) d 2 n
∆λ. (6.11)
R 1 R 2 dλ2 15 group velocity dispersion, Gruppengeschwindigkeitsdispersion
53

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Der Radius r 0 gibt den Abstand von der Achse der Linse zum Rand an, der Radius
r bezeichnet den Abstand des Strahls von der optischen Achse. Der Krümmungsradius
der Linse auf der Seite des eintretenden Laserstrahls ist R 1 . Entsprechend bezeichnet
R 2 den Radius auf der gegenüberliegenden Austrittsseite des Laserstrahls. Die gesamte
Pulsverbreiterung in der Fokusebene kann durch
∆τ ges = |∆τ tot | + |∆τ GVD | (6.12)
berechnet werden.
Diese Effekte haben Einfluss auf die Intensitätsverteilung im Fokus der Linse, die in Kapitel
3.2 als Airy-Scheibe angenommen wurde. Dabei handelt es sich um eine Vereinfachung der
Verteilung. Eine genauere Berachtung der Intensitätsverteilung im Fokus zeigt, dass die
Verteilung durch die Linse beeinflusst wird und somit von der einer Airy-Scheibe abweicht
[BH92].
6.4. Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse
Bei der Herstellung von Strukturen der Größenordnung im Bereich weniger 100 nm haben
kleine Veränderungen bei der Pulsdauer, Pulsintensität und Mittenwellenlänge großen
Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse. Deswegen ist die Kenntnis über die Eigenschaften
der Laserpulse von großer Bedeutung. Femtosekundenpulse sind sehr kurze Signale, bei
denen direkte Messungen der Pulsdauern nicht möglich sind. Jedoch gibt es zur Messung
der Dauer von Femtosekundenpulsen zwei indirekte Möglichkeiten. Zum einen kann ein
Autokorrelator verwendet werden, wie er in Kapitel 6.4.1 beschrieben ist. Zum anderen ist
die Messung der Bandbreite der Laserpulse mittels eines Spektrometers möglich (vgl. Kap.
6.4.2). In diesem Fall ist eine Phasenbeziehung aller Phasen zueinander erforderlich, wie es
bei der Modenkopplung der Fall ist.
6.4.1. Messung der Pulsdauer mittels Autokorrelator
Um ultrakurze Laserpulse zu messen, wurde wenige Jahre nach der Entwicklung des
Lasers ein Autokorrelator entwickelt [Web67]. Dieser beruht, wie auch der für diesen
54

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Aufbau verwendete Autokorrelator, auf dem Prinzip eines Michelson-Interferometers. Für
Laserpulse in der Größenordnung von 100 fs und weniger hat sich dieses Prinzip als
Messmethode allgemein durchgesetzt [KCM81, WSIY87, WSIY89]. Bei diesem Verfahren
wird die Pulsdauer durch die Vermessung der Autokorrelationsfunktion bestimmt.
Die Intensitätsautokorrelationsfunktion S intAC ist ein Integral über eine Pulsintensität
I(t) die mit einem zeitverzögerten Intensitätssignal I(t + τ) desselben Pulses multipliziert
wird [Trä07]
S intAC (τ) =
∫∞
−∞
Der zweite Puls wird mit der Zeit τ verzögert.
I(t)I(t + τ)dt. (6.13)
Abbildung 6.7.: Prinzipieller Aufbau des Autokorrelators Der Laserstrahl trifft auf
einen Strahlteiler. 50 % des Laserstrahls werden auf einen feststehenden
Retroreflektor abgelenkt, während die anderen 50 % auf einen beweglichen
Retroreflektor treffen. Beide Teilstrahlen erreichen eine Linse und werden
durch diese in einen Kristall fokussiert, dessen Winkel sich durch
einen Stellmotor ändern lässt. Nach dem Passieren einer Apertur wird der
resultierende Strahl detektiert.
Im Gegensatz zu einem kollinearen Autokorrelator, wie er von Weber im Jahre 1967
55

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
und Kurobori et al. 1981 vorgestellt wurde [Web67, KCM81] und dessen durchschnittliche
SNR 16 bei 3:1 liegt, hat der in dieser Arbeit verwendete Autokorrelator 17 einen
nicht-kollinearen Aufbau [WSIY87]. Abbildung 6.7 zeigt den schematischen Aufbau des
Autokorrelators. Dieses Messverfahren wird aufgrund seines geringen SNR background free
intensity autocorrelation genannt.
Der Laserstrahl wird durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen gleicher Intensität
aufgeteilt. Der erste wird durch einen feststehenden Retroreflektor reflektiert und passiert
erneut den Strahlteiler, bevor er auf eine bikonvexe Linse trifft. Der zweite Teilstrahl trifft
auf einen beweglichen Retroreflektor, durch den eine definierte Zeitverzögerung stattfindet.
Dieser Teilstrahl wird von dem Strahlteiler reflektiert und trifft auf dieselbe Linse. Durch
die Linse werden die beiden Teilstrahlen in einem Winkel in einen SHG 18 -Kristall fokussiert,
durch den die zweite Harmonische mit λ = 390 nm generiert wird. Diese wird als Zeitfunktion
von einer Diode detektiert, deren Signal von einem Oszilloskop angezeigt wird. Für die
Messung von 100 fs-Pulsen sollte der BBO-Kristall nicht dicker als ≈ 100 nm sein. Zur
Justage ist es möglich, den feststehenden Reflektor mittels einer Mikrometerschraube in
seiner Position zu verändern.
Tabelle 6.1.: Verhältnisse zwischen der Intensitätsautokorrelation ∆t intAC zur realen Pulsdauer
∆t nach [Trä07]. Die angegebenen Werte werden als Korrekturfaktoren
bei der Ermittlung der realen Pulsdauer eingerechnet.
Pulsform
∆t intAC /∆t
Gauß 1,414
Hyperbolischer Sechant 1,543
Lorentz 1,000
Square 1,000
Symmetrisch Exponentiell 2,000
Einseitig Exponentiell 2,421
Das Maximum der gemessenen Funktion sin(t AC (τ)) auf dem Detektor liegt bei τ = 0.
Zusätzlich ist es breiter als die reale Pulsdauer bei FWHM 19 . Das Verhältnis zwischen
16 signal to noise ratio
17 PulseCheck, APE, Plauener Str. 163-165, 13053 Berlin, Germany
18 second harmonic generator, hier: BBO, Barium Borate
19 Die Bandbreite wird allgemein dargestellt durch die ”full width at half maximum”(FWHM). Dies
bedeutet, dass der Abstand zwischen den Flanken des Signals auf Höhe des halben Maximums gemessen
56

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
der FWHM der Intensitätsautokorrelation ∆t intAC zur realen Pulsdauer ∆t ist in einer
Übersicht in Tabelle 6.1 zusammengestellt. Um den richtigen Korrekturfaktor zu wählen ist
die Kenntnis der Pulsform des Signals notwendig.
6.4.2. Messung der Pulsdauer mittels Spektrometer
Eine weitere indirekte Möglichkeit zur Bestimmung der Pulsdauer ist die Aufnahme des
Spektrums mittels eines Spektrometers 20 . Der zeitliche Verlauf des Signals resultiert aus
der Anwendung der Fourier-Transformation auf das aufgenommene Spektrum. Aus dem
zeitlichen Verlauf ist die Bestimmung der Pulsdauer möglich (vgl. Abb. 6.8).
Abbildung 6.8.: Spektrum des Ti:Saphier Lasers Das aufgenommene Spektrum des
genutzten Ti:Saphir-Lasers zeigt ein Maximum bei einer Wellenlänge von
780,3 nm und eine Bandbreite von ungefähr 13,6 nm (A). Die durch das
Diagramm in Abbildung (B) ermittelte Pulsdauer ergibt einen Wert von
unter 50 fs (modifiziert aus [Spe95]).
Der zeitliche Verlauf des Signals lässt sich durch
f(t) = 1
2π
∫ ∞
−∞
F (ω)e jωt dω (6.14)
aus dem Frequenzbereich berechnen, der durch die Messung mit dem Spektrometer und
wird.
20 USB2000+, Ocean Optics, FL, USA
57

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
der Umrechnung f = c/λ gegeben ist. Mithilfe des Integrals
F (ω) =
∫∞
−∞
f(t)e −jωt dt (6.15)
ist die Rücktransformation in den Frequenzbereich möglich, wobei der Zusammenhang
zwischen den beiden Bereichen durch
dargestellt werden kann.
f(t) ❞ F (ω) (6.16)
6.4.3. Pulsenergie
Die Pulsenergien der Laserpulse werden indirekt gemessen. Dazu wird ein Leistungsmessgerät
des Typs Coherent FieldMate genutzt (siehe Anhang A.2), das einen optischen
Messbereich zwischen 1 nW bis 99,9 mW und einen thermischen Messbereich von 0,01 mW
bis 29,9 kW aufweist. Die Auflösung beträgt laut Datenblatt des Herstellers ± 1 % der
gesamten Skala. Das Leistungsmessgerät wurde im Versuchsaufbau vor dem Strahlaufweiter
platziert (vgl. Abb. 6.1 und Kap. 6.1). Der ermittelte Wert kann über die Pulswiederholrate
von f rep = 82 MHz in die Pulsenergie umgerechnet werden. Die Fluenz ergibt sich aus dem
Quotienten der Pulsenergie E Puls und dem Quadrat des Spotradius w 0 zu
F = E Puls
. (6.17)
πw0
2
Da z. B. für den positiven Fotolack ma-P 1275 eine minimale Belichtungsdosis von
210 ± 10 mJcm −2 zur Bearbeitung notwendig ist, reichen abhängig vom Fokusdurchmesser
des Laserstrahls nur wenige Milliwatt durchschnittliche Laserleistung zum Starten der
chemischen Reaktionen aus.
58

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
6.5. Software
Um eine zweidimensionale Bearbeitung der Lackoberflächen oder dreidimensionale Bearbeitung
der Lackschichten durchführen zu können, ist im Zuge dieser Forschungsarbeit eine
Software am Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik entwickelt worden. Diese ist in die drei
Funktionsbereiche Datenerfassung, Datenbearbeitung und Datenausgabe gegliedert. Die
Datenerfassung ist die Art und Weise wie die Daten der am Rechner entworfenen Strukturen
von dem Programm erfasst und gespeichert werden. Unter der Datenbearbeitung ist die
Möglichkeit des Nutzers zu verstehen, die Daten jeder einzelnen Struktur zu manipulieren.
Zur Datenausgabe gehört die Steuerung des Versuchsaufbaus. Diese beinhaltet das Auslesen
der Sensoren und die Steuerung der Achsen sowie des Galvanoscanners. Die Software wird
in den folgenden Abschnitten vorgestellt.
6.5.1. Datenerfassung
Die Bereitstellung der Daten eines durch ein CAD-Programm konstruierten Körpers
findet in der Funktionseinheit Datenerfassung statt. Der Quellcode dieser Software wurde
eigens auf eine schichtweise Ausgabe des Volumenkörpers hin angepasst. Eine dafür
zuständige Klasse stellt Objekte bereit, die alle relevanten Daten wie beispielsweise die
geometrischen Informationen des schichtweisen Aufbaus beinhalten. Weiterhin enthält die
Klasse zusätzliche Objekte mit Information über die Position der Struktur im Raum in
Abhängigkeit des gesetzten Nullpunkts und steuerungsrelevante Daten, zu denen u.a. die
Schreibgeschwindigkeit sowie die zu verwendende Leistung zu Herstellung der Struktur
gehört.
Konturerstellung
Jeder Volumenkörper wird durch das Programm in die Anzahl der Ebenen zerlegt.
Die Anzahl der Ebenen wird durch die Höhe des Objekts und die gewählte Schichtdicke
bestimmt. Die Informationen über die Kontur und die Füllung einer Schichtebene wird in
Vektorform gespeichert. Dazu wird der Start- und Endpunkt einer zu belichtenden geraden
Linie gespeichert. Das Programm ist in der Lage, die zwei Dateittypen STL und BMP zu
59

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
verarbeiten. Ferner ist es möglich mittels der Software die sogenannte Woodpile-Struktur zu
erstellen. Da für diese Versuchsreihen hauptsächlich das STL-File zur Anwendung kommt,
wird im folgenden nur auf die Verarbeitung dieses Datentyps eingegangen.
Das Dateiformat STL
Hierbei handelt es sich um die Standard Triangulation Language, der sogenannten STL-
Schnittstelle oder dem STL-Format. Dieses Format ist speziell für das Rapid Prototyping
bzw. der Stereolithographie von dem Unternehmen 3D-Systems entwickelt worden. Die
STL-Dateien können sowohl als ASCII- als auch als Binärcode vorliegen. In der vorliegenden
Software wird lediglich der Binärcode verarbeitet. Die Flächennormalen der dreieckigen
Flächen zur Beschreibung der äußeren Kontur eines Objekts sowie die Eckkoordinaten werden
gespeichert. Benachbarte Flächen haben dabei immer zwei gemeinsame Eckpunkte. Obwohl
damit beliebige dreidimensionale Objekte zu breschreiben sind, werden runde Flächen
nur durch eine Gitternetzstruktur angenähert. Abbildung 6.9 (links) zeigt den einfachsten
Körper, der auf diese Weise dargestellt werden kann. Der Nachteil dieser Vorgehensweise
ist, dass durch die Überschneidung von Punkten viele Koordinaten mehrfach gespeichert
werden müssen und somit eine große Datenmenge entsteht.
D
D
B
C
B
V 2
V 1
V 3
Dz
C
A
A
Abbildung 6.9.: Einfachst mögliche Struktur Die einfachste Struktur, die in einer STL-
File dargestellt werden kann, ist ein Tetraeder mit den Eckpunkten A, B,
C und D.
Des Weiteren werden die Funktionen Skalieren, Rotieren und Nullpunkt verschieben vom
60

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Programm zur Verfügung gestellt. Die Funktion Skalieren verändert die Größe der Struktur,
indem alle Koordinaten mit einem Skalierungsfaktor multipliziert werden. Eine 90 ◦ -Rotation
um die drei Raumachsen ermöglicht die Funktion Rotieren durch einfaches Vertauschen der
Achskoordinaten. Durch die Funktion Nullpunkt verschieben wird der Koordinatenpunkt,
der am nächsten an der x-y-Ebene liegt, in z-Richtung auf die x-y-Ebene verschoben.
Gleichzeitig wird der Mittelpunkt dieses Objektes auf die z-Achse gelegt. Sind mehrere
Objekte generiert worden, so werden diese um den gleichen Richtungsvektor mit verschoben.
Die z-Achse kennzeichnet zugleich die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. Die als STLfile
hochgeladene Struktur wird in z-Richtung durch die vorgegebene Schichtdicke geteilt.
Daraus resultiert die Anzahl der einzelnen Schichten [Zho05]. Die Vektoren V ⃗ 1 , V ⃗ 2 und V ⃗ 3
teilen die zur x-y-Ebene parallele Schicht des Objekts, wie in Abbildung 6.9 dargestellt, auf.
6.5.2. Datenbearbeitung
Durch die Nutzeroberfläche, von der ein Screenshot in Abbildung 6.10 gezeigt ist, wird
dem Anwender eine komfortable Möglichkeit geboten die Daten der Objekte zu erstellen und
zu bearbeiten. Dies gilt sowohl für einen als auch für mehrere Körper. Die Eingaben können
über die grafische Darstellung auf der Nutzeroberfläche kontrolliert werden. Zusätzlich stellt
die Oberfläche noch Werkzeuge zur Steuerung des AOMs und für die Leistungskalibrierung
zur Verfügung. Im Folgenden wird eine kurze Übersicht über die Möglichkeiten der
Parametermanipulation gegeben, die mit dieser Software möglich sind.
Benutzereingaben
Auf der Nutzeroberfläche kann in dem Feld Dateipfad die entsprechende STL oder BMP-
Datei aufgerufen werden (vgl. Abb. 6.10). Nach dem Laden der STL-Datei wird der Körper,
hier ein Kegelstumpf, rechts auf der Benutzeroberfläche abgebildet. Ein weiterer Reiter
zur Erstellung von Woodpilestrukturen ist ebenfalls zu finden. Die geometischen Daten
des Körpers können im Feld Optionen STL geändert werden. Variabel sind hierbei die
Schichtdicke, der Skalierungsfaktor, die Toleranz sowie die Möglichkeiten zur Rotation des
geometrischen Körpers. Zu Kontrollzwecken werden die Abmessungen der abgebildeten
Struktur in zusätzlichen Ausgabefeldern in µm angegeben.
61

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Abbildung 6.10.: Benutzeroberfläche mit Kegel Nach dem Laden der STL-Datei wird
das Objekt auf der Oberfläche des Programms dargestellt. Informationen
zu den Abmessungen des Objekts können unter ’Maße’ abgelesen werden.
Die Schichtdicke ist ein entscheidender Faktor für die Qualität der zu schreibenden
Struktur. Unter der Schichtdicke ist der Abstand von einer Schicht zur nächsten in z-
Richtung zu verstehen, in Abb. 6.9 (rechts) als ∆z angegeben. Auf diesen Ebenen liegen
sämtliche vom Programm berechnete Vektoren, auf denen bei der späteren Bearbeitung die
Laserpulse platziert werden.
Programmseitig wird nicht das Voxel beschrieben sondern lediglich dessen Mittelpunkt
abgebildet. Die Vektoren der einzelnen Ebenen stellen die Aneinanderreihung dieser Mittelpunkte
dar. Im realen Fertigungsprozess hat die durch die Abmessungen der Voxel
bestimmte Schichtdicke Einfluss auf die Qualität der Strukturen. Sowohl Pulsenergie als
auch Schreibgeschwindigkeit beeinflussen die Voxelgröße sowie die reale Schichtdicke.
62

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Abbildung 6.11 zeigt Fehler, die durch den Einfluss der Schichtdicke auftreten. Auf der
linken Seite der Abbildung ist ein Fehler dargestellt, der unabhängig von der Schichtdicke
entsteht. Durch diesen Fehler wird die Rauhigkeit der Oberflächenkontur des Körpers
verändert. Dieser Fehler ist durch die Reduktion der Schrittweite in z-Richtung, also eine
Verringerung der Schichtdicke, zu minimieren. Dadurch wird allerdings die Herstellungszeit
des Körpers verlängert. Bei konstanter Schichtdicke, wie in Abb. 6.11 dargestellt, nimmt die
Oberflächenrauhigkeit der Konturenkanten mit geringerer Steigung des Objekts zu. Dieser
Fehler tritt bei allen Körpern auf, deren äußere Konturen nicht senkrecht zur x-y-Ebene
stehen.
Ausbreitungsrichtung
Fehler durch Wahl
der Schichtdicke
Voxel
nicht
verbunden
resultierende
Kontur
Schichtdicke
gewünschte
Kontur
Abbildung 6.11.: Fehler durch den Einfluss der Schichtdicke Die Wahl der Schichtdicke
hat entscheidenden Einfluss auf die Qualität der späteren Strukturen.
Bei großem Schichtabstand in z-Richtung entstehen beispielsweise am
Rande von Kugeln Abstufungen (links nach [WWLZ04]). Je enger der
Schichtabstand gewählt ist, desto glatter wird die Oberfläche der Struktur.
Das rechte Bild zeigt schematisch, dass die real entstandene Oberfläche
(rote Linie) von der durch die Software vorgegeben Kontur (grüne Linie)
abweicht. Des Weiteren steigt der Abstand der Voxel am Strukturrand
zu kleineren Winkeln (oranger Kreis, stark vergrößert, basierend auf
[LBB + 07]).
Die schematische Darstellung auf der rechten Seite beschreibt den Einflusses des Voxelabstands
auf die Oberflächenqualität der Struktur. Die gewählte Schichtdicke innerhalb einer
Struktur ist konstant. Deswegen nimmt der Abstand zwischen den Voxelmittelpunkten mit
63

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
sinkender Steigung der Außenkontur zu (Abb. 6.11, rechts, oranger Kreis). Um die Qualität
der Oberfläche in diesem Fall zu erhöhen, muss die Schichtdicke reduziert werden. Infolgedessen
wird die Bearbeitungszeit allerdings um ein Vielfaches erhöht. Bei einer abgerundeten
Oberfläche weicht die real entstandene Kontur (rote Linie) von der durch die Software
vorgegebenen Kontur (grüne Linie) ab. Dieser Effekt wird aufgrund der elliptischen Form
der Voxel verstärkt. Mit steigender Pulsenergie und dem damit wachsenden Voxelvolumen
nimmt dieser Effekt zu.
Schreiboptionen
Die geometrischen Daten zu Herstellung der Strukturen lassen sich unter Schreiboptionen
ändern. Wie Abbildung 6.12 zeigt, können mittels der Benutzeroberfläche des Programms die
Abstände der zu schreibenden Linien in x- und y-Richtung frei gewählt werden. Zu beachten
ist, dass sich benachbarte Linien berühren müssen um eine geschlossene Fläche zu bilden.
Der Abstand zwischen den Trajektorien ist damit abhängig von der Linienbreite. Zusätzlich
besteht die Möglichkeit optional nur die Kontur der Struktur ohne eine Füllung zu schreiben.
Bei der Verwendung negativer Fotolacke wird durch diese Option die Herstellungszeit
komplexer Strukturen verkürzt. In solch einem Fall wird die Füllung nachträglich mit einer
UV-Lampe ausgehärtet [LBB + 07].
Weiterhin kann der Linienabstand und auch die Art der Füllung gewählt werden. Dabei
können die Linien in einer Ebene in x- und/oder in y-Richtung geschrieben werden. Für die
hier durchgeführten Versuche wird die Schreibrichtung von Ebene zu Ebene gewechselt.
Die Strukturen können entweder mittels des Galvanoscanners oder des mechanischen
Achssystems geschrieben werden. Ab einer Kantenlänge von 200 µm kann nur noch das
Achssystem verwendet werden, wodurch die benötigte Zeit für den Fertigungsprozess steigt.
Startparameter
Im Feld Startparameter werden die Parameter für die erste Struktur festgelegt. Dabei
kann die Position sowohl in x- und y- als auch in z-Richtung verändert werden. An dieser
Stelle sind die Schreibgeschwindigkeit in mm/s und die Intensität in mW einzustellen.
Zusätzlich ist es möglich dem Schrumpfungsparameter S einen Wert zuzuordnen. Damit
64

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Abbildung 6.12.: Benutzeroberfläche mit Kegel und Slicing Als Beispiel zur Manipulation
des hochgeladenen Körpers und dessen Darstellung wurden die
Parameter des Kegels aus Abb. 6.10 geändert. Die grünen Linien zeigen
die gewünschten Trajektorien an, die mit dem Laser zu schreiben sind.
kann das Schrumpfen beim Entwicklungsvorgang ausgeglichen werden (vgl. Formel 2.3).
Rasterung
Zur Vervielfältigung der Struktur können die Parameter für eine Rasterung im entsprechenden
Feld eingestellt werden. Zu diesen Parametern gehören die Abstände zwischen
einzelnen Strukturen in x- und y-Richtung sowie die Anzahl der Körper.
65

Kapitel 6. Technische Aufbauten zur Erzeugung und Charakterisierung von Laserpulsen
Rasterparameter
Im Feld Rasterparameter ist die Möglichkeit gegeben die Parameter einer Struktur für
eine Parameterstudie entsprechend anzupassen. Das heißt, dass beispielsweise die Intensität
für jede neu zu schreibende Struktur um einen bestimmten Wert erhöht wird. Weitere
Variationen können bei der Schichtdicke, der Füllparameter in x- und y-Richtung, der
Schreibgeschwindigkeit, der z-Position für den Startpunkt und dem Schrumpfungsparameter
S vorgenommen werden.
Tabellarische Darstellung der Strukturen
Jeder objektbeschreibende Parameter wird in der Nutzeroberfläche tabellarisch dargestellt.
Die Tabelle bietet die Möglichkeit auf einzelne Objekte und deren Parameter zuzugreifen.
Dadurch können nachträglich einzelne Parameter geändert oder Objekte gelöscht werden.
Innerhalb dieser Tabelle ist es möglich jeden Wert einzeln zu ändern oder einzelne Objekte
zu löschen.
66

Kapitel 7.
Von der Linie zur 3D-Struktur
Die Art der Belichtung ist ein wichtiger Parameter bei der Herstellung von Strukturen in
positivem Fotolack. Damit ein Vergleich der Linienbreiten bei einfacher und mehrfacher
Belichtung möglich ist, wird zu Beginn eine Parameterstudie durchgeführt. Im Anschluss
daran werden diese Daten auf dreidimensionale Woodpile-Strukturen übertragen und angewendet.
Dieser Schritt ermöglicht das bereits ermittelte Verhalten des positiven Fotolacks
auch für Strukturen mit einer Komponente in z-Richtung zu verifizieren. Mit den daraus
gewonnenen Erkenntnissen werden zur Überprüfung der Ergebnisse und als Grundlage
für das LIGA-Verfahren in Kombination mit 2PA dreidimensionale Strukturen wie Kegel,
Pyramiden oder ein in sich gewundener Pyramidenstumpf hergestellt und abgeformt.
7.1. Ermittlung der Linienbreiten bei zweidimensionalen
Strukturen
Beim LIGA-Verfahren werden dreidimensionale Strukturen hergestellt, die in einem
weiteren Arbeitsschritt abgeformt werden. Die Oberflächenrauheit einer Struktur verringert
sich mit der Reduktion des Abstandes zwischen den einzelnen Schichten in z- und der Linien
in x- und y-Richtung. Dies hat eine erhöhte Qualtität des Endprodukts zufolge. Durch die
folgende Parameterstudie werden erste wichtige Erkenntnisse bezüglich der Belichtung des
positiven Fotolacks durch einen Laserstrahl mittels 2PA gewonnen. Die Ergebnisse zeigen
den Unterschied der Linienbreiten bei einfacher bzw. mehrfacher Belichtung.
67

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Die diesbezüglichen aktuellen Forschungsarbeiten zielen darauf ab, das Auflösungsvermögen
des Verfahrens zu untersuchen. Um möglichst schmale Linien zu generieren, wird jede Linie
nur einfach belichtet [CZD + 13]. In praxisrelevanten und industriellen Anwendungen werden
Einzelbelichtungen nur selten durchgeführt. Hier kommt es durch die geringen Abstände
der einzelnen Schichten in z-Richtung zueinander kontinuierlich zu Mehrfachbelichtungen.
Dies ist notwendig, um eine Struktur über die gesamte Tiefe der Lackschicht zu erhalten.
Aus Gründen der Effizienz werden Proben mit einer Schichtdicke von 500 nm nach
der in Kapitel 4.2 vorgestellten Vorgehensweise mit dem positiven Fotolack ma-P 1205
hergestellt. Nachdem die Probe unter dem Objektiv platziert ist, wird diese mit Hilfe
der entwickelten und für diese Forschungsarbeiten speziell angepassten Software (vgl.
Kap. 6.5) bearbeitet. In dem hier verwendeten Probenmuster werden alle Strukturen
der Proben mit gleicher Laserleistung in den positiven Fotolack geschrieben. Auf Grund
der konstanten Laserleistung entfällt die jeweils vor dem Fertigen einer neuen Struktur
notwendige Leistungsüberprüfung und -anpassung, die jedes Mal eine Zeit zwischen 60
und 120 Sekunden erfordert. Da dieser Schritt lediglich zu Beginn des Schreibvorgangs
der ersten Struktur durchgeführt werden muss, ist damit eine deutliche Verkürzung des
Fertigungsprozesses zur Herstellung der verschiedenen Strukturen in den einzelnen Proben
erreicht. Abbbildung 7.1 zeigt die Anordnung der Strukturen auf einer Probe sowie die
Variation der Schreibgeschwindigkeit in sechs Stufen. Der Startwert bei einfacher Belichtung
beträgt 0,1 mm/s und wird in Schrittweiten von 0,1 mm/s auf 0,6 mm/s erhöht. Um die
Anzahl der Spots pro geschriebener Strecke bei unterschiedlicher Belichtungsanzahl konstant
zu halten, wird die Schreibgeschwindigkeit entsprechend angepasst. Das bedeutet, dass
bei zehnfacher Belichtung die Schreibgeschwindigkeit um das Zehnfache erhöht wird. Auf
der Abbildung ist die abnehmende Schreibgeschwindigkeit durch die geringer werdenden
Strukturdicken von unten nach oben zu erkennen.
Je Schreibgeschwindigkeit werden 180 Strukturen in einem Muster von 3 Mal 60 Strukturen
geschrieben. In Abb. 7.1 ist zu erkennen, dass nur ein Teil der jeweils 180 Strukturen pro
Schreibgeschwindigkeit sichtbar ist. Grund hierfür ist eine Fokuslagenänderung bei jedem
neuen Schreibvorgang innerhalb der 180 Strukturen. Die jeweils ersten Strukturen je
Schreibgeschwindigkeit werden deutlich innerhalb des Deckglases geschrieben, die jeweils
letzten außerhalb des Fotolacks. Eine geringe Schrittweite der Startposition der mechanischen
68

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
schnell
500 µm
Schreibgeschwindigkeit
langsam
Abbildung 7.1.: Anordnung der Strukturen auf einer Probe Gezeigt wird die Aufnahme
des zur Herstellung der Linien verwendeten Probenmusters mit
einem REM Zeiss EVO MA 15. Alle Strukturen werden mit konstanter
mittlerer Leistung geschrieben, unter Variation der Geschwindigkeit. Die
Schreibgeschwindigkeit nimmt von unten nach oben zu. Im unteren Bereich:
Strukturen, die mit einer Schreibgeschwindigkeit von 0,1 mm/s geschrieben.
Die auf einer Linie befindlichen Strukturen werden mit derselben Geschwindigkeit
geschrieben.
z-Achse sorgt dafür, dass erst ab der 60. Struktur Linien im positiven Fotolack entstehen.
Dies ist dadurch zu erklären, dass die Deckgläser nicht ideal starr sind. An dieser Stelle wird
durch den Druck, den das Objektiv über das Öl auf das Deckglas überträgt, der Startpunkt
in z-Richtung bis zu 5 Mikrometer verschoben. Abbildung 7.1 veranschaulicht, dass die
Anzahl der entstandenen Strukturen bei niedrigen Schreibgeschwindigkeiten deutlich größer
als bei hohen Geschwindigkeiten ist. Ursache hierfür ist eine Verringerung der Linienbreite
mit steigender Schreibgeschwindigkeit.
Zur Ermittlung der Linienbreite werden ausschließlich die mittleren 5-8 Strukturen
69

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
10 µm
Abbildung 7.2.: Gitterstruktur zur Messung der Linienbreiten Das Muster einer
einzelnen Struktur besteht aus jeweils drei waagerechten und drei senkrechten
Linien, die sich kreuzen. Der Abstand zwischen zwei Linien beträgt
10 µm in jede Richtung. Gemessen werden die Linien der senkrechten und
waagerechten Komponenten in der Mitte des Musters. Aufnahme mittels
REM.
des sichtbaren Probenmusters jeder Schreibgeschwindigkeit vermessen. Die Variation der
Linienbreiten ist in diesem Bereich gering, da die dickste Stelle des Voxels, das durch
einen prolaten Ellipsoiden beschrieben werden kann, an der Oberfläche des positiven
Fotolacks ist. An dieser Stelle des Ellipsoiden ist der Krümmungsradius des Voxels sehr
groß. In diesem Fall ist die Qualität der Linien am besten, was in Abbildung 7.2 anhand
scharfkantig abgegrenzter Ränder der Gitterstruktur zu sehen ist. Das Gitter besteht aus
je drei parallelen Linien in x- und in y-Richtung. Die Position der Probe bezüglich der
z-Achsen-Richtung wird innerhalb einer Struktur bei diesem Versuch nicht variiert. Der
Abstand zwischen zwei Linien beträgt 10 µm. Dadurch wird eine Verbreiterung der Linien
bei hohen Pulsleistungen durch Wechselwirkungen mit benachbarten Linien vermieden. Für
die Auswertung wird jeweils das Kreuz in der Mitte der Struktur betrachtet, das in Abb.
7.2 durch einen Kreis markiert ist. Die Abmessungen vor und nach dem Schnittpunkt in
beide Richtungen werden mit Hilfe des REMs aufgenommen. Da an den Schnittpunkten der
Linien eine Verbreiterung und Abrundung der Ecken durch eine doppelte Belichtungsanzahl
vorliegt, muss bei der Auswahl der Messpunkte ein Mindestabstand zum Schnittpunkt der
70

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
senkrechten und waagerechten Linien eingehalten werden. Andernfalls würden aus einer
falschen Messpunktauswahl deutlich größere Standardabweichungen resultieren.
Linienbreite [nm]
1400
1200
1000
800
600
14 mW
12,8 mW
11,5 mW
10,2 mW
9 mW
7,7 mW
6,4 mW
5,1 mW
400
200
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Schreibgeschwindigkeit [mm/s]
Abbildung 7.3.: Linienbreiten bei Einfachbelichtung Der Fotolack wird mit durchschnittlichen
Leistungen von 14 mW, 12,8 mW, 11,5 mW, 10,2 mW, 9 mW,
7,7 mW, 6,4 mW und 5,1 mW belichtet. Die Scangeschwindigkeit wird dabei
von 0,1 auf 0,6 mm/s in Schrittweiten von 0,1-mm/s variiert. Dargestellt
ist der Verlauf der Linienbreiten sowie die Standardabweichungen.
Die Mittelwerte und die Standardabweichungen der Linienbreiten für verschiedene mittlere
Leistungen und langsame Schreibgeschwindigkeiten, die ausschließlich bei einfacher
Belichtung genutzt werden, sind in Abbildung 7.3 dargestellt. Die angegebene mittlere
Laserleistung basiert auf der in der Software eingestellten Leistung. Diese kann geringfügig
von der real vorhandenen Leistung abweichen. Der Grund dafür ist die iterative Einregelung
der Leistung mittels einer Diode und der Kombination aus λ/2-Wellenplatte und Strahlteilerwürfel.
Die λ/2-Platte wird dabei so lange in eine Richtung gedreht, bis der von der
71

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Diode ermittelte Ist-Wert unter den gewünschten Soll-Wert absinkt. Darauf folgend wird
eine Drehung der Platte in die andere Richtung eingeleitet, bis die Leistung größer als der
Soll-Wert ist. Bei jedem Richtungswechsel wird die Schrittweite des Schrittmotors verringert.
Nach fünf Iterationsschritten wird der Vorgang beendet, da weitere Iterationsschritte keine
zusätzliche Genauigkeit erwarten lassen. In sehr seltenen Fällen kann dieser Stellvorgang
zu Abweichungen in der Größenordnung von 1 mW zur Sollleistung führen.
Linienbreite [nm]
1800
1600
1400
1200
1000
800
14 mW
12,8 mW
11,5 mW
10,2 mW
9 mW
7,7 mW
5,1 mW
600
400
200
0 1 2 3 4 5 6 7
Schreibgeschwindigkeit [mm/s]
Abbildung 7.4.: Linienbreiten bei Mehrfachbelichtung Der Fotolack wird mit durchschnittlichen
Leistungen von 14 mW, 12,8 mW, 11,5 mW, 10,2 mW, 9 mW,
7,7 mW und 5,1 mW belichtet. Die Scangeschwindigkeit wird dabei von
1 bis 6 mm/s in Schrittweiten von 1-mm/s variiert. Im Unterschied zu
Abbildung 7.3 wird jede Linie zehnfach belichtet, sodass die absolute Anzahl
der Pulse pro Längenabschnitt übereinstimmen. Dargestellt ist der Verlauf
der Linienbreiten mit den Standardabweichungen.
Die Linienbreite ist abhängig von der mittleren Laserleistung und nimmt mit dieser zu.
72

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Mit steigender Geschwindigkeit sinkt die Linienbreite deutlich und in dem betrachteten
Bereich fast linear ab. Der Mittelwert der Linienbreite bei 0,6 mm/s ist, verglichen mit
dem Startwert bei 0,1 mm/s, etwa 300 bis 400 nm geringer. Die aufgetragenen Kurven
für unterschiedliche mittlere Leistungen verlaufen weitestgehend parallel. Abgesehen von
den Verläufen bei 14 mW und 7,7 mW haben alle Kurven eine ähnliche Steigung. Diese
beiden Verläufe sind bei langsamen Geschwindigkeiten nahezu konstant und haben teilweise
eine geringere Linienbreite als Verläufe geringerer Leistung. Die Standardabweichung der
Linienbreiten nimmt mit abnehmender mittlerer Leistung ab. Zurückzuführen ist dies
auf die geringen Schwankungen der Laserleistung des verwendeten Ti:Saphir-Lasers. Laut
Herstellerangabe liegt die Abweichung bei ungefähr 1 % der verwendeten Laserleistung. In
Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Laufzeit seit der letzten Justage kann dieser
Wert höher ausfallen.
Linienbreite [nm]
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
14 mW, einfache Belichtung
14 mW, zehnfache Belichtung
Theoretisches Modell
Linienbreite [nm]
1600
1400
1200
1000
800
12,8 mW, einfache Belichtung
12,8 mW, zehnfache Belichtung
Theoretisches Modell
400
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
600
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
Abbildung 7.5.: Vergleich der Linienbreiten bei 14 mW und 12,8 mW Die Kurven
im linken Diagramm zeigen die Verläufe bei einer mittleren Leistung
von 14 mW nach dem Mikroskopobjektiv bei einfacher und zehnfacher
Belichtung. Die Kurven im rechten Diagramm zeigen die Verläufe bei einer
mittleren Leistung von 12,8 mW. Auf der Abszisse sind die Spots pro
mm Verfahrweg angegeben. In beiden Diagrammen ist die Linienbreite der
Zehnfachbelichtung deutlich größer als bei einfacher Belichtung.
Auch bei den in Abbildung 7.4 dargestellten Verläufen der Linienbreiten bei mehrfacher
Belichtung ist eine deutliche Abnahme der Linienbreiten mit steigender Scangeschwindigkeit
zu erkennen. Die Verläufe der Kurven sind hier weitestgehend linear aber nicht parallel
73

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
zueinander. So ist die negative Steigung bei höheren mittleren Leistungen deutlich größer
als die bei niedrigen Leistungen. Während die Linienbreite bei 14 mW in dem betrachteten
Bereich um etwa 500 nm abnimmt, sind es im Vergleich bei 5,1 mW nur noch 200 nm. Auch
hier nimmt die Standardabweichung von hoher zu niedriger Leistung hin ab.
Linienbreite [nm]
1200
1100
1000
900
800
700
600
11,5 mW, einfache Belichtung
11,5 mW, zehnfache Belichtung
500
Theoretisches Modell
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
Linienbreite [nm]
1400
1200
1000
800
600
10,2 mW, einfache Belichtung
10,2 mW, zehnfache Belichtung
Theoretisches Modell
400
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
Abbildung 7.6.: Vergleich der Linienbreiten bei 11,5 mW und 10,2 mW Das linke
Diagramm zeigt die Verläufe der Linienbreiten einer mittleren Leistung von
11,5 mW und im rechten Diagramm von 10,2 mW. Die Linien bei Zehnfachbelichtung
fallen deutlich breiter aus als bei Einfachbelichtung (links).
Bei 10,2 mW ist dieses Verhalten erst bei höheren Schreibgeschwindigkeiten
zu erkennen (rechts). Zu begründen ist dies mit einem Fehler bei der Leistungsregelung,
denn im Falle der Einfachbelichtung ist ein höherer Wert
als 10,2 mW eingeregelt worden. Bei niedrigen Schreibgeschwindigkeiten
sind Abweichungen vom Verlauf des theoretischen Modells zu sehen, die
weitestgehend im Bereich der Standardabweichungen liegen.
Nach der Betrachtung der Kurvenschar bei jeweils gleichen Belichtungsarten, Einfach- und
Zehnfachbelichtung, werden diese nun vergleichend in Diagrammen gegenübergestellt und
analysiert. In den Abbildungen 7.5 bis 7.8 sind die Verläufe der Linienbreiten bei gleicher
mittlerer Leistung aber unterschiedlicher Belichtungsart zu sehen. Um eine einheitliche
Kenngröße auf der Abszisse zu erhalten, wird die Anzahl der Spots auf den Belichtungsweg
in Millimeter bezogen. Der Quotient aus der Pulswiederholrate ν rep = 82 MHz des
Lasers und der jeweiligen Geschwindigkeit ergibt diesen spezifischen Kennwert. Für die
Zehnfachbelichtung werden dann die errechneten Werte entsprechend mit dem Faktor 10
multipliziert.
74

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Linienbreite [nm]
1000
900
800
700
600
500
9 mW, einfache Belichtung
9 mW, zehnfache Belichtung
Theoretisches Modell
Linienbreite [nm]
900
800
700
600
500
7,7 mW, einfache Belichtung
7,7 mW, zehnfache Belichtung
Theoretisches Modell
400
400
300
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
300
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
Abbildung 7.7.: Vergleich der Linienbreiten bei 9 mW und 7,7 mW Das linke
Diagramm zeigt die Linienbreiten, die bei einer Belichtung mit 9 mW
mittlerer Leistung entstehen. Auf der rechten Seite sind die Linienbreiten
für 7,7 mW zu erkennen. Beide Verläufe zeigen das typische Bild, bei dem
die Linien bei Zehnfachbelichtung breiter sind als bei Einfachbelichtung.
Alle Kurven entsprechen in guter Näherung dem theoretischen Modell, das
in Kapitel 3.2 vorgestellt worden ist.
Die Linienbreite bei zehnfacher Belichtung ist über den betrachteten Bereich deutlich
größer als bei einfacher Belichtung (vgl. Abb. 7.5 (links)). Die beiden Kurven verlaufen
annähernd parallel zueinander. Da bei der roten Kurve die Linienbreite trotz einer geringeren
Spotanzahl, also einer höheren Schreibgeschwindigkeit, nicht mehr absinkt, ist im Bereich
unter 2 · 10 9 Spots pro mm einen Sättigungsbereich vorhanden. Aufgrund der hohen
Standardabweichungen der schwarzen Kurve ist eine zuverlässige abschließende Beurteilung
nicht zulässig. Beide Kurven bestätigen den qualitativen Verlauf des theoretischen Modells,
das in Kapitel 3.2 vorgestellt wurde.
Die Standardabweichung ist grundsätzlich bei der Zehnfachbelichtung um ein vielfaches
größer als bei der einfachen Belichtung. Um die Probe an der angefahrenen Position zu halten,
muss das mechanische Achssystem antriebsseitig nachregeln. Eine geringe Abweichung der
Trajektorie der Folgelinie von der der vorhergehenden Linie ist daher nicht auszuschließen.
Bei langsamen Schreibgeschwindigkeiten, wie sie bei den Einfachbelichtungen genutzt
werden, ist dies durch eine Wellenform der Linien im Fotolack bemerkbar. Als Resultat ist
in solch einem Fall eine Verbreiterung von maximal 40 nm bezogen auf eine ideale gerade
75

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Linie zu beobachten.
Linienbreite [nm]
800
700
600
500
400
300
6,4 mW, einfache Belichtung
Theoretisches Modell
Linienbreite [nm]
800
700
600
500
400
300
5,1 mW, einfache Belichtung
5,1 mW, zehnfache Belichtung
Theoretisches Modell
200
200
100
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
100
0 2 4 6 8 10
Spots pro mm [1/mm]
x 10 9
Abbildung 7.8.: Vergleich der Linienbreiten bei 6,4 mW und 5,1 mW In den
beiden Diagrammen werden die Linienbreiten für 6,4 mW (links, einfach
belichtet) und 5,1 mW (rechts, einfach und zehnfach belichtet), gezeigt.
Bei einer Laserleistung von 6,4 mW entspricht der Verlauf qualitativ dem
theoretischen Modell. Bei 5,1 mW sind die Linienbreiten für die zehnfache
Belichtung - ausgenommen bei niedrigen Schreibgeschwindigkeiten - größer
als bei einfacher Belichtung. Beide Verläufe entsprechen in guter Näherung
dem theoretischen Modell.
Die weiteren Kurvenverläufe in den Diagrammen 7.6 bis 7.8 zeigen eine ähnliche Struktur.
Die Linienbreiten bei der zehnfachen sind größer als bei der einfachen Belichtung. Dennoch
gibt es Abweichungen, die im folgenden erläutert werden. Die schwarzen Linien in den
Abbildungen 7.5 rechts, 7.6 links und 7.6 rechts weisen einen Knick im Verlauf bei 4, 1 ·
10 9 Spots pro mm auf. Dieser Knick ist auf einen Fertigungsfehler beim Erzeugen der Linien
während des 2PA-Prozesses zurückzuführen. Durch die erhöhte Dicke der Deckgläser sind
in diesen Fällen die Linien trotz variierter Startposition in z-Richtung nicht ausreichend
weit über die Austrittskante der Lackschicht geschrieben worden. Aufgrund der ellipsoiden
Form der Voxel erscheint an dieser Stelle die Linienbreite geringer. Dadurch ist hier ein
kleinerer Durchschnittswert als der tatsächliche Voxeldurchmesser zu messen.
Die Verläufe der Kennlinien mit zehnfacher Belichtung bei 10,2 mW (Abb. 7.6) und
bei 5,1 mW (Abb. 7.8) zeigen bei über 4 · 10 9 Spots pro mm eine geringere Linienbreite
als die entsprechende Kurve der Einfachbelichtung. Durch Entwicklerrückstände auf der
76

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Oberfläche des Fotolacks sind die Linien, bei denen die ellipsoiden Voxel auf Höhe der
kurzen Halbachsen die Oberfläche des Fotolacks durchstoßen, beschädigt. Deswegen ist an
diesen Stellen keine Messung möglich. Die vermessenen Strukturen weisen eine geringere
Linienbreite auf.
Der Vergleich aller Kurven zeigt, dass die Linienbreiten trotz gleicher Spotanzahl pro
Wegstrecke bei der zehnfachen Belichtung deutlich größer sind als bei der einfachen Belichtung.
Des Weiteren entsprechen die gemessenen Verläufe bis auf genannte Ausnahmen
qualitativ den errechneten theoretischen Verläufen des Modells aus Kapitel 3.2.
fester
Fotolack
HPET
LPET
flüssiger
Zustand
Abbildung 7.9.: Schema von HPET und LPET HPET (links) hat einen sehr großen
Reaktionsbereich. Dies schließt auch einen Bereich schwach gelösten positiven
Fotolacks ein. Bei mehrfacher Belichtung verflüssigt sich dieser
schwach gelöste Bereich vollständig, was zu größeren Linienbreiten nach
der Entwicklung führt. Bei LPET (rechts) ist dieser Bereich auch nach
Mehrfachbelichtung deutlich kleiner als bei HPET. Dies führt zu geringeren
Linienbreiten. (Bild aus [AKG + 14]).
Das Volumen, in dem im Laserfokus die chemische Reaktion durch die Belichtung
stattfindet, ist wie erwähnt ellipsoid und wird Voxel genannt (siehe auch Abb. 7.9). Die
Kurvenverläufe in den Diagrammen 7.3 und 7.4 zeigen, dass die Linienbreite mit steigender
Leistung wächst. Wie in Abb. 7.9 schematisch dargestellt ist, ist das Voxelvolumen bei
77

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
HPET 1 größer als bei LPET 2 . Nicht nur die Voxelgröße, in der eine vollständige chemische
Reaktion stattfindet, ist größer. Auch der Übergangsbereich, in dem die Pulsenergie
nicht ausreicht eine vollständige chemische Reaktion hervorzurufen, nimmt zu. In diesem
Übergangsbereich ist der positive Fotolack nur schwach gelöst und wird nach einmaliger
Belichtung des Fotolacks nicht mitentwickelt.
Der Überlappungsgrad der Spots, und damit einhergehend auch die Schreibgeschwindigkeit,
haben ebenfalls entscheidenden Einfluss auf die Linienbreite. Verantwortlich für
das Schmalerwerden der Linien bei abnehmendem Überlappungsgrad ist der in Abbildung
7.9 dargestellte Effekt. Dieser Effekt ist schon bei geringen Änderungen in der dritten
Nachkommastelle des Überlappungsgrads zu erkennen (vgl. Gl. 3.5). Da sich bei einer
festgelegten Leistung die Spotgröße nicht verändert und damit die hergestellten Voxel
immer gleichgroß sind, ist der Überlappungsgrad die einzige veränderte Einflussgröße.
Für einen Spotdurchmesser von 500 nm und einer Schreibgeschwindigkeit von 0,1 mm/s
hat der Überlappungsgrad nach Gleichung 3.5 einen Wert von 99, 99968 %. Mit dem Anstieg
der Schreibgeschwindigkeit auf 0,6 mm/s sinkt der Grad der Überlappung auf 99, 99813 %
ab. Bei einer Verzehnfachung der Schreibgeschwindigkeit auf 6 mm/s reduziert sich der
Überlappungsgrad auf 99, 98136 %. Trotz der Abnahme des Überlappungsgrads in beiden
Fällen nimmt die Linienbreite mit steigender Schreibgeschwindigkeit deutlich ab.
Die Verläufe in den gezeigten Diagrammen lassen auf einen Anstieg der Linienbreite
durch eine höhere Anzahl der Belichtungen trotz konstanter Spotanzahl schließen. Das
bedeutet, dass der schwach belichtete Bereich durch eine erneute schwache Belichtung
zur vollständigen Reaktion gebracht werden kann. Dieses Verhalten ist für die weiteren
Versuche und die dreidimensionale Strukturierung wichtig. Um möglichst glatte Oberflächen
zu erhalten, ist bei der Herstellung ein großer Überlappungsgrad vorteilhaft (vgl. Abb. 6.11),
wodurch die minimale Linienbreite deutlich beschränkt ist.
1 High Power Exposure Technique
2 Low Power Exposure Technique
78

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
7.2. Abhängigkeit der Linienbreite von Leistung und
Schreibgeschwindigkeit bei 3D-Gitterstrukturen
Um eine möglichst genaue Übersicht über das Verhalten des positiven Fotolacks bei der
Herstellung dreidimensionaler Strukturen mittels Bearbeitung durch Femtosekundenlaser zu
erhalten, werden zuerst die Abhängigkeiten der Strukturqualität von der mittleren Leistung
des Lasers und der Schreibgeschwindigkeit bestimmt [AKG + 14]. Durch die Analyse dieser
Ergebnisse können Rückschlüsse auf die Übertragbarkeit der Parameter aus Kapitel 7.1 auf
dreidimensionale Strukturen gewonnen werden.
Zu Beginn wird mittels Spincoating der positive Fotolack ma-P 1225 bei einer Rotationsgeschwindigkeit
von 2000 U/min aufgetragen um eine Schichtdicke von 3,5 µm
herzustellen. Zusätzlich erfolgt auf weiteren Proben das Auftragen der 7,5 µm-Schicht des
Fotolacks ma-P 1275 mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 3000 U/min. Um die Menge
des Lösungsmittels und des Wassers im Fotolack zu reduzieren erfolgt ein einminütiges
Softbake bei 100 ◦ C für die Probe mit ma-P 1225 und ein fünfminütiges für ma-P 1275
bei gleicher Temperatur. Anschließend erfolgt die Rehydratation bei Raumtemperatur mit
einer relativen Luftfeuchte von mindestens 40 %. Dieser Vorgang ist notwendig, um die
spätere Umwandlung der DNQ-Säure in Karbonsäure zu garantieren (vgl. Kap. 4.1). Für die
Experimente wird der in Kapitel 6 beschriebene Versuchsaufbau genutzt. Abbildung 7.10
(A) zeigt eine schematische Darstellung der mittels eines Lasers geschriebenen Struktur.
Um ein Schrägstehen der Glasplatte im Versuchsstand zu vermeiden (Abb. 7.10 (C)),
werden die Ränder wie in Kapitel 4.2 beschrieben behandelt. Nach dem Schreib- und
Entwicklungsvorgang ist ein Negativ der geschriebenen Struktur, wie Abbildung 7.10 (B)
zeigt, vorhanden. Die dunklen Linien in Abbildung 7.10 (B) entsprechen den später mit
Elastomer abgeformten Wänden des Werkstücks (vgl. Abb. 7.10 (A)).
Nach Herstellung der Strukturen werden die Proben bei Raumtemperatur 50 Sekunden
(ma-P 1225) bzw. 80 Sekunden (ma-P 1275) in der wässrigen NaOH 3 -basierten Entwicklerlösung
ma-D 331 entwickelt. Reste des Entwicklers ma-D 331 werden durch eine Spülung
mit Wasser entfernt. Dieses Wasser wird im Anschluss bei Raumtemperatur verdunstet.
3 Natriumhydroxid
79

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
(A)
(C)
Objektiv
(B)
Deckglas
Laserstrahl
ma-P 1225
Abbildung 7.10.: Vom Modell zur Struktur Abgebildet sind die Strukturmuster (A und
B) und Prinzipdarstellung (C) der 2PA an positivem Fotolack. (A) Modell
der geschriebenen Gitterstruktur. (B) zeigt ein REM-Bild einer negativen
Gitterstruktur, die mittels des in Abbildung (A) dargestellten formgebenden
dreidimensionalen Modells in positiven Fotolack geschrieben wird. (C) ist
die Prinzipdarstellung der Fokussierung im Versuchsaufbau zur Herstellung
der Strukturen [AKG + 14]
Um den Einfluss der Laserleistung auf die mit dem Laser generierten Strukturen zu
untersuchen, werden die Gitterstrukturen aus Abbildung 7.10 (A) auf die Proben aus
positivem Fotolack übertragen. Die mittlere Laserleistung im Fokus wird nach dem in
Kapitel 6.1 beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Versuchsreihe mit dem positiven Fotolack
ma-P 1225 wird mit fünf mittleren Leistungen 5,4 mW, 6,7 mW, 9,0 mW, 11,2 mW
und 13,4 mW durchgeführt. Um den Einfluss aller anderen Prozessparameter auf die
Ergebnisse zu minimieren, werden diese konstant gehalten. Die Länge der Linien, die
mit einer Schreibgeschwindigkeit von 0,95 mm/s geschrieben werden, beträgt 30 µm und
deren Abstand zueinander jeweils 5 µm. Die Schrittweite in z-Richtung hat einen Betrag
von 500 nm. Dadurch kann die gesamte Schichtdicke des Fotolacks ma-P 1225 mit 10
Schreibebenen abgedeckt werden.
Die Messungen der Linienbreiten erfolgt mittels REM 4 . Um den Einfluss von Parameterschwankungen
zu ermitteln, werden je gewählter Laserleistung fünf Strukturen gefertigt und
ausgewertet. Aus diesen Werten wird die Standardabweichung ermittelt und durch Fehler-
4 Rasterelektronenmikroskop, LEO Model 1520, Zeiss, Jena
80

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
(A)
Linienbreite [µm]
3,5
2,5
1,5
3
2
1
4 6 8 10 12 14
Mittlere Leistung [mW]
(B)
(C)
2 µm 3 µm
Abbildung 7.11.: Variation der mittleren Leistung Änderung der Linienbreite in
Abhängigkeit der mittleren Laserleistung bei konstanter Scangeschwindigkeit
von 0,95 mm/s (A). Bei einer Schrittweite von 500 nm in z-Richtung
beträgt die Anzahl der Schichten 10. Die Messung der Linienbreiten erfolgt
mit Hilfe von REM-Bildern. Die Formkontur bei niedriger Laserleistung
ist schärfer (B) als bei hoher Laserleistung (C) [AKG + 14].
balken in Abbildung 7.11 (A) dargestellt. Abb. 7.11 (A) verdeutlicht die Abhängigkeit der
Linienbreite von der mittleren Laserleistung. Die Breite der Linien wächst überproportional
mit der Laserleistung. Bei einer mittleren Laserleistung von 5,4 mW beträgt die durchschnittliche
Linienbreite 1,22 µm bei einer Standardabweichung von 0,05 µm. Mit steigender
mittlerer Laserleistung nehmen sowohl die Linienbreite als auch die Standardabweichung
zu. Die Ergebnisse der Versuchsreihe sind Tabelle 7.1 zu entnehmen.
Tabelle 7.1.: Linienbreiten bei Variation der mittleren Leistung
Mittlere Laserleistung Linienbreite Standardabweichung
[mW] [µm] [µm]
5,4 1,22 0,05
6,7 1,3 0,04
9,0 1,68 0,06
11,2 2,19 0,13
13,4 2,79 0,3
Die Ergebnisse bestätigen die qualitative Übertragbarkeit der in Kapitel 7.1 ermittelten
81

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Parameter auf dreidimensionale Strukturen. Die relative Standardabweichung beträgt bei
niedrigen Leistungen 4,1 % bei 5,4 mW, 3,1 % bei 6,7 mW und 3,6 % bei 9,0 mW. Mit
Zunahme der Laserleistung auf 13,4 mW steigt die relative Standardabweichung auf 10,7 %
an. In Abbildung 7.11 (B), die eine Vergrößerung der mit 5,4 mW geschriebenen Struktur
zeigt, ist zu erkennen, dass die Konturen der Wände in x-y-Richtung nahezu gerade verlaufen
und keine Rundungen an den Ecken aufweisen. Im Gegensatz dazu sind die Ecken der
Wände bei höheren Laserleistungen deutlich stärker gerundet. Entsprechend verkürzt ist
der gerade Verlauf der Konturen. Eine weitere Erhöhung der mittleren Laserleistung führt
zu Mikroexplosionen, die die Strukturen stark schädigen.
2,5
(A) (B) (C)
Linienbreite [µm]
2
1,5
1
0,5
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Schreibgeschwindigkeit [mm/s]
2 µm 2 µm
Abbildung 7.12.: Variation der Schreibgeschwindigkeit Änderung der Linienbreite
in Abhängigkeit der Schreibgeschwindigkeit bei konstanter Laserleistung
von 5,4 mW (A). Die Linienbreiten werden anhand von REM-Bildern
vermessen. Die Formkontur ist bei hoher Schreibgeschwindigkeit schärfer
(C) als bei niedriger Schreibgeschwindigkeit (B) [AKG + 14].
Im Folgenden wird eine Variation der Schreibgeschwindigkeit bei der Herstellung der
Strukturen vorgenommen. Die Geschwindigkeiten werden ausschließlich durch den Galvanoscanner
variiert. Hierbei werden nur die mechanischen Achsen zur Positionierung der
Proben genutzt. Die Schreibgeschwindigkeit wird von 0,38 mm/s auf 1,9 mm/s in Schrittweiten
von 0,38 mm/s gesteigert (vgl. Abb. 7.12 (A)). Aus insgesamt fünf Strukturen je
Schreibgeschwindigkeit werden der Mittelwert und die Standardabweichung ermittelt. Die
82

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
gleichzeitige Variation anderer Parameter erfolgt nicht. Bei 5,4 mW durchschnittlicher
Laserleistung werden in dieser Versuchsreihe Linien einer Kantenlänge von 30 µm mit einem
Abstand von 5 µm zueinander gefertigt. Die Schrittweite in z-Richtung beträgt 500 nm. Bei
einer Dicke der Lackschicht von 3,5 µm ist dadurch sichergestellt, dass nach 10 Schritten,
und damit 10 hergestellten Schichten, eine vollständige Strukturierung über die gesamte
Schichtdicke des positiven Fotolacks stattfindet.
Abbildung 7.12 (A) zeigt die Abhängigkeit der Linienbreite im positiven Fotolack von der
Schreibgeschwindigkeit. Die Linienbreite hat bei einer Schreibgeschwindigkeit von 0,38 mm/s
einen Wert von 1,9 µm, die entsprechende Standardabweichung beträgt 0,12 µm. Die Steigung
des Kurvenverlaufs der Linienbreite nimmt mit zunehmender Schreibgeschwindigkeit
ab. Die entsprechenden Werte sind der Tabelle 7.2 zu entnehmen. Die relative Standardabweichung
der Linienbreite beträgt bei niedrigen Schreibgeschwindigkeiten ungefähr 6, 3 %.
Mit größer werdender Schreibgeschwindigkeit nimmt die Linienbreite ab (vgl. hierzu die
Abb. 7.12 (B) und (C)). Ebenso steigt die Standardabweichung auf näherungsweise 14 %,
mit höherer Schreibgeschwindigkeit, an.
Der Vergleich der Abbildungen 7.12 (B) und (C) zeigt deutlich, dass bei einer niedrigen
Schreibgeschwindigkeit von 0,38 mm/s eine stärkere Krümmung der Konturkanten vorhanden
ist als bei einer Schreibgeschwindigkeit von 1,52 mm/s.
Tabelle 7.2.: Linienbreiten bei Variation der Schreibgeschwindigkeit
Schreibgeschwindigkeit Linienbreite Standardabweichung
[mm/s] [µm] [µm]
0,38 1,9 0,12
0,76 1,44 0,06
1,14 1,09 0,04
1,52 0,92 0,0,12
1,9 0,86 0,12
Die Analyse der in diesem Kapitel erhaltenen Ergebnisse bestätigt die qualitative Übertragbarkeit
der Ergebnisse bezüglich der Linienbreiten bei unterschiedlichen Schreibgeschwindigkeiten
und Laserleistungen aus Kapitel 7.1. In Abbildung 7.13 wird ein Vergleich der
Linienbreiten für 2D- und 3D-Strukturierung vorgenommen. Das Diagramm zeigt zum
83

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
einen den Kurvenverlauf aus Abbildung 7.12 (A), bei dem die Schreibgeschwindigkeit mit
konstanter Laserleistung variiert wird. Zum anderen sind die Werte bei Ein- und Zehnfachbelichtung
aus Kapitel 7.1 aufgetragen. Bei Einfachbelichtung werden die Linienbreiten für
die Schreibgeschwindigkeiten 0,3 und 0,6 mm/s angegeben. Entsprechend werden für die
Zehnfachbelichtung die Werte bei Schreibgeschwindigkeiten von 1 und 2 mm/s angegeben.
2,5
Linienbreite [µm]
2
1,5
1
0,5
1-fache Belichtung
10-fache Belichtung
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Schreibgeschwindigkeit [mm/s]
Abbildung 7.13.: Vergleich der Linienbreite bei 2D- und 3D-Strukturierung Gezeigt
ist der Verlauf der Kurve der Änderung der Linienbreite, hergestellt
mit einer mittlerer Laserleistung von 5,4 mW (vgl. Abb. 7.12 (A)) (rote
Punkte) zusammen mit Werten aus Kapitel 7.1 mit annähernd gleicher
mittlerer Laserleistung bei 1-facher und 10-facher Belichtung (grüne Punkte).
Die Linienbreite der einfach belichteten 2D-Strukturen ist um etwa 1/5 geringer als die
der 3D-Strukturen. Dies ist durch eine Mehrfachbelichtung und Überlappung der Voxel
innerhalb der 3D-Struktur zu erklären. Bei einer Linienbreite von 1,7 µm beträgt die
Voxelhöhe ungefähr 5 µm. Dementsprechend führt dies bei einer gewählten Schrittweite von
500 nm in z-Richtung zu einer Mehrfachbelichtung jeder einzelnen Schicht. Beim Vergleich
mit den bei der 10-fachen Belichtung entstandenen 2D-Strukturen ist eine Verdopplung
der Linienbreite zu beobachten. Da jedes Voxel der 3D-Struktur maximal sieben Mal in
84

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
z-Richtung belichtet wird, ist die Verdopplung der Linienbreite nicht wie im vorherigen Fall
auf die Mehrfachbelichtung zurückzuführen sondern auf die Sensitivität der verwendeten
Fotolacke.
Die beiden Fotolacke unterscheiden sich in der Menge an enthaltenem Lösungsmittel.
Diese bestimmt die Viskosität der Fotolacke. Dadurch können mit verschiedenen Fotolacken
unterschiedliche Schichtdicken für verschiedenen Anwendungsbereiche erzeugt werden. Nach
der Erzeugung der Lackschichten mit einer Dicke von 500 nm mit dem Fotolack ma-P 1205
und 3 µm Schichtdicke von ma-P 1225 wird das Lösungsmittel durch den Backvorgang
entfernt. Die Veränderung des Fotolacks während des Backvorgangs ist ebenso inhomogen
wie die der Rehydratation nach dem Erhitzen. Die dabei entstehenden Gradienten bezüglich
des Lösungsmittel- und Wassergehalts haben entscheidenden Einfluss auf die Linienbreite.
Zur Überprüfung dieser These wird eine weitere Versuchsreihe mit Proben des positiven
Fotolacks ma-P 1275 durchgeführt. Dazu werden Proben mit einer Schichtdicke von 7,5 µm
verwendet. Die Strukturen werden mit einer Schreibgeschwindigkeit von 1,5 mm/s und
einer durchschnittlichen Laserleistung von 7,9 mW hergestellt. Der Abstand der Schichten
in z-Richtung beträgt 500 nm. Die in Abbildung 7.14 gezeigten Strukturen haben auf der
Oberfläche des Deckglases einen Abstand von 1,3 µm zueinander. Dieser Abstand ist über
eine Höhe von ungefähr 7 µm konstant. An der Deckschicht verringert sich die Entfernung
auf ungefähr 650 nm. Die Deckschicht mit den deutlichen Überhängen wird als T-Top
bezeichnet. Um sie im gleichen Maße zu bearbeiten wie das restliche Volumen des positiven
Fotolacks, muss eine höhere Pulsenergie bzw. mittlere Laserleistung aufgewendet werden.
Die Dicke der T-Tops der Lacke ma-P 1225 und ma-P 1275 sind gleich und betragen etwa
500 nm. Dies entspricht der Gesamtdicke der Schicht des Fotolacks ma-P 1205, wie sie in
den Versuchsreihen in Kapitel 7.1 verwendet wird.
Die Entstehung des T-Tops ist auf chemische Vorgänge zurückzuführen. Durch den
Kontakt der Oberfläche des Fotolacks mit der umgebenden Luft sowohl beim Backvorgang
als auch bei der Rehydratation reagiert der Fotolack mit Bestandteilen der Umgebungsluft.
Demzufolge wird die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschicht im Vergleich
zum weiteren Lackvolumen verändert. Infolgedessen wird der Grenzwert zum Starten einer
chemischen Reaktion durch die Belichtung angehoben (vgl. Kap. 3.2).
Abbildung 7.15 zeigt im Fotolack ma-P 1275 hergestellte Strukturen, die mit 7,7 mW
85

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
2 µm
Abbildung 7.14.: T-Top Zu sehen ist die perspektivische Ansicht einer negativen Gitterstruktur
im 7,5 µm dick aufgetragenen Fotolack ma-P 1275 im 30 ◦ -Winkel.
Die Schreibgeschwindigkeit bei der Herstellung der Strukturen ist 1,5 mm/s
und die verwendete mittlere Laserleistung beträgt 7,9 mW.
mittlerer Laserleistung in den Lack geschrieben werden. Die Schichtdicke des Lacks beträgt
ungefähr 30 µm. Der Abstand zwischen zwei Blöcken ist 1,6 µm. Dies ergibt ein Aspektverhältnis
von 18. Beim Herausnehmen der Probe aus der Entwicklerflüssigkeit wirken
Scherkräfte auf die Strukturen durch das Abfließen des Entwicklers. Daher kann es in
einigen Fällen dazu kommen, dass sich die Strukturen von der Glasoberfläche ablösen, wie
in Abbildung 7.15 zu sehen ist. Die Vergrößerung der Strukturgrundfläche kann einem
Ablösen beim Entwicklungsvorgang entgegenwirken, da diese zu einer besseren Haftung des
Fotolacks an der Glasoberfläche führt.
7.3. Einfluss der Abbildungsfehler durch das
Mikroskopobjektiv
Der Versuchsaufbau bietet zwei Möglichkeiten die Strukturen in den positiven Fotolack
zu schreiben (vgl. Kap. 6). Zum einen wird der Fokus mittels des Glavanoscanners in
86

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
10 µm
Abbildung 7.15.: Geringe Haftung der Strukturen Abgebildet ist die REM-Aufnahme
einer negativen Gitterstruktur in positivem Fotolack. Der Fotolack ma-
P 1275 hat eine Schichtdicke von 30 µm. Die mittlere Laserleistung zur
Fertigung der Strukturen beträgt 7,7 mW. Durch mangelnde Haftung des
Fotolacks an der Oberfläche des Deckglases ist die Gitterstruktur an einigen
Stellen zerstört.
x- und y-Richtung bewegt. Zum anderen können die Spiegel des Galvanoscanners fixiert
werden, sodass der Laserstrahl unbeweglich ist. Unter dieser Voraussetzung bewegen zwei
mechanische Achsen die Proben relativ zum Fokus. In beiden Fällen übernimmt jedoch eine
mechanische z-Achse die Bewegung in z-Richtung. In erster Linie bestimmt die Größe der
zu schreibenden Struktur das anzuwendende Verfahren. Bis zu einer Länge der Strukturaußenkanten
von 50 µm wird der Galvanoscanner verwendet. Dieser erreicht vielfach höhere
Schreibgeschwindigkeiten als die mechanisch gelagerten Achsen. Die Qualität der Strukturen
ist in diesem Fall von der Höhe der verwendeten Pulsintensitäten beziehungsweise den
mittleren Laserleistungen abhängig. Abbildung 7.16 zeigt die Draufsicht einer Gitterstruktur
in positivem Fotolack, die mit einer mittleren Leistung von 12,2 mW geschrieben wurde.
Die Pulsintensität ist dabei deutlich größer als der Schwellwert, der überschritten werden
87

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
muss, um die chemischen Reaktionen durch 2PA zu starten. Die verwendete Schrittweite
∆z zur Herstellung der in Abbildung 7.16 gezeigten Gitterstruktur beträgt 0,1 µm. Die
Schreibgeschwindigkeit des Galvanoscanners ist in dieser Versuchsreihe 1,9 mm/s. Die
vorhandene Schicht des positiven Fotolacks hat eine Dicke von 30 µm.
Abbildung 7.16.: Einfluss von Koma auf die Stukturqualität Dargestellt ist die
REM-Aufnahme einer negativen Gitterstruktur in positivem Fotolack.
Die Draufsicht zeigt die Größenänderung der viereckigen Grundflächen in
Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel.
In Abbildung 7.16 ist zu sehen, dass die Strukturen innerhalb des entstandenen Feldes
lokal verschieden sind. In der Mitte des Feldes sind die dreidimensionalen Strukturen
pyramidenförmig mit quadratischer Grundfläche. Die geschriebenen Linien zwischen den
Strukturen werden mit zunehmendem Abstand von der Mitte des Feldes breiter. Dadurch
werden die Grundflächen der Strukturen reduziert und weisen keine quadratische Kontur
auf.
Durch die in dieser Versuchsreihe verwendeten hohen mittleren Laserleistungen erhöht
sich das Volumen der einzelnen Voxel. Entsprechend vergrößert wird der schwach belichtete
Bereich (vgl. Abb. 7.9), der durch die geringe Schrittweite in z-Richtung und die damit
88

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
verbundene Mehrfachbelichtung der geschriebenen Linien vollständig gelöst wird. Die starke
Vergrößerung der Voxel bewirkt, dass sich benachbarte Linien berühren und der positive
Fotolack im mittleren Bereich der Schichtdicke vollständig gelöst wird. Dies verhindert
die gerade Ausprägung der Strukturwände in z-Richtung und bedingt die Entstehung der
Pyramidenform.
Die verschiedenen Grundflächen der Strukturen sind durch die unterschiedlichen Winkel,
in denen der Laserstrahl durch das Objektiv fällt, zu erklären. Eine quadratische Grundfläche
ergibt sich durch den senkrechten Einfall des Laserstrahls auf die Probe. Bei schrägem Einfall
des Laserstahl durch die Linsen des Objektivs entsteht ein Abbildungsfehler, der Koma
genannt wird. Der Koma bewirkt eine Vergrößerung des Fokus. Die Meridionalstrahlen, die
das Objektiv am äußeren Rand passieren, haben im Fokusbereich eine größere Entfernung
zur optischen Achse als die Strahlen, die durch die Mitte der Linse fallen. Die Verbreiterung
des Fokus mit zunehmendem Winkel des einfallenden Strahls zur optischen Achse wird als
positive Koma bezeichnet [Hec94].
7.4. Dreidimensionale Strukturen als Voraussetzung für
das LIGA Verfahren
Unter Einbeziehung der in den Kapiteln 7.1 ff. vorgestellten Ergebnisse werden nachfolgend
komplexe dreidimensionale Strukturen hergestellt. Diese anwendungsorientierten
dreidimensionalen Strukturen dienen als Grundlage zur Erweiterung des konventionellen
LIGA-Verfahrens.
Abbildung 7.17 (A) zeigt einen Elastomerabdruck einer in positivem Fotolack geschriebenen
Struktur in Form eines Pyramidenstumpfs mit einer Kantenlänge von 20 µm und einer
Höhe von etwa 30 µm. Die mittlere Leistung hierbei beträgt 11,5 mW und die Schreibgeschwindigkeit
0,5 mm/s. Die Schrittweite in z-Richtung ist mit 1 µm vorgegeben sowie mit
0,6 µm in x- und y-Richtung.
Das mittels CAD-Programm erstellte Modell dieses Pyramidenstumpfs hat einen Steigungswinkel
von 72 ◦ (vgl. Anhang B.2). Der in Abbildung 7.17 (A) gezeigte Elastomerabdruck
weist lediglich im mittleren Bereich der Kante des Pyramidenstumpfs diese Steigung
89

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
auf. Im unteren Bereich hingegen ist eine deutlich größere Steigung zu erkennen. Auch die
Spitze des Elastomerabdrucks ist abgerundet. Der Vergleich mit dem CAD-Modell zeigt,
dass das Plateau des Stumpfs nach dem Backvorgang nicht mehr im positiven Fotolack
existiert. Die Kombination aus einer niedrigen Schreibgeschwindigkeit und hohen Leistungen
reduziert die Auflösung der Struktur im positiven Fotolack und damit einhergehend die
Auflösung des Elastomerabdrucks. Zusätzlich verändert der Backvorgang abhängig von
Temperatur und Dauer die Form der Strukturen im positiven Fotolack in geringem Maße
[Glo11]. Folglich werden diese Veränderungen vom Elastomer übernommen.
Abbildung 7.17 (B) zeigt einen Elastomerabdruck, der beim Entfernen des Elastomers
abgerissen und im positiven Fotolack zurückgeblieben ist. Die Festigkeit des Elastomers und
damit die Wahrscheinlichkeit eines Abrisses sinkt durch die Erhöhung des Curing-Agent-
Anteils bei dem Mischungsverhältnis der zwei Komponenten des Elastomers (vgl. Kap. 5.2).
Durch die Wahl des richtigen Mischungsverhältnisses ergibt sich eine zuverlässige Möglichkeit
zur Abformung der Strukturen aus positivem Fotolack. Der Vorteil gegenüber der im LIGA-
Verfahren genutzten Abformung mittels einer Metalllegierung ist der geringere Sicherheitsund
Arbeitsaufwand. Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen entfallen, da die Nutzung eines
Elektrolytbads nicht erforderlich ist.
Eine Änderung des Volumens durch den Temperatureinfluss während des Backvorgangs
führt vereinzelt zu Beschädigungen des positiven Fotolacks. Diese treten bevorzugt bei
Strukturen mit eckiger Grundfläche auf. Die dabei entstehenden Risse in den Ecken weisen
eine Tiefe von mehreren Mikrometern auf (vgl. Abb. 7.17 (C)). Risse und andere
Beschädigungen im Fotolack übertragen sich durch den Prozess der Abformung auf das
Elastomer. Eine solche Übertragung ist in Abbildung 7.17 (A) als dunkle Linie zu erkennen.
Um eine Verbesserung der Qualität zu erzielen und das Verfahren zur Herstellung
von Strukturen mit geringem Abstand zueinander zu verwenden, sind Pyramiden-Arrays
bestehend aus drei Pyramiden erzeugt worden (vgl. Abb. 7.18). Die mittlere Laserleistung
zur Anfertigung der Negative in positivem Fotolack beträgt, bei einer Schreibgeschwindigkeit
von 0,4 mm/s, 8,5 mW. Die Schrittweite in z-Richtung ist 1 µm sowie 0,6 µm in x- und
y-Richtung. Die Reduktion der mittleren Laserleistung und der Schreibgeschwindigkeit im
Vergleich zu den genutzten Parametern zur Herstellung der in Abbildung 7.17 gezeigten
Strukturen lassen die Oberfläche der mittels Elastomer abgeformten Strukturen glatter
90

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
(A)
10 µm
(B)
(C)
5 µm
5 µm
Abbildung 7.17.: Pyramide mit großer Steigung Einen Elastomerabdruck eines Pyramidenstumpfs
dessen CAD-Modell einen Steigungswinkel von 72 ◦ aufweist
zeigt Abbildung (A). Lediglich der mittlere Bereich der Kante des Elastomerabdrucks
weist diesen Steigungswinkel auf. Im unteren Bereich ist die
Steigung deutlich größer, die Spitze des Abdrucks ist abgerundet. Abbildung
(B) zeigt einen Elastomerabdruck, der beim Ablösen gerissen und
im positiven Fotolack steckengeblieben ist. Der in Bild (C) zu sehende
Riss im positiven Fotolack ist einige µm tief und durch den Backprozess
entstanden.
erscheinen. Eine bessere Kantenschärfe ist ebenfalls zu erkennen.
Abbildung 7.18 (A) zeigt drei Pyramiden aus dem Elastomer mit einer Seitenlänge
der Grundfläche von 20 µm und einer Höhe von 30 µm. Der Abstand der Pyramiden an
der Grundfläche beträgt 1,5 µm zueinander. Die Steigung der Seitenflächen ist 72 ◦ und
gleichbleibend über die gesamte Höhe der Pyramiden. Eine limitierende Komponente bei
der Herstellung qualitativ hochwertiger Strukturen ist der positive Fotolack. Der geringe
91

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Abbildung 7.18.: Array aus Pyramidenstümpfen Abbildung (A) zeigt ein Array bestehend
aus drei Pyramiden mit einem Abstand von 1,5 µm zueinander. Die
Pyramiden bestehen aus dem Elastomer PDMS und haben einen Steigungswinkel
von 72 ◦ . Zwischen den Pyramiden befinden sich Teile des positiven
Fotolacks, die aufgrund des geringen Abstands zwischen den Pyramiden
beim Ablösevorgang des Elastomers abgebrochen sind (vgl. Abb. (B)). Eine
Erweiterung des Abstands zwischen den Pyramiden von 1,5 µm auf 5 µm
erhöht die Dicke des Lacks zwischen den Strukturen und damit die Stabilität
des positiven Fotolacks. Das Resultat sind klar abgegrenzte Strukturen,
wie sie in Abbildung (C) zu sehen sind. Die Schreibgeschwindigkeit bei der
Herstellung der gezeigten Strukturen beträgt 0,4 mm/s, bei einer mittleren
Laserleistung von 8,5 mW. Die Schrittweite in z-Richtung ist 1 µm sowie
0,6 µm in x- und y-Richtung.
Abstand zwischen den Strukturen führt zum Herausbrechen einzelner Teile der aus positivem
Fotolack bestehenden Struktur. Dies zeigt sich sowohl im Fotolack (vgl. Abb. 7.18(B))
als auch an den Rückständen des Fotolacks zwischen den Pyramiden aus Elastomer (vgl.
7.18(A)).
Abbildung 7.18 (B) zeigt die in positiven Fotolack geschriebene Negativstruktur der
Pyramiden aus Abbildung 7.18 (A). Der Fotolack, der im direkten Kontakt zu den Strukturen
92

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
steht, ist in weiten Teilen beim Ablösen des Elastomers herausgebrochen. Hauptsächlich
betroffen sind die dünnen Wände zwischen den Strukturen sowie ein Bereich in direkter
Umgebung von mehreren Mikrometern. Der verringerte Anteil des Wassers im positiven
Fotolack nach dem Backen begünstigt diesen Vorgang, da der Lack dadurch spröder
wird. Durch den Backvorgang, bei dem sich der Fotolack zusammenzieht, ist ein mehrere
Mikrometer tiefer Riss zwischen der mittleren und der unteren Struktur entstanden. Da
dieser Riss nicht auf das Elastomer übertragen worden ist, hat die Rissbildung erst nach dem
Aushärten des Elastomers stattgefunden (vgl. Abb. 7.18 (A)). Weitere Risse im positiven
Fotolack sind ausgehend von den Ecken der oberen und unteren Struktur zu sehen. Hier
gibt es gleichermaßen keine Übertragung in das Elastomer; diese Risse sind ebenfalls nach
Aushärtung des Elastomers, während des Backvorgangs entstanden.
Da das Elastomer beim Backvorgang schneller aushärtet als der positive Fotolack
schrumpft, werden die im positiven Fotolack gefertigten Strukturen detailliert vom Elastomer
übernommen. Auch die Beschädigungen des Fotolacks beim Ablöseverfahren übertragen
sich nicht auf die Strukturen des Elastomers. Als Abhilfemaßnahme kann das Herausbrechen
einzelner Teile des positiven Fotolacks durch eine Erhöhung der Wandstärke zwischen den
Strukturen verhindert werden. In einer weiteren Versuchsreihe ist diese These überprüft
worden. Die Elastomerabformungen der Pyramiden mit einem Abstand von 5 µm zueinander
sind in Abbildung 7.18 (C) zu sehen.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Veränderungen des positiven Fotolacks beim
Backvorgang, die sich nicht auf das Elastomer übertragen, haben die Schreibparameter einen
ganz entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Strukturen im Elastomer. Abbildung 7.19
(A) zeigt eine Elastomerstruktur eines Kegelstumpfes mit einem Krater in der Deckfläche.
Die Steigung der Mantelfläche beträgt 71 ◦ und der Durchmesser der Grundfläche ist 25 µm.
Die Laserleistung bei der Herstellung der Struktur im positiven Fotolack ist 8,5 mW und die
Schreibgeschwindigkeit 0,6 mm/s. Die Schrittweite in z-Richtung beträgt 1,2 µm und in x-
sowie y-Richtung 0,8 µm. An der Oberfläche des Kegelstumpfs sind die Abdrücke der Linien
zu erkennen, die durch den Fokus des Laserstrahls in den positiven Fotolack geschrieben
werden (vgl. Abb. 7.19 (B)). Obwohl die Schrittweiten in x-, y- und z-Richtung während des
Schreibvorgangs nicht variieren, ist nur der untere Teil des Kegelstumpfs im Lack entwickelt.
Ein großer Abstand zwischen den einzelnen geschriebenen Linien im positiven Fotolack
93

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
resultiert in einer unvollständigen Verbindung der Linien untereinander. Eine unzureichend
geringe Entwicklungsdauer des Fotolacks führt unter diesen Bedingungen zu einer unvollständigen
Entwicklung der Struktur. Die in der Struktur im Fotolack entstandenen Fehler
werden ebenfalls auf die Abformung durch das Elastomer übertragen. Der obere Teil des
Stumpfs erscheint abgerissen und der vorhandene Stumpf zeigt im oberen Bereich weitere
Schäden an der Oberfläche.
(A)
(B)
10 µm
10 µm
Abbildung 7.19.: Kegelstumpf und Negativ des Kegelstumpfs Abbildung (A) zeigt
einen Kegelstumpf mit einem tiefen Krater in der Deckfläche. In Abbildung
(B) ist das Negativ des Kegelstumpfs im positiven Fotolack zu sehen. Die
Schreibgeschwindigkeit zur Herstellung des Negativs beträgt 0,6 mm/s und
die mittlere Leistung 8,5 mW. Die Schrittweite in z-Richtung ist 1,2 µm
und in x- sowie y-Richtung 0,8 µm.
Um den Einfluss des Entwicklungsvorgangs auszuschließen, wird die Entwicklungszeit auf
8 Minuten erhöht. Dadurch ist sichergestellt, dass die gesamte Struktur, die in den positiven
Fotolack geschrieben wird, nach der Entnahme der Probe aus der Entwicklerflüssigkeit
entwickelt ist. Die für diese Versuche verwendete mittlere Leistung ist 8,5 mW und die
Schreibgeschwindigkeit wird auf 0,8 mm/s erhöht. Die Schrittweite in z-Richtung beträgt
1,7 µm sowie in x- und y-Richtung 1 µm. Die hergestellte Struktur sowie deren Abformung
im Elastomer sind in Abbildung 7.20 zu sehen. Eine zu hoch gewählte Schreibgeschwindigkeit
in Verbindung mit den großen Schrittweiten in x-, y- und z-Richtung führen zu einem
94

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
schlechten Verhältnis zwischen Linienbreite und -höhe sowie dem Linienabstand. Die Linien
sind dadurch am Rand des abgeformten Pyramidenstumpfs zu erkennen und voneinander
abgrenzbar, wie in Abbildung 7.20 (A) zu sehen ist. Die Seitenwände des Pyramidenstumpfs
sind nicht glatt sondern haben eine Stufenform, die auch am Negativ in Abbildung 7.20
(B) zu erkennen ist. Der große Abstand zwischen den Linien in x- und y-Richtung führt zu
einem Streifenmuster am Boden der Struktur in Abbildung 7.20 (B).
Abbildung 7.20.: Raue Pyramidenstruktur und Negativ Durch zu große Schrittweiten
in x-, y- und z-Richtung bei einer mittleren Leistung von 8,5 mW und
einer Schreibgeschwindigkeit von 0,8 mm/s ergibt sich eine Oberfläche mit
großer Rauheit von über 250 nm auf der Pyramide.
Basierend auf den Resultaten aus den Kapiteln 7.1 bis 7.3 und den oben aufgeführten
Ergebnissen wird nachfolgend das Potential Strukturen mittels 2PA in Kombination mit dem
LIGA-Verfahren in positivem Fotolacken zu schreiben untersucht. Dazu werden Pyramidenund
Kegelstümpfe mit geringen Steigungen der Außen- und Mantelflächen hergestellt. Dies
ist mit dem bisher für LIGA verwendeten Verfahren der Maskenbelichtung nicht möglich.
Die Abbildungen 7.21 (A) und 7.22 (B) zeigen Elastomerabformungen von Kegelstümpfen.
Die Herstellung dieser Stümpfe in positivem Fotolack ist mittels eines Maskenbelichtungsverfahrens
nicht möglich. Die Steigung der Mantelfläche liegt bei beiden bei 46 ◦ (vgl. Anhang
B.3).
Der Unterschied zwischen der Oberflächenqualität eines Kegelstumpfs aus Elastomer und
95

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
dem dazugehörigen Negativ aus positivem Fotolack wird in Abbildung 7.21 deutlich. Die
mittlere Leistung für die Herstellung der Struktur beträgt 10 mW. Das Negativ wird mit
einer Schreibgeschwindigkeit von 0,5 mm/s geschrieben. Die Schrittweite in z-Richtung ist
1 µm sowie 0,6 µm in x- und y-Richtung. Der Durchmesser der Grundfläche des Kegelstumpfs
beträgt 50 µm.
(A)
(B)
10 µm
20 µm
10 µm
Abbildung 7.21.: Elastomerkegel mit geringer Steigung, Rissen und Negativform
im positiven Fotolack In Abbildung (A) ist der abgeformte
Elastomer-Kegelstumpf zu sehen. Das dazugehörige Negativ im positiven
Fotolack zeigt Abbildung (B). Die mittlere Leistung zur Herstellung
beträgt 10 mW und die Schreibgeschwindigkeit 0,5 mm/s. Die Schrittweite
in z-Richtung ist 1 µm und in x- sowie y-Richtung 0,6 µm. Die Stufen
aus dem Negativ wurden nur teilweise auf das Elastomer übertragen. Der
abgerundete Rand an der Grundfläche des Kegelstumpfs entsteht durch
eine geringere Oberflächenlöslichkeit (vgl. Kapitel 7.2).
Trotz der deutlichen Abstufungen im positiven Fotolack in Abbildung 7.21 (B) werden
diese nur in einem geringen Maß durch die Abformung auf das Elastomer übertragen. Auf
96

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
der Elastomerform des Kegelstumpfs in Abbildung 7.21 (A) sind diese Abstufungen nur
als leichte Wellenform zu erkennen. Gleiches tritt bei der Deckfläche des Kegelstumpfs auf.
Wie in der Vergrößerung von Abbildung 7.21 (B) zu erkennen ist, ist die Deckfläche nicht
glatt. Ein Vergleich mit dem Kegelstumpf aus Elastomer zeigt, dass diese Unebenheiten an
der Deckfläche bei der Abformung nicht übernommen wurden. Zusätzlich sind an dieser
Stelle im Negativ Rückstände des Elastomers zu finden, die beim Ablösen der Schicht
vom positiven Fotolack zurückgeblieben und auf die Deckschicht der Struktur im Fotolack
gefallen sind (Abb. 7.21 (B)). Weitere Rückstände des Elastomers befinden sich auf der
Mantelfläche des Negativs.
Die Oberfläche des positiven Fotolacks hat eine geringere Löslichkeit bei der Bearbeitung
mit dem Femtosekundenlaser, als das nachfolgende Lackvolumen (vgl. Kap. 7.2). Bei der
in Abbildung 7.21 gezeigten Struktur ist dieser Effekt ebenfalls zu erkennen. Durch das
große Verhältnis zwischen der Strukturgröße im positiven Fotolack und den Überhängen
der Oberfläche des Fotolacks ist der Einfluss auf die Strukturqualität geringer als bei den
in Kapitel 7.2 vorgestellten T-Tops (vgl. Abb. 7.14). Die Überhänge der Deckschicht beim
positiven Fotolack resultieren in einem größeren Steigungswinkel am Fuß des Kegelstumpfs.
Die entstandenen Risse des in Abbildung 7.21 (A) abgebildeten Kegelstumpfs treten durch
den Ablöseprozess des Elastomers von der Lackoberfläche auf. Durch eine Anpassung des
Mischungsverhältnisses bei der Verarbeitung des Elastomers können diese vermieden werden
(vgl. Kap. 5.2).
Langsameres Schreiben bei der Herstellung der Negative in positivem Fotolack führt zu
einer sichtbaren Steigerung der Strukturqualität. Für die Fertigung der Negative der in
Abbildung 7.22 gezeigten Strukturen wird die mittlere Laserleistung auf 7,7 mW und die
Schreibgeschwindigkeit auf 0,3 mm/s reduziert. Um zusammenhängende Strukturen zu
erhalten, ist aufgrund der reduzierten Voxelgröße und damit auch geringeren Linienbreiteund
höhe eine Reduktion der Schrittweiten in x-, y- und z-Richtung erforderlich. Die Schrittweite
in z-Richtung beträgt 0,9 µm und in x- sowie y-Richtung 0,5 µm. Der Kegelstumpf
in Abbildung 7.22 (B) weist eine sehr glatt erscheinende Mantelfläche und eine detailliert
abgeformte Deckfläche auf. Im Gegensatz dazu sind beim Pyramidenstumpf in Abbildung
7.22 (A) die Abstufungen der einzelnen Schichten in z-Richtung klar zu erkennen, die
Rauheit beträgt fast 200 nm. Die Oberflächenrauheit verringert sich durch eine geringere
97

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Abbildung 7.22.: Pyramiden- und Kegelstumpf Der Steigungswinkel beider Strukturen
beträgt 46 ◦ . Zur Herstellung wird eine mittlere Laserleistung von 7,7 mW
und eine Schreibgeschwindigkeit von 0,3 mm/s genutzt. Die Schrittweite
in z-Richtung ist 0,9 µm und in x- sowie y-Richtung 0,5 µm. Die Oberflächenrauheit
des Pyramidenstumpfs in Abbildung (A) ist größer als die
des Kegelstumpfs in Abbildung (B).
Schreibgeschwindigkeit sowie eine reduzierte mittlere Laserleistung. Die dadurch notwendige
Verringerung der Schrittweiten in x-, y- und z-Richtung fährt zu einer längeren Herstellungszeit
der Strukturen im positiven Fotolack. Die Risse an den Ecken des abgeformten
Pyramidenstumpfs sind während des Ablöseprozesses des Elastomers vom positiven Fotolack
entstanden. Die beschädigten Konturen an den Rändern der Grundfläche entstehen durch
das veränderte Reaktionsverhalten der Lackoberfläche während der Bearbeitung mittels
eines Laserstrahls, das bei einfachen Strukturen zu einem T-Top führt (vgl. Abb. 7.14).
Zusätzlich zur Möglichkeit des Schreibens von Strukturen mit geringen Steigungen der
Seiten- bzw. Mantelflächen ist die Herstellung komplexer Strukturen, wie sie bei einer
schrägen Verzahnung von Zahnrädern vorhanden sind, eine entscheidende Erweiterung für
die Anwendungsmöglichkeiten des LIGA-Verfahrens. Für diese Versuchsreihe wird ein Modell
eines in sich verdrehten Pyramidenstumpfs genutzt (vgl. Anhang B.5). Die Grundfläche
des in Abbildung 7.24 gezeigten Elastomer-Abdrucks beträgt 50 µm · 50 µm. Um den
Ablösevorgang nach der Abformung zu erleichtern, beträgt die Kantenlänge der Deckfläche
3/4 der Kantenlänge der Grundfläche. Dieser Unterschied führt zu einer Entformungsschräge,
die bei herkömmlichen Gießverfahren angewendet wird.
98

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
(A)
(B)
20 µm 20 µm
Abbildung 7.23.: Negativ der gewundenen Pyramidenstümpfe Die Abbildungen zeigen
Negative im positiven Fotolack zu den Strukturen aus Abbildung 7.24.
Die Schrittweite in z-Richtung ist 0,8 µm und ist an den Rändern der
Struktur teilweise zu erkennen. In x- und y-Richtung beträgt die Schrittweite
0,3 µm. Zur Herstellung der Strukturen wird eine mittlere Leistung
von 5 mW und eine Schreibgeschwindigkeit von 0,1 mm/s genutzt. Die in
Abbildung (A) und (B) zu sehenden Rückstände des Elastomers sind beim
Ablösen vom positiven Fotolack entstanden.
Zur Simulation der Anforderungen an die Herstellung von Zahnrädern mit Schrägverzahnung
durch das LIGA-Verfahren wird die Deckfläche des Pyramidenstumpfs um 45 ◦ zur Grundfläche
verdreht. Die Verringerung der Voxelgröße und damit der Linienbreiten sowie die
Reduktion der Schrittweiten in x-, y- und z-Richtung erhöht die Qualität der Strukturen.
Die mittlere Laserleistung zur Herstellung des Negativs im positiven Fotolack beträgt
in diesen Versuchen 5 mW. Durch eine Schreibgeschwindigkeit von 0,1 mm/s steigt die
Produktionszeit einer Struktur auf mehrere Stunden an. Die Schrittweite der mechanischen
Achse in z-Richtung ist 0,8 µm, in x- sowie y-Richtung beträgt sie 0,3 µm. Abbildung 7.23
zeigt die hergestellten Strukturen im positiven Fotolack.
Während die Schrittweite in z-Richtung in den Negativen als Abstufungen in einigen
Bereichen zu erkennen ist (vgl. Abb. 7.23), ist die Schrittweite in den Abformungen aus
Elastomer nur schwach übernommen. Die Oberflächen der Seitenwände weisen eine Rauheit
von teilweise unter 50 nm auf. Durch die Entfernung des Elastomers vom positiven Fotolack
sind einige Beschädigungen an den abgeformten Strukturen aufgetreten. Dazu gehört die
99

Kapitel 7. Von der Linie zur 3D-Struktur
Abbildung 7.24.: Elastomerabdrücke gewundener Pyramidenstümpfe Zur Herstellung
dieser Strukturen in positivem Fotolack wird eine mittlere Leistung
von 5 mW genutzt. Die Schreibgeschwindigkeit ist 0,1 mm/s und die
Schrittweite in z-Richtung 0,8 µm. In x- sowie y-Richtung beträgt die
Schrittweite 0,3 µm. Die Kantenlänge der Deckfläche verfügt über 3/4
der Kantenlänge der Grundfläche. Die gewählten Parameter erlauben eine
zuverlässige Reproduktion der Strukturen (A). Die Mantelflächen haben
eine glatte Oberfläche mit einer Rauheit von teilweise unter 50 nm und
weisen im Bereich der Deck- und Grundfläche wenige Beschädigungen
durch den Ablöseprozess auf.
fehlende Ecke an der Deckfläche in Abbildung 7.24 (B) ebenso wie die sehr rauen Ränder
der Grundflächen beider Strukturen in Abbildung 7.24 (A). Die Rückstände des Elastomers
in den Negativen sind auch auf den Abbildungen 7.23 (A) und (B) zu erkennen. Die
erfolgreiche Herstellung gedrehter Pyramidenstrukturen mittels 2PA in Verbindung mit
positivem Fotolack belegt, dass Strukturen von hoher Qualität angefertigt werden können.
Damit ist gezeigt, dass die Kombination der 2PA mit positivem Fotolack eine über den Stand
der Technik hinausgehende sehr gute Alternative zu bestehenden Belichtungsverfahren für
das LIGA-Verfahren darstellt.
100

Kapitel 8.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Verwendung des LIGA-Verfahrens in industriellen Anwendungen zur Herstellung
von MEMS und MOEMS ist etabliert und weit verbreitet. Die Herstellung verschiedenster
Formen und Strukturen ist damit realisierbar, von Kanälen über Wellenleiter bis hin zu
aufwändigen Zahnrädern. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens ist das zu erreichende
hohe Aspektverhältnis mit einem Wert von >150. Dennoch ist das LIGA-Verfahren weiterhin
Gegenstand der aktuellen Forschung an verschiedenen Instituten. Die Möglichkeiten
diesbezüglich sind bei weitem nicht ausgeschöpft. Hauptziel der Forschungsarbeiten ist die
Enwicklung neuer Verfahren, mit denen neuartige Strukturen oder Materialkombinationen
zu erreichen sind. Zusätzlich liegt ein Forschungsschwerpunkt auf der wirtschaftlichen
Herstellung dreidimensionaler Strukturen.
Thema der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines Verfahrens basierend auf
2PA in Kombination mit positivem Fotolack als neue Anwendung im Bereich der Belichtungsprozesse
für LIGA-Verfahren. Diese Neuentwicklung bietet die Möglichkeit zur Herstellung
komplizierter dreidimensionaler Strukturen. Durch die Verwendung der 2PA bietet sich eine
günstigere und weniger aufwändige Alternative zu bestehenden Belichtungsverfahren.
Während das Verfahren der 2PP, das auf der 2PA beruht, für negative Fotolacke weitestgehend
erforscht ist, werden in dieser vorliegenden Arbeit erstmalig umfangreiche Ergebnisse
zur Verarbeitung eines handelsüblichen positiven Fotolacks mittels 2PA präsentiert. In einer
ausgiebigen Parameterstudie wird das Verhalten des Lacks bei unterschiedlicher Belichtungsart
und -dauer ermittelt (vgl. Kap. 7.1). Zu diesem Zweck werden Linien auf zwei
101

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick
unterschiedliche Arten belichtet. Um einen Vergleich zu gewährleisten wird darauf geachtet,
dass die absolute Menge an Voxeln pro geschriebenen Streckenabschnitt konstant ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Linienbreite bei konstanter Belichtungsart mit steigender
Leistung beziehungsweise sinkender Schreibgeschwindigkeit zunimmt. Die Erhöhung
der Schreibgeschwindigkeiten bei mehrfacher Belichtung vergrößert die Linienbreite im
Durchschnitt um etwa 20 % im Vergleich zur Steigerung der Schreibgeschwindigkeiten
bei einfacher Belichtung. Zurückzuführen ist dies auf die erneute Belichtung der schwach
gelösten Voxelbereiche. Diese Ergebnisse sind für die Herstellung dreidimensionaler Strukturen
von großer Bedeutung. Die Forderung nach einer hohen Oberflächengüte führt zur
Nutzung geringer Schrittweiten in z-Richtung und damit einhergehend zur mehrfachen
Belichtung einer Linie.
Die im Zweidimensionalen ermittelten Ergebnisse werden, wie in Kapitel 7.2 beschrieben,
auf dreidimensionale Strukturen übertragen. Zu diesem Zweck werden Gitterstrukturen
geschrieben, deren gefertigte Oberfläche bezüglich der erreichten Qualität bewertet werden.
Eine geringe Oberflächenrauheit von unter 200 nm der Strukturen ist leicht zu erreichen,
sobald die verwendete mittlere Laserleistung unterhalb von 8 mW liegt. Hierbei ist jedoch
das Verhalten des Fotolacks zu berücksichtigen. Dieser hat der an der Oberfläche eine
andere Reaktionsgeschwindigkeit als innerhalb des Volumens. Eine genau Untersuchung
der Randbereiche der Strukturen zeigte, dass die Strukturen nur in einem vom Objektiv
vorgegebenen Fertigungsbereich hergestellt werden können.
Abschließende Untersuchungen, für die dreidimensionale Strukturen in positivem Fotolack
hergestellt und mittels eines Elastomers abgeformt werden, bestätigen die Eignung
des untersuchten Verfahrens. Geringe mittlere Laserleistungen von 5 mW sowie niedrige
Schreibgeschwindigkeiten von 0,1 mm/s führten zu sehr guten und reproduzierbaren
Ergebnisse.
Die Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen gelang am Beispiel eines gedrehten
Pydramidenstumpfes, der eine glatte Oberfläche mit einer Rauheit von teilweise unter
50 nm aufwies (vgl. Abb. 7.24). Damit stellt die 2PA in Verbindung mit positiven Fotolacken
eine Alternative zu bekannten Belichtungsverfahren, die bislang beim LIGA-Verfahren
Anwendung fanden, dar. Verglichen mit der in industriellen Anwendungen etablierten Maskenbelichtung
zur Herstellung der Mikrostrukturen für die Abformung, hat die neuartige
102

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick
Vorgehensweise entscheidende Vorteile:
• Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen mit sehr kleinen Steigungen,
• keine Einschränkung der Strukturformen durch die Belichtungsart,
• Fertigung von Überhängen bei den Strukturen, (bei Maskenbelichtung bisher weitestgehend
ausgeschlossen),
• komplexe dreidimensionale Formen: In sich verdrehte Formen wie sie für schräg
verzahnte Zahnräder Anwendung finden, können geschrieben werden.
• platzsparender Aufbau
• geringerer Geräteaufwand
• kostengünstigere Aufbauten
Nachteile im Vergleich zur Maskenbelichtung weist das hier verwendete Verfahren ebenfalls
auf:
• Geringe mittlere Laserleistung und langsame Geschwindigkeiten erhöhen die Fertigungszeit
im Vergleich zur Maskenbelichtung,
• geringer Arbeitsabstand des Mikroskopobjektivs führt zu geringeren Aspektverhältnissen.
Die Zwei-Photonen Absorption in Verbindung mit positivem Fotolack erweitert den Stand
der Technik um ein zusätzliches Belichtungsverfahren, das alternativ für das LIGA-Verfahren
angewendet werden kann. Die Anfertigung komplizierter dreidimensionaler Strukturen ist
damit möglich, die mittels Maskenbelichtung nicht hergestellt werden können. Dadurch
leisten die in dieser Arbeit erzielten Forschungsergebnisse einen wichtigen Beitrag für den
Bereich der Laseranwendungen. In weiterführenden Forschungsarbeiten sind beispielsweise
für industrielle Anwendungen noch weitere Optimierungsmaßnahmen erforderlich. Im
Folgenden wird ein Ausblick diesbezüglicher Arbeiten aufgeführt.
Um ein unterschiedliches Verhalten bezüglich der Löslichkeit der Lackoberfläche im
Vergleich zum angeschlossenen Volumen des positiven Fotolacks bei der Laserbelichtung zu
103

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick
vermeiden (vgl. Abb. 7.14), sind weitere Fotolacke diesbezüglich zu untersuchen. Zusätzlich
ist die Möglichkeit zur Verwendung der schichtweisen Fertigung, wie Wang sie im Jahre
2009 vorgestellt hat, zu überprüfen [WDD + 09]. Durch dieses Verfahren kann der Nachteil
eines geringeren Aspektverhältnisses im Vergleich zur Maskenbelichtung ausgeglichen
werden. Ferner können durch die Hinzunahme eines Spatial Light Modulators sowohl die
Produktionszeit durch paralleles Schreiben verringert als auch die Qualität der Strukturen
durch eine Manipulation des Linienquerschnitts gesteigert werden.
104

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Photoacid Applied to Positive-Tone 3D Microfabrication. In: Science 296
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120

Anhang A.
Datenblätter
121

A.1. Datenblatt Diode
Anhang A. Datenblätter
Specifications: Non-amplified Photodetectors
818-BB-40
at 830nm

Anhang A. Datenblätter
A.2. Datenblatt Leistungsmessgerät
FieldMate
Laser Power Meter
FieldMate
Specifications
Measures
Controls &
Connections
Size (H x W x D)
Weight (including batteries)
Instrument Power
Display
Digital LCD Update Rate
Analog Meter
Meter Response
Meter Scale
Analog Output
Analog Output Update Rate
Measurement Range
Display Power
Measurement Resolution Power
19.3 x 11.7 x 4.6 cm (7.6 x 4.6 x 1.8 in.)
0.8 kg (1.75 lb.)
Two 9V alkaline batteries,
90 to 260 VAC, 50/60 Hz
26 x 89 mm (1.02 x 3.5 in.), fixed-segment LCD
=
> 3 times/sec.
Tau = 80 ms (2 Hz)
0 to 3, 60 divisions, and 0 to 10, 100 divisions
0 to 2V
20 times/sec.
0.01 mW to 29.9 kW (thermopile)
1 nW to 99.9 mW (optical)
±0.1% of full scale (thermopile and optical)
Accuracy
Digital Display
±1.0% of reading ±2 LSD
Analog Meter ±3.0%
Analog Out ±1.0%
System
Display unit + sensor accuracy
Temperature
Operating
Storage
Relative Humidity
Operating 0 to 90%
Storage 0 to 95%
Altitude
Operating
Storage
Power
Front Panel
PWR
ZERO
AUTO
λ
ARROW KEYS
5°C to 40°C (41°F to 104°F)
-20°C to 70°C (-4°F to 158°F)
-100 to 2,000 m
-100 to 4,000 m
W
Toggle power
Ambient offset
Engage auto-ranging
Enter wavelength compensation
Manually control range
Select and change numerical values
Left Side Panel
Power jack connector, analog output, DB-25 smart probe connector
Part Number 1067353
123

Anhang A. Datenblätter
A.3. Datenblatt Autokorrelator
124

Anhang B.
LIGA-Strukturen
125

Anhang B. LIGA-Strukturen
B.1. Kegel mit großem Aspektverhältnis
71°
2
30
40
REVISION HISTORY
REV DESCRIPTION DATE APPROVED
DRAWN
CHECKED
ENG APPR
MGR APPR
NAME
Aumann
UNLESS OTHERWISE SPECIFIED
DIMENSIONS ARE IN INCHES
ANGLES ±X.X°
2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX
DATE
09/18/14 Solid Edge
TITLE
SIZE
D
DWG NO REV
FILE NAME: Kegel.dft
SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1
126

Anhang B. LIGA-Strukturen
B.2. Pyramide mit großem Aspektverhältnis
72°
3
100
150
REVISION HISTORY
REV DESCRIPTION DATE APPROVED
DRAWN
CHECKED
ENG APPR
MGR APPR
NAME
Aumann
UNLESS OTHERWISE SPECIFIED
DIMENSIONS ARE IN INCHES
ANGLES ±X.X°
2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX
DATE
09/18/14 Solid Edge
TITLE
SIZE
D
DWG NO REV
FILE NAME: Pyramide.dft
SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1
127

Anhang B. LIGA-Strukturen
B.3. Kegel mit geringem Aspektverhältnis
10
46°
100
200
REVISION HISTORY
REV DESCRIPTION DATE APPROVED
DRAWN
CHECKED
ENG APPR
MGR APPR
NAME
Aumann
UNLESS OTHERWISE SPECIFIED
DIMENSIONS ARE IN INCHES
ANGLES ±X.X°
2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX
DATE
09/18/14 Solid Edge
TITLE
SIZE
D
DWG NO REV
FILE NAME: Kegel200zu100.dft
SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1
128

Anhang B. LIGA-Strukturen
B.4. Pyramide mit geringem Aspektverhältnis
10
46°
100
200
REVISION HISTORY
REV DESCRIPTION DATE APPROVED
DRAWN
CHECKED
ENG APPR
MGR APPR
NAME
Aumann
UNLESS OTHERWISE SPECIFIED
DIMENSIONS ARE IN INCHES
ANGLES ±X.X°
2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX
DATE
09/18/14 Solid Edge
TITLE
SIZE
D
DWG NO REV
FILE NAME: Pyramide200zu100.dft
SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1
129

Anhang B. LIGA-Strukturen
B.5. Verdrehter Pyramidenstumpf
150
45°
100
200
REVISION HISTORY
REV DESCRIPTION DATE APPROVED
DRAWN
CHECKED
ENG APPR
MGR APPR
NAME
Aumann
UNLESS OTHERWISE SPECIFIED
DIMENSIONS ARE IN INCHES
ANGLES ±X.X°
2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX
DATE
09/18/14 Solid Edge
TITLE
SIZE
D
DWG NO REV
FILE NAME: GewundenePyramide200zu150.dft
SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1
130

Liste eigener Veröffentlichungen
Publikationen
• Q. Guo, R. Ghadiri, T. Weigel, A. Aumann, E.L. Gurevich, C. Esen, O. Medenbach,
W. Cheng, B. Chichkov, A. Ostendorf
Comparison of in Situ and ex Situ Methods for Synthesis of Two-Photon Polymerization
Polymer Nanocomposites
polymers 6, 2037-2050 (2014)
• A. Aumann, S.I. Ksouri, Q. Guo, C. Sure, E.L. Gurevich, A. Ostendorf
Resolution and aspect ratio in two-photon lithography of positive photoresist
Journal of Laser Applications 26, 2, 022002 (2014)
• A. Essaidi, M. Chakif, B. Schöps, A. Aumann, S. Xiao, C. Esen, A. Ostendorf
Size control of gold nanoparticles during laser ablation in liquids with different functional
molecule
Journal of Laser Micro/Nanoengineering (JLMN) 8, 2, 131-136 (2013)
• S.I. Ksouri, A. Aumann, R. Ghadiri, A. Ostendorf
Optical micro-machining tool for manufacturing and manipulation of arbitrary particles
Optik & Photonik 4, 44-47 (2012)
• Q. Guo, S. Xiao, A. Aumann, M. Jaeger, M. Chakif, R. Ghadiri, C. Esen, M. Ma, A.
Ostendorf
Using Laser Microfabrication to write Conductive Polymer/SWNTs Nanocomposites
Journal of Laser Micro/Nanoengineering 7, 1, 44-48 (2012)
131

Anhang B. LIGA-Strukturen
Konferenzbeiträge
• G. Zyla, A. Aumann, S.I. Ksouri, E.L. Gurevich, A. Ostendorf
Precise structuring by 2-photon absorption in positive photoresist materials
Laser in Manufacturing (LiM 2015)
• Q. Guo, R. Ghadiri, T. Weigel, A. Aumann, E.L. Gurevich, C. Esen, Y. Li, W. Cheng,
B. Chichkov, A. Ostendorf
Ex-situ preparation of high-conductive polymer/SWNTs nanocomposites for structure
fabrication
SPIE Proceedings 9277, Nanophotonics and Micro/Nano Optics II: Nanowire Light
Emitters, 927739 (2014)
• S. Maragkaki, A. Aumann, F. Schulz, A. Schröter, B. Schöps, S. Franzka, N. Hartmann,
A. Ostendorf
Micro-patterning of self-assembled organic monolayers by using tunable ultrafast laser
pulses
SPIE Proceedings 8972, Frontiers in Ultrafast Optics: Biomedical, Scientific, and
Industrial Applications XIV, 897239 (2014)
• A. Aumann, S. Maragkaki, F. Schulz, A. Schröter, B. Schöps, S. Franzka, N. Hartmann,
A. Ostendorf
Sub-Wavelength Patterning of Self-Assembled Organic Monolayers Via Non-Collinear
Optical Parametric Amplifier
Proceedings of ICALEO 2013 - 32nd International Congress on Applications of Lasers
& Electro-Optics
• S.I. Ksouri, A. Aumann, R. Ghadiri, M. Prüfer, S. Baer, A. Ostendorf
A modular assembling platform for manufacturing of microsystems by optical tweezers
SPIE Proceedings 8810, Optical Trapping and Optical Micromanipulation X, 881028
(2013)
• S.I. Ksouri, A. Aumann, R. Ghadiri, A. Ostendorf
Optical micro-assembling of non-spherical particles
132

Anhang B. LIGA-Strukturen
SPIE Proceeings 8637, Complex Light and Optical Forces VII, 86370Z (2013)
• A. Essaidi, M. Chakif, B. Schöps, A. Aumann, S. Abreu Fernandes, S. Xiao, C. Esen,
A. Ostendorf
PEDOT:PSS/AuNPs-nanocompounts by preparation of Gold Nanoparticles in an
aqueous solution of PSS using laser ablation
ANGEL 2012 - 2nd Conference on Laser Ablation and Nanoparticle Generation in
Liquids
• Q. Guo, S. Xiao, A. Aumann, M. Jaeger, M. Chakif, R. Ghadiri, C. Esen, M. Ma, A.
Ostendorf
Using Laser Microfabrication to write conductive Polymer/SWNTs Nanocomposites
Proceedings of LPM2011 - the 12th International Symposium on Laser Precision
Microfabrication
• H. Hudde, A. Aumann
Zum Begriff des Trommelfellschalldrucks“- Eine Neubetrachtung unter Verwendung
”
Finiter Elemente (On the term eardrum sound pressure“- A new discussion using
”
finite elements)
DAGA 2010 - Fortschritte der Akustik, 75-76
Poster
• S.I. Ksouri, J. Köhler, A. Aumann, A. Ostendorf
Holographic Optical Tweezers: Microassembling of shape-complementary 2PP building
blocks
SPIE Proceedings 9164, Optical Trapping and Optical Micromanipulation XI, (2014)
133

Lebenslauf
Name Andreas Aumann
Geburtsdatum 26. November 1978
Geburtsort Datteln, Deutschland
Nationalität Deutsch
Eltern Elke Aumann geb. Hilse
Franz-Josef Aumann
Ausbildung
1996 - 1999 Willy-Brandt-Gymnasium, Oer-Erkenschwick, Deutschland
1999 - 2000 Wehrdienst
2000 - 2003 Ausbildung zum Kälteanlagenbauer
2003 - 2009 Studium der Elektrotechnik und Informationstechnik
(Ruhr-Universität Bochum), Bochum, Deutschland
April 2009 Diplom am “Institut für Kommunikationsakustik“
2009 - heute Wissenschaftlicher Angestellter am
“Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik“
Ruhr-Universität Bochum, Deutschland
134