Facettenreiche Alleskönner von morgen

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Facettenreiche
Alleskönner von morgen
Die MIKRO- UND NANOOPTIK hat sich zu einer Schlüsseltechnologie
der modernen Photonik entwickelt. Die Bandbreite aktueller Entwicklungen
reicht beispielsweise von adaptiven Mikrooptiken über die 3D-Laserlithografie bis
hin zur Subwellenlängen-Mikrooptik auf Basis von Metamaterialien.
Bild 1. Mikrolinsenarrays,
hergestellt
mit Verfahren der
Halbleitertechnik
(Quelle: Süss MicroOptics)
Auf dem 26. Optik-Kolloquium des Instituts
für Technische Optik (ITO) der Universität
Stuttgart wurde am 23. Februar 2011 eine
Standortbestimmung und Zukunftsvision der optischen
Herstellung und Anwendung der Mikro- und
Nanooptiken gegeben. In seiner Begrüßung und
Einführung erläuterte der Institutsleiter des ITO,
Prof. Dr. Wolfgang Osten, vor rund 250 Teilnehmern
eines hochkarätigen Fachpublikums die grund -
legende Bedeutung der Photonik für die moderne
Fertigungs- und Prüftechnik in wichtigen Branchen
der Wirtschaft.
Mikrostrukturen und -systeme sind heute in allen
wichtigen Schlüsselbranchen wie Automobil-, Automatisierungs-
und Medizintechnik, in der Informations-
und Kommunikationstechnik, in der Luft- und
Raumfahrt sowie den Life Sciences die Innovationstreiber.
Etablierte Verfahren aus der Halbleitertechnik
zur Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen sind
die Fotolithografie, das direkte Laserschreiben und die
Elektronenstrahllithografie.
Fotolithografie mit
neuer Beleuchtungsoptik
Dr. Reinhard Völkel, Geschäftsführer von Süss
MicroOptics in Neuchâtel, Schweiz, befasste sich in
seinem Eröffnungsvortrag mit der ›Mikro-Optik als
Schlüsseltechnologie‹. Er spannte dabei den Bogen
von der Erfindung der Computer-Hologramme durch
Professor Dr. Adolf Lohmann in den 60er-Jahren bis
zu den höchsteffizienten diffraktiven Beam-Shaping-
Optiken für die Deep-Ultra-Violet- (DUV-) Immersions-
Stepper. Mikrooptik ist zum einen der Traum der Menschen,
die ausgereiften optischen Systeme der Natur
wie Insekten- und Spinnenaugen für miniaturisierte
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INSTITUT
Universität Stuttgart,
Institut für Technische Optik, ITO
70569 Stuttgart
Tel. +49 711 685-66074
Fax +49 711 685-66586
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© MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 03/11

Bild 3a. Neuartige Beleuchtungsoptik:
Lampenwechsel ohne Nachjustierung
(Quelle: Süss MicroOptics)
Vision-Sensoren und Kameras zu verwenden. Zum anderen
offeriert die Mikrooptik auch die Möglichkeit,
verschiedene Funktionen wie Lichtablenkung, Fokussierung
oder Strahlteilung in einem einzigen ultra -
flachen optischen Element unterzubringen. Mikro -
optiken werden heute mit den aus der Halbleiter -
produktion übernommenen Methoden der Mikrostrukturierung
in der 8-Zoll-Wafertechnik in Mask Alignern
hochpräzise gefertigt (Bilder 1 und 2). Die Struktur
einer Fotomaske wird bei diesen Verfahren mittels
Projektion in einen lichtempfindlichen Fotolack übertragen.
Die Auflösung wird von der verwendeten
Lichtwellenlänge bestimmt. In der Regel werden
Quecksilberlampen mit 365 nm (I-Linie), KrF-Excimerlaser
mit 248 nm oder ArF-Excimerlaser mit 193 nm
Wellenlänge verwendet. Kürzlich hat Süss MicroOptics
eine innovative Beleuchtungsoptik für alle Süss Mask
Aligner auf den Markt gebracht. Diese basiert auf
einer 2-stufigen Mikrolinsen-Homogenisier-Einheit
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Bild 2. Faserkoppler, hergestellt in 8-Zoll-
Wafertechnik auf einem Mask Aligner
(Quelle: Süss MicroOptics)
Bild 3b. Köhler-Integratoren als zweistufige
Mikrolinsen-Homogenisier-Einheit
(Quelle: Süss MicroOptics)
(Bilder 3a und 3b). Diese Mikrooptik entkoppelt die
Beleuchtung vom Lampenhaus und erlaubt einen
Lampenwechsel ohne Nachjustierung. Mit der ›MO
Exposure Optics‹ können auf einfache Weise beliebige
Beleuchtungs-Settings wie Ringbeleuchtung und
Quadrupol im Mask Aligner verwendet werden. Mit
Wafer Level Packaging, das auch aus der Halbleiterindustrie
übernommen wurde, können einige Tausend
optische Systeme gleichzeitig montiert werden. Die
Mikrooptik wird zwar kaum den Stellenwert der Mikroelektronik
erreichen, trotzdem sind Mikrooptiken
schon heute sehr wesentliche Schlüsselkomponenten
in vielen Consumer-Produkten und Maschinen.
Planarintegrierte
Freiraumoptik
Ähnlich wie bei der klassischen Optik wurden für die
Mikrooptik auch Methoden des Entwurfs und der
Simulation weiterentwickelt. Im Mittelpunkt des
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Vortrags von Professor Dr.
Jürgen Jahns, Lehrgebiet Optische
Nachrichtentechnik der
Fern-Universität Hagen, standen
Arbeiten auf dem Gebiet
der ›planar-integrierten Freiraumoptik‹.
Zum Aufbau von
Datennetzen über Freiraum -
optiken wurden 3D-Optiken in
eine 2D-Geometrie ›gefaltet‹.
Dies bedeutet, dass die
Elemente eines optischen
Systems nicht in Ausbreitungsrichtung
hintereinander,
sondern auf einer oder beiden
Oberflächen des Substrats nebeneinander
angeordnet sind. (Quelle: TU Kaiserslautern)
Hierdurch ergibt sich eine
günstige Kompatibilität zu den Standardverfahren der
planaren Mikrofertigung und hybriden Integration. Damit
das Licht nacheinander auf die mikrooptischen
Bauelemente trifft, erfolgt die Lichtausbreitung entlang
einer zickzackmäßig gefalteten optischen Achse
(Bild 4). Neben der Erläuterung der Grundprinzipien
wurde in dem Vortrag über Realisierungsbeispiele
mikrooptischer Systeme für die optische Verbindungstechnik
und für Kurzpulsanwendungen berichtet.
Professor Dr. Henning Fouckhardt, Arbeitsgemeinschaft
›Integrierte Optoelektronik und Mikrooptik‹ der
TU Kaiserslautern, berichtete über die monolithisch
integrierte Herstellung eines Breitstreifenlasers mit
internem Resonator zur Modenselektion. Diese mikro -
optische Baugruppe wurde kürzlich auch im Anti -
monid-Materialsystem epitaktisch und fotolithografisch
erfolgreich realisiert. Als Spiegel zur Fourier-Transformation
in den Raumfrequenzbereich dient eine trockengeätzte
gekrümmte Flanke (Bild 5).
Dr. Rüdiger Grunwald vom Max-Born-Institut für
Nichtlineare Optik und Kurzzeit-Spektroskopie in Berlin
zeigte in seinem Vortrag über adaptive Mikrooptik
für Ultrakurzpuls-Laser, dass die hohe Flexibilität der
Mikrooptiken auch die Realisierung adaptiver Wellen-
Bild 5. Resonator in Antimonid-Material
Bild 4. Faltung einer
3D-Optik in eine
2D-Geometrie
(Quelle: Fernuniversität
Hagen)
frontsensoren und 2D-Prozessoren für Signale im
Femtosekunden-Zeitbereich erlaubt. Als programmierbare
Komponenten bieten sich derzeit reflektive
Liquid-Crystal-on-Silicon- (LCoS-) SLMs als eine vielversprechende
Alternative zu Dünnschicht-Transistoren
(TFTs) an, die nur im Modus der Phasenmodulation
arbeiten. Damit wurden Arrays aus nichtdiffraktiven
Strahlen generiert und Aberrationen adaptiv korrigiert.
Bild 6 zeigt die Rücktransformation von Strahlen, die
infolge großer Einfallswinkel elliptisch verzerrt wurden,
zu kreisförmigen Querschnitten.
Durchstimmbare
Mikro- und Nanooptik
Von Professor Dr. Hans Zappe vom Labor für Mikro -
optik der Universität Freiburg wurden aktive Mikro -
optiken wie durchstimmbare Flüssigkeits- oder Membranlinsen,
fluidische Mikroiris und Strukturen für
Verschlussblenden, durchstimmbare achromatische
Linsen, thermo-pneumatische Linsen und durchstimmbare
plasmonische Linsen präsentiert. Hier handelt es
sich jeweils um Integrationen von refraktiven oder diffraktiven
Mikrolinsen in ein System, das die Aktivität
der Linsen steuert. Beispielsweise kann die aktive
© MIKROvent, Rudelzhausen MIKROPRODUKTION 03/11

›Astigmatische Linse‹, die in zwei Kammern eine Flüssigkeit
und in einer Kammer Luft enthält, pneumatisch
gesteuert werden (Bild 7). Die Mikrolinsen werden
mittels Fotolithografie oder Interferenzlithografie hergestellt
und durch Abformung in elastische Polymere
übertragen. Für die Funktion stehen verschiedene
Mechanismen wie mechanische Ausdehnung, Quellung
und Elektroaktivität zur Verfügung.
Von Frederik Schaal, Institut für Technische Optik
der Universität Stuttgart, wurde eine aktive Mikro -
optik zur ortsaufgelösten Steuerung des Polarisationszustands
auf einem VCSEL vorgestellt. Das Prinzip
beruht auf induzierter Doppelbrechung in einer Zelle
mit drei Schichten aus nematischen Flüssigkristallen.
3D-Laserlithografie und
direktes Laserschreiben
Professor Dr. Georg von Freymann, Arbeitsgemeinschaft
›Optische Technologien und Photonik‹ der TU
Kaiserslautern, erläuterte in seinem Vortrag ›3D-
Laser-Lithografie – ein vielseitiges Werkzeug für die
Nanotechnologie‹ die Technologie des direkten Laser-
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Bild 6. Korrektur eines
durch Off-Axis-
Beleuchtung elliptisch
verformten nichtdiffraktiven
Hohlstrahl-Arrays mittels
adaptiver Steuerung des
erzeugenden LCoS-SLMs
(Quelle: MBI)
Bild 7. Mikrooptische durchstimmbare achromatische
Linse, bestehend aus mehreren Membranlinsen aus
Polymer und elektromagnetischen Aktoren
(Quelle: M. Marhöfer und D. Mader, Lehrstuhl für Mikrooptik, Universität Freiburg)
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schreibens zur Herstellung nahezu beliebiger komplexer
Mikro- und Nanostrukturen. Hierzu werden ultrakurze
Laserimpulse mit Objektiven hoher numerischer
Apertur in ein fotoempfindliches Material fokussiert,
das für die Laserwellenlänge an sich transparent ist.
Durch die starke Fokussierung werden im fokalen
Volumen so hohe Intensitäten erreicht, dass das Material
über Zwei- beziehungsweise Mehrphotonen -
absorption lokal polymerisiert beziehungsweise quervernetzt
wird. Das präzise Verfahren des Laserfokus
im Material mittels eines 3-Achs-Piezotischs erlaubt
dann die Erzeugung beliebig zusammenhängender,
quervernetzter Bereiche im fotoempfindlichen Material
(Bild 8). In einem anschließenden Entwicklungsschritt
werden die nicht vernetzten Bereiche herausgelöst.
Diese Technologie wurde in den letzten zehn
Jahren immer weiter verbessert und steht mittlerweile
über die Ausgründung Nanoscribe kommerziell zur
Verfügung. Dazu Martin Hermatschweiler, Geschäftsführer
von Nanoscibe: »Dort, wo Stereolithografie und
Rapid Prototyping an ihre Auflösungsgrenzen gelangen,
fängt Nanoscribe an. Die resultierende Stufigkeit
am Auflösungslimit etablierter optischer sowie fräsender
Technologien entfällt aufgrund der direkten dreidimensionalen
Laserstrukturierung im Volumen.« Die
hergestellten Strukturen können auch als Template
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für weitere Prozessschritte dienen. Beispiele dafür
sind Silizium oder Gold. Um Materialien in diesen Templates
in drei Dimensionen gleichmäßig deponieren
zu können, kommen die Atomlagendeposition, die
chemische Gasphasenepitaxie und die elektrochemische
Abscheidung von Metallen zum Einsatz. Minimale
Strukturdetails, die mittels dieser Technologie
erzeugt werden können, liegen momentan im Bereich
von 80 nm. Noch kleinere Strukturdetails sind aber
notwendig, um aktuelle theoretische Designvorschläge
für photonische Metamaterialien, Transformationsoptiken
und photonische Kristalle umsetzen zu können.
Seit den 1990er-Jahren wurden im ITO computergenerierte
Hologramme durch Laserdirektbelichtung
in einem Polarkoordinatensystem erzeugt. Matthias
Häfner, ITO der Universität Stuttgart, berichtete über
die Fortschritte bei der Herstellung diffraktiver Optiken
mittels Laserlithografie. Heutzutage können mit
effizienten Diodenlasern und dem Fotoresist-Prozess
Substrate bis zu einem Durchmesser von 300 mm und
einer Dicke von 20 mm bearbeitet werden. Die Systemauflösung
bei der Positionierung des Laserstrahls
auf dem Substrat liegt im Bereich von 0,6 nm für die
Radialkoordinate beziehungsweise einer Winkel -
sekunde für die Winkelkoordinate. Die kleinsten erziel -
baren Strukturgrößen liegen im Bereich von 0,5 µm.
In den letzten Jahren wurde die rasternde Interferenzbelichtung
als neuer Belichtungsansatz in das System
integriert. Mit dieser Technik ist es möglich, rotationssymmetrische
Strukturen mit Linienbreiten ab
circa 0,23 µm zu fertigen. Durch die Nutzung eines
Interferenzmusters erhöht sich die Schreibgeschwindigkeit
deutlich. Das System wurde auch dahingehend
erweitert, Substrate mit gekrümmten Oberflächen zu
belichten. Mikrostrukturen können nun direkt auf die
Oberfläche von Linsen oder gekrümmten Spiegeln
geschrieben werden (Bild 9). Damit erhält man
multifunktionale optische Bauteile.
Während die Optik bislang im Wesentlichen abhängig
von den naturgegebenen Eigenschaften der Glasund
Halbleitermaterialien war, setzt man heutzutage
auch auf konstruierte künstliche Materialien wie pho-
Bild 8. Brandenburger Tor als
dreidimensionale Mikrostruktur,
hergestellt mit 3D-Lithografie
(Quelle: Hermatschweiler, Nanoscribe)
Bild 9: Strukturierte Linse als Beispiel einer
mikrostrukturierten 3D-Oberfläche
(Quelle: ITO, Universität Stuttgart)
tonische Kristalle und effektive Medien. Bei diesen neuartigen
Medien kann durch die künstliche Zusammensetzung
und Strukturierung der effektive Brechungs -
index und die Isotropie in weiten Grenzen eingestellt
werden.
Effektive Medien und
Subwellenlängen-Mikrooptik
Dr. Ernst-Bernhard Kley vom Institut für Angewandte
Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena stellte in
seinem Vortrag über die Perspektiven für die Subwellenlängen-Mikrooptik
einige Beispiele der effektiven
Medien vor, etwa Metallstreifengitter als Polarisatoren
für Wellenlängen bis unterhalb 200 nm, monolithische
dielektrische Spiegel mit Reflektivitäten von mehr
als 99,9 Prozent, entspiegelte transmittive Pulskompressorgitter
und spektroskopische Gitter mit Wellenfrontfehlern
von weniger als 5 nm rms. Auch die
Phasenstufen diffraktiver Elemente, die bisher durch
Höhenprofile mit mehreren Höhenstufen technologisch
aufwändig und oft grenzwertig in der Qualität her -
gestellt wurden, sind durch einen binären Ansatz mit
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Bild 11. Split-Ring-Resonator-Metamaterial,
hergestellt durch Layer-by-Layer-Nanotechnik
(Quelle: 4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart)
effektiven Medien optisch vorteilhaft und schneller
(auch auf Flächen bis 230 mm ✕ 230 mm) realisierbar.
Bild 10 zeigt dazu eine Subwellenlängenstruktur in
Kieselglas, die mehrere Phasenstufen eines diffraktiven
Elements allein mit einem binären Muster realisiert.
Neue Design- und Modellierungsalgorithmen,
High-End-Elektronenstrahllithografie und Ätztechniken
bilden den Zugang zu solchen Elementen.
3D-Metamaterialien
und Superlinsen
Metamaterialien haben sich zu einem sehr interessanten
Gebiet der Photonik entwickelt. Der Name Metamaterialien
wird für Materialien verwendet, die Eigenschaften
haben, die in der Natur nicht vorkommen
und beispielsweise einen negativen Brechungsindex
besitzen. Dieser Bereich der Optik ist zwar schon lange
theoretisch bekannt, wurde aber aufgrund fehlender
Realisierungsmöglichkeiten lange nicht weiter untersucht.
Inzwischen hat man die faszinierenden Möglichkeiten
dieser Materialien erkannt und Visionen über
perfekte Linsen, Tarnkappen und Unsichtbarkeit ent-
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wickelt. Professor. Dr. Harald Giessen vom 4. Physikalischen
Institut der Universität Stuttgart präsentierte
den Stand der Technik und die Perspektiven von 3D-
Metamaterialien. Hier wurden 3D-Metamaterialien aus
Lagen von nanostrukturierten Flächen hergestellt. Das
Bild zeigt ein vierlagiges Split-Ring-Resonator-Meta -
material, das durch eine Layer-by-Layer-Nanotechnik
hergestellt wurde (Bild 11). In diesen Materialien
spielen bei den optischen und elektronischen Eigenschaften
Kopplungseffekte zwischen individuellen
Konstituenten eine Schlüsselrolle. Metamaterialien
weisen sowohl elektrische wie auch magnetische
Resonanzen bei optischen Frequenzen auf. Das detaillierte
Zusammenspiel zwischen den verschiedenen
Kopplungsmechanismen wurde in dem Vortrag interessant
dargestellt.
Das exponentielle Abklingen der Nahfelder ist dafür
verantwortlich, dass Strukturen mit Dimensionen unterhalb
der Wellenlänge des verwendeten Lichts nicht
beliebig hoch aufgelöst werden können. Philipp Schau,
ITO der Universität Stuttgart, sprach über Visionen und
Möglichkeiten, Superlinsen durch Metamaterialien
herzustellen und stellte einen Ansatz vor, durch Metamaterial
eine Auflösungsverbesserung im Fernfeld zu
erreichen [1]. Es wurde gezeigt, dass eine Mäanderstruktur
als funktionale Schicht verwendet werden kann
und zwei dieser Strukturen die Abbildungseigenschaften
einer perfekten Linse bei gleichzeitig sehr hoher
Transmission (80 Prozent) imitieren können. Durch
das sukzessive Variieren der Periode über mehrere
Mäanderschichten hinweg könnte zusätzlich ein Vergrößerungs-
und Auskopplungseffekt erreicht werden.
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AUTORIN
M I K R O O P T I K l
Bild 10. Subwellenlängenstruktur
in Kieselglas als Beispiel für die
Möglichkeiten effektiver Medien
(Quelle: IAP)
Dr. CHRISTEL BUDZINSKI ist Fachjournalistin mit
Spezialgebiet Mikrooptik in Berlin;
christel.budzinski@t-online.de
LITERATUR
1 P. Schau et al.: Optics Express 19. 2011, S. 3627-3636
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