Auf dem 26. Optik-Kolloquium des Instituts. Facettenreiche Alleskönner von morgen

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1 32 l I K R O O P T I K Facettenreiche Alleskönner von morgen Die IKRO- UND NANOOPTIK hat sich zu einer Schlüsseltechnologie der modernen Photonik entwickelt. Die Bandbreite aktueller Entwicklungen reicht beispielsweise von adaptiven ikrooptiken über die 3D-Laserlithografie bis hin zur Subwellenlängen-ikrooptik auf Basis von etamaterialien. Bild 1. ikrolinsenarrays, hergestellt mit Verfahren der Halbleitertechnik (Quelle: Süss icrooptics) CHRISTEL BUDZINSKI 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 ikro- 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. ikrostrukturen und -systeme sind heute in allen wichtigen Schlüsselbranchen wie Automobil-, Automatisierungs- und edizintechnik, in der Informations- und Kommunikationstechnik, in der Luft- und Raumfahrt sowie den Life Sciences die Innovationstreiber. Etablierte Verfahren aus der Halbleitertechnik zur Herstellung von ikro- und Nanostrukturen sind die Fotolithografie, das direkte Laserschreiben und die Elektronenstrahllithografie. Fotolithografie mit neuer Beleuchtungsoptik Dr. Reinhard Völkel, Geschäftsführer von Süss icrooptics in Neuchâtel, Schweiz, befasste sich in seinem Eröffnungsvortrag mit der ikro-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. ikrooptik ist zum einen der Traum der enschen, die ausgereiften optischen Systeme der Natur wie Insekten- und Spinnenaugen für miniaturisierte > KONTAKT INSTITUT Universität Stuttgart, Institut für Technische Optik, ITO Stuttgart Tel Fax IKROvent, Rudelzhausen IKROPRODUKTION 03/11

2 I K R O O P T I K l 33 Bild 2. Faserkoppler, hergestellt in 8-Zoll- Wafertechnik auf einem ask Aligner (Quelle: Süss icrooptics) Bild 3a. Neuartige Beleuchtungsoptik: Lampenwechsel ohne Nachjustierung (Quelle: Süss icrooptics) Bild 3b. Köhler-Integratoren als zweistufige ikrolinsen-homogenisier-einheit (Quelle: Süss icrooptics) Vision-Sensoren und Kameras zu verwenden. Zum anderen offeriert die ikrooptik auch die öglichkeit, verschiedene Funktionen wie Lichtablenkung, Fokussierung oder Strahlteilung in einem einzigen ultra - flachen optischen Element unterzubringen. ikro - optiken werden heute mit den aus der Halbleiter - produktion übernommenen ethoden der ikrostrukturierung in der 8-Zoll-Wafertechnik in ask 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 icrooptics eine innovative Beleuchtungsoptik für alle Süss ask Aligner auf den arkt gebracht. Diese basiert auf einer 2-stufigen ikrolinsen-homogenisier-einheit (Bilder 3a und 3b). Diese ikrooptik entkoppelt die Beleuchtung vom Lampenhaus und erlaubt einen Lampenwechsel ohne Nachjustierung. it der O Exposure Optics können auf einfache Weise beliebige Beleuchtungs-Settings wie Ringbeleuchtung und Quadrupol im ask Aligner verwendet werden. it Wafer Level Packaging, das auch aus der Halbleiterindustrie übernommen wurde, können einige Tausend optische Systeme gleichzeitig montiert werden. Die ikrooptik wird zwar kaum den Stellenwert der ikroelektronik erreichen, trotzdem sind ikrooptiken schon heute sehr wesentliche Schlüsselkomponenten in vielen Consumer-Produkten und aschinen. Planarintegrierte Freiraumoptik Ähnlich wie bei der klassischen Optik wurden für die ikrooptik auch ethoden des Entwurfs und der Simulation weiterentwickelt. Im ittelpunkt des IKROPRODUKTION 03/11

3 34 l I K R O O P T I K Bild 4. Faltung einer 3D-Optik in eine 2D-Geometrie (Quelle: Fernuniversität Hagen) Bild 5. Resonator in Antimonid-aterial 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 ikrofertigung 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 ikrooptik der TU Kaiserslautern, berichtete über die monolithisch integrierte Herstellung eines Breitstreifenlasers mit internem Resonator zur odenselektion. Diese mikro - optische Baugruppe wurde kürzlich auch im Anti - monid-aterialsystem epitaktisch und fotolithografisch erfolgreich realisiert. Als Spiegel zur Fourier-Transformation in den Raumfrequenzbereich dient eine trockengeätzte gekrümmte Flanke (Bild 5). Dr. Rüdiger Grunwald vom ax-born-institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeit-Spektroskopie in Berlin zeigte in seinem Vortrag über adaptive ikrooptik für Ultrakurzpuls-Laser, dass die hohe Flexibilität der ikrooptiken auch die Realisierung adaptiver Wellenfrontsensoren und 2D-Prozessoren für Signale im Femtosekunden-Zeitbereich erlaubt. Als programmierbare Komponenten bieten sich derzeit reflektive Liquid-Crystal-on-Silicon- (LCoS-) SLs als eine vielversprechende Alternative zu Dünnschicht-Transistoren (TFTs) an, die nur im odus 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 ikro- und Nanooptik Von Professor Dr. Hans Zappe vom Labor für ikro - optik der Universität Freiburg wurden aktive ikro - optiken wie durchstimmbare Flüssigkeits- oder embranlinsen, fluidische ikroiris 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 ikrolinsen in ein System, das die Aktivität der Linsen steuert. Beispielsweise kann die aktive IKROvent, Rudelzhausen IKROPRODUKTION 03/11

4 I K R O O P T I K l 35 Bild 6. Korrektur eines durch Off-Axis- Beleuchtung elliptisch verformten nichtdiffraktiven Hohlstrahl-Arrays mittels adaptiver Steuerung des erzeugenden LCoS-SLs (Quelle: BI) Bild 7. ikrooptische durchstimmbare achromatische Linse, bestehend aus mehreren embranlinsen aus Polymer und elektromagnetischen Aktoren (Quelle:. arhöfer und D. ader, Lehrstuhl für ikrooptik, Universität Freiburg) Astigmatische Linse, die in zwei Kammern eine Flüssigkeit und in einer Kammer Luft enthält, pneumatisch gesteuert werden (Bild 7). Die ikrolinsen werden mittels Fotolithografie oder Interferenzlithografie hergestellt und durch Abformung in elastische Polymere übertragen. Für die Funktion stehen verschiedene echanismen wie mechanische Ausdehnung, Quellung und Elektroaktivität zur Verfügung. Von Frederik Schaal, Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart, wurde eine aktive ikro - 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. schreibens zur Herstellung nahezu beliebiger komplexer ikro- und Nanostrukturen. Hierzu werden ultrakurze Laserimpulse mit Objektiven hoher numerischer Apertur in ein fotoempfindliches aterial fokussiert, das für die Laserwellenlänge an sich transparent ist. Durch die starke Fokussierung werden im fokalen Volumen so hohe Intensitäten erreicht, dass das aterial über Zwei- beziehungsweise ehrphotonen - absorption lokal polymerisiert beziehungsweise quervernetzt wird. Das präzise Verfahren des Laserfokus im aterial mittels eines 3-Achs-Piezotischs erlaubt dann die Erzeugung beliebig zusammenhängender, quervernetzter Bereiche im fotoempfindlichen aterial (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 artin 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 Anzeige 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- IKROPRODUKTION 03/11

5 36 l I K R O O P T I K Bild 8. Brandenburger Tor als dreidimensionale ikrostruktur, hergestellt mit 3D-Lithografie (Quelle: Hermatschweiler, Nanoscribe) Bild 9: Strukturierte Linse als Beispiel einer mikrostrukturierten 3D-Oberfläche (Quelle: ITO, Universität Stuttgart) für weitere Prozessschritte dienen. Beispiele dafür sind Silizium oder Gold. Um aterialien in diesen Templates in drei Dimensionen gleichmäßig deponieren zu können, kommen die Atomlagendeposition, die chemische Gasphasenepitaxie und die elektrochemische Abscheidung von etallen zum Einsatz. inimale 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 etamaterialien, Transformationsoptiken und photonische Kristalle umsetzen zu können. Seit den 1990er-Jahren wurden im ITO computergenerierte Hologramme durch Laserdirektbelichtung in einem Polarkoordinatensystem erzeugt. atthias 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. it 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. ikrostrukturen 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 aterialien wie photonische Kristalle und effektive edien. Bei diesen neuartigen edien kann durch die künstliche Zusammensetzung und Strukturierung der effektive Brechungs - index und die Isotropie in weiten Grenzen eingestellt werden. Effektive edien und Subwellenlängen-ikrooptik Dr. Ernst-Bernhard Kley vom Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena stellte in seinem Vortrag über die Perspektiven für die Subwellenlängen-ikrooptik einige Beispiele der effektiven edien vor, etwa etallstreifengitter 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 IKROvent, Rudelzhausen IKROPRODUKTION 03/11

6 I K R O O P T I K l 37 Bild 10. Subwellenlängenstruktur in Kieselglas als Beispiel für die öglichkeiten effektiver edien (Quelle: IAP) Bild 11. Split-Ring-Resonator-etamaterial, hergestellt durch Layer-by-Layer-Nanotechnik (Quelle: 4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart) effektiven edien 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 uster realisiert. Neue Design- und odellierungsalgorithmen, High-End-Elektronenstrahllithografie und Ätztechniken bilden den Zugang zu solchen Elementen. 3D-etamaterialien und Superlinsen etamaterialien haben sich zu einem sehr interessanten Gebiet der Photonik entwickelt. Der Name etamaterialien wird für aterialien 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 öglichkeiten dieser aterialien erkannt und Visionen über perfekte Linsen, Tarnkappen und Unsichtbarkeit entwickelt. Professor. Dr. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart präsentierte den Stand der Technik und die Perspektiven von 3D- etamaterialien. Hier wurden 3D-etamaterialien aus Lagen von nanostrukturierten Flächen hergestellt. Das Bild zeigt ein vierlagiges Split-Ring-Resonator-eta - material, das durch eine Layer-by-Layer-Nanotechnik hergestellt wurde (Bild 11). In diesen aterialien spielen bei den optischen und elektronischen Eigenschaften Kopplungseffekte zwischen individuellen Konstituenten eine Schlüsselrolle. etamaterialien 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 öglichkeiten, Superlinsen durch etamaterialien herzustellen und stellte einen Ansatz vor, durch etamaterial eine Auflösungsverbesserung im Fernfeld zu erreichen [1]. Es wurde gezeigt, dass eine äanderstruktur 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 äanderschichten hinweg könnte zusätzlich ein Vergrößerungs- und Auskopplungseffekt erreicht werden. I AUTORIN Dr. CHRISTEL BUDZINSKI ist Fachjournalistin mit Spezialgebiet ikrooptik in Berlin; LITERATUR 1 P. Schau et al.: Optics Express , S IKROPRODUKTION 03/11

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