Superauflösende nichtlineare Femtosekundenlaserlithographie. Elena Fadeeva, Jürgen Koch, Boris N. Chichkov

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1 Superauflösene nichtlineare Femtosekunenlaserlithographie Elena Faeeva, Jürgen Koch, Boris N. Chichkov

2 Lithography Ol Greek: writing in stone

3 Konventionelle Photolithographie Licht Maske Schicht Photoresist Ätzmaske Substrat Schichtaufbringung Photoresist- Aufbringung Belichtung Entwicklung Ätzen Resist-Entfernung Verwenung sehr kurzer Belichtungswellenlängen von Immersionstechniken verschieener Techniken zur Verbesserung er Maskenauflösung erlaubt Strukturgrößen bis unter 100nm. Photolithographie ist ie beeutenste Technik zur Herstellung von Submikrometerstrukturen in großer Stückzahl.

4 Photomasken: Kosten Beispiel: Intel Pentium 4 ~1 Terapixel pro Maske >20 Masken pro Maskensatz ~1,000,000 $ pro Maskensatz Intel? Konventionelle hochauflösene Photolithographie ist für ie Kleinserienfertigung in er Regel viel zu teuer. Maskenlose Lithographie kann eine Lösung für as Problem ieser hohen Kosten sein, wenn ie benötigte hohe Auflösung erreicht wir un wenn sie schnell genug ist.

5 Femtosekunenlaser-Materialbearbeitung Mit em Femtosekunenlaser hergestellte Mikrostrukturen Hochqualitative Strukturen in nahezu allen festen Materialien Verkleinerung struktureller Dimensionen Mit em Femtosekunenlaser hergestellte Nanostrukturen Abhängigkeit er Strukturgeometrie un größe von Materialeigenschaften Appl. Phys. A 77 (2003), 229

6 Submikrometerstrukturierung verschieener Metalle Cr, 100 nm Au, 100 nm 1 µm 1 µm F = 160 % F th Einzelpulsablation von Metallschichten auf Glas starke Electronen-Phononen- Kopplung schnell ansteigene Gittertemperatur schmelzfreie Ablation schwache Elektronen-Phononen- Kopplung langsam ansteigene Gittertemperatur Ablationsergebnisse urch Flussynamik er Schmelze ominiert

7 Femtosekunenlaserinuzierte Schmelzynamik Strukturierung unterhalb er Ablationsschwelle Strukturentstehung Schmelzen Druckanstieg Volumenzuwachs Einzelpulsexperimente, 60 nm Gol auf Glas Flussynamik Appl. Phys. A 79 (2004), 879

8 Beugungslimit Kleinster Fokusurchmesser: Abbe- Kriterium: Rayleigh- Kriterium: Gaußstrahl: = = = λ 2 NA 0.61 λ NA 2 M π NA 2 λ k λ =, k = 0.5K1 NA für größte NA: λ Beugungslimit NA: numerische Apertur, NA r / f

9 Überwinung es Beugungslimits Ablationsschwelle minimale Strukturgröße: F 2 = F0 exp( ) 2 0 F th = 0 ln F F th prinzipiell: praktisch: beliebig kleine Strukturgrößen möglich Beschränkung urch Intensitäts- un Strahllageschwankungen

10 Transparente Materialen sin Materialien mit einer Banlücke. Erster Schritt er Laserenergieabsorption: Ionisation Leitungsban hν hν Banlücke E g q hν hν Valenzban

11 Strukturgrößen in transparenten Materialien effektives Strahlprofil q = 1 q = 2 q = 4 q = 9 Ablationsschwelle minimale Strukturgröße : (für F/F th = const.) kλ kλ = = 0, 0 =, k = 0.5 K 1 NA q q NA Femtosekunenlaser- Belichtung/Ablation üblicher Photoresiste ist ein Multiphotonenprozess.

12 Femtosekunenlaserlithographie Silizium Probe mit Photoresist- Beschichtung Gol Herstellung gratfreier Nanolöcher in ünnen Golschichten Lochurchmesser bis 150nm Photoresist- Ablation urch fs- Pulse Photoresist-Belichtung urch fs-pulse Photoresist- Entwicklung Ionenstrahlätzen un Photoresist-Entfernung Löcher in 100 nm Gol auf Silizium Appl. Phys. A 82 (2006), 23

13 Femtosekunenlaserlithographie Alle aus er konventionellen Lithographie bekannten weiteren Prouktionsschritte können zum Einsatz kommen. Bil es Nieersachsenrosses vor er Leibniz Universität Hannover, hergestellt per Femtosekunenlaserlithographie un Ni-Elektroplating In Zusammenarbeit mit: Institut für Mikrotechnologie

14 Kürzere Prozesszeiten: On-the-fly- Strukturierungstechnik Prozesszeit für ie Herstellung einer regelmäßigen Anornung von 500x500 Pixeln (ein Laserpuls pro Pixel, 1µm Pixelabstan) Jees Pixel einzeln positioniert 250,000 x 1 Sekunen 70 Stunen Herstellung aller Pixel einer Zeile on the fly 500 x 3 Sekunen = 25 Minuten (1 khz-lasersystem) Set-up an trigger plan for an on-the-fly laser 2D photofabrication technology

15 Femtosekunenlaserlithographie: Anwenungen in er Biomeizintechnik Implantate: von bioinert zu funktional Funktionalisierung urch Topographie

16 Femtosekunenlaserlithographie: Anwenungen in er Biomeizintechnik Funktionalisierung von Implantatoberflächen Vorteile: Flexible Herstellung beliebiger Strukturen Auflösung bis unter 100 nm möglich Keine Beschränkung auf ebene Oberflächen Besoners geeignet zur Prototypen- un Kleinserienfertigung

17 Zusammenfassung Konventionelle hochauflösene Lithographie ist in er Regel für Kleinserienfertigung zu teuer. Maskenlose Lithographie kann eine Lösung er hohen Maskenkosten sein. Femtosekunenlaserlithographie ist eine nichtlineare super-auflösene Technik, ie hohes Potential für zukünftige Anwenungen hat.

18 Femtosecon Laser Lithography

19 Sei gut zu ir, wir brauchen ich! als Diplomanen Diploman bei uns Diploman wo aners Kontakt: Elena Faeeva Laser Zentrum Hannover e.v. Nanotechnologie Tel