DE102012109130B4

DE102012109130B4 - Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen

Info

Publication number: DE102012109130B4
Application number: DE201210109130
Authority: DE
Inventors: Jacqueline Maass; Alexandre Gatto; Oliver Sandfuchs; Robert Brunner; Daniel Thomae
Original assignee: ERNST ABBE FACHHOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: DE102012109130A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen, umfassend: Bestrahlen einer Maske (15) zum Erzeugen eines Musters von Bereichen, wobei in den Bereichen eine Leistungsdichte über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und dreidimensionales Bewegen zumindest eines Teils des Musters von Bereichen in einem fotosensitiven Material relativ zu dem fotosensitiven Material (17), um eine Struktur in das fotosensitive Material zu schreiben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung dreidimensionaler Strukturen, insbesondere die Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen mittels Belichtung eines fotosensitiven Materials.
Die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen mit Strukturgrößen insbesondere im Mikrometerbereich oder gar im Nanometerbereich ist für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Beispielsweise können durch eine derartige dreidimensionale Strukturierung optische Elemente wie beispielsweise optische Kristalle, optische Gitter oder Polarisationsfilter hergestellt werden.
Eine Möglichkeit zur Herstellung derartiger Strukturen besteht darin, ein fotosensitives Material, auch als Resist bezeichnet, entsprechend zu belichten und zu entwickeln, wobei beim Entwickeln beispielsweise belichtete Teile aufgelöst werden, so dass nur unbelichtete Teile zurückbleiben.
Eine Möglichkeit hierfür ist die so genannte Talbot-Lithografie. Bei der Talbot-Lithografie wird ein fotosensitives Volumenmaterial durch eine entsprechend ausgestaltete Maske belichtet, wobei üblicherweise keine optischen Elemente zwischen Maske und Volumenmaterial angeordnet sind. Ein Intensitätsprofil der Maske wird dabei in einem spezifischen Abstand von der Maske, dem so genannten Talbot-Abstand, durch entsprechende Superposition der Fourier-Moden wieder abgebildet. Hierdurch können beispielsweise dreidimensionale Volumengitter hergestellt werden, wie dies in Seokwoo Jeon; Fabrication complex three-dimensional nanostructures with high-resolution conformable phase masks; PNAS, Vol. 101, No. 34, p. 12428–12433; 2004, Seokwoo Jeon; Three-dimensional Nanofabrication with rubber stamps and conformable Photomasks; Advanced Materials, Vol. 16, No. 14, p. 1369–1373; 2004 oder Seokwoo Jeon; Fabrication three dimensional nanstructures using two photon lithography in a single exposure step; Optics Express, Vol. 14, No. 6, p. 2300–2308; 2006 beschrieben ist.
Hiermit ist es möglich, großflächig Substrate zu strukturieren, wobei nur ein Belichtungsschritt nötig ist. Bei der zu erstellenden Struktur kann durch entsprechende Anpassung der verwendeten Maske eine Form der entstehenden dreidimensionalen Struktur beeinflusst werden. Allerdings ist die Herstellung unsymmetrischer Formen mittels dieser Talbot-Lithografie relativ aufwändig und erfordert beispielsweise ein Beleuchten der Maske aus verschiedenen Winkeln.
Eine Möglichkeit, praktisch beliebige Formen zu erzeugen, ist die 3D-Laserstrahllithografie. Hier wird ein fotosensitives Volumenmaterial mittels eines Laserstrahls belichtet, wobei Zweiphotonenprozesse benutzt werden können. Die 3D-Laserstrahllithografie ist beispielsweise in Justyna K. Gansel; Gold helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer; Science, Vol. 325, p. 1513–1515; 2009, M. S. Rill; Photonic Metamaterial Structures by 3D Laser Writing; OSA/FiO/LS/META/OF&T; 2008, Alexandra Boltasseva; Fabrication of optical negative-index metamaterials: Recent advances and outlook; Metamaterials, Vol. 2, p. 1–17; 2008 oder Yong-Lai Zhang; Designable 3D nanofabrication by femtosecond laser direct writing; Nanotoday, Vol. 5, p. 435–448; 2010 beschrieben.
Hierbei wird ein fokussierter Laserstrahl als einziger „Schreibkopf”, auch als Voxel (Volumenelement) bezeichnet, verwendet. Daher ist bei der 3D-Laserstrahllithografie die Herstellung größerer Strukturen und die Prozessierung großflächiger Substrate zeitaufwändig, da der „Schreibkopf” die gesamte Struktur schreiben muss, was beispielsweise eine Herstellungseffizienz entsprechender Produkte verringert.
Aus Hirai, Y. et al.: „Moving Mask UV Lithography for Three-Dimensional Structuring”, J. Micromech. Microeng. 17 (2007), S. 199–206, Sugiyama, S. et al.: „Novel Shaped Microstructures Processed by Deep X Ray Lithography”, TRANSDUCERS '01 – EUROSENSORS, The 11^th Int. Conf. on Solid State Sensors and Actuators XV (2001) oder Sugiyama, S. et al.: ”Plain-Pattern to Cross-Section Transfer (PCT) Technique for Deep X Ray Lithography and Applications”, J. Micromech. Microeng. 14 (2004), S. 1399–1404 sind jeweils Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen bekannt, bei denen mittels einer Strahlquellenanordnung eine Maske beleuchtet wird, wodurch auf einem fotosensitiven Substrat ein Belichtungsmuster erzeugt wird, wobei das Belichtungsmuster während der Belichtung parallel zur Maskenebene relativ zum fotosensitiven Substrat bewegt wird, um ein latentes Bild in dem fotosensitiven Substrat zu erzeugen. Dieses kann im Rahmen eines nachfolgenden chemischen Entwicklungsschritt in eine dreidimensionale Struktur überführt werden.
Aus Solak, H. H. et al.: „Displacement Talbot Lithography: a New Method for High-Resolution Patterning of Large Areas”, OPTICS EXPRESS Vol. 19, No. 11 (2011), S. 10686–10691 ist es bekannt, eine Strukturierung unter Verwendung des Talbot-Effektes durchzuführen. Dabei wird der Abstand des Substrats von der Maske über eine Talbot-Periode variiert, um so eine Integration zu erzeugen.
Ein Strukturierungsverfahren, welches eine Mehrphotonenabsorption benutzt, ist aus der US 2004/0012872 A1 bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen bereitzustellen, mit welchen einerseits eine Herstellung großer Strukturen zeiteffizienter als bei der 3D-Laserstrahllithografie möglich ist und andererseits eine größere Flexibilität hinsichtlich der Form der Strukturen besteht als bei der 3D-Talbot-Lithografie.
Diesbezüglich wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur bereitgestellt, umfassend:
Bestrahlen einer Maske zum Erzeugen eines Musters von Bereichen, deren Leistungsdichte über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und
Dreidimensionales Bewegen zumindest eines Teils des Musters von Bereichen in einem fotosensitiven Material relativ zu dem fotosensitiven Material, um ein Muster in das fotosensitive Material zu schreiben.
Es wird also gleichsam mittels der Maske ein Muster aus Bereichen erzeugt, welche als „Schreibköpfe”, d. h. Voxel dienen, und mit diesen mehreren Schreibköpfen wird dann ein gewünschtes Muster entsprechend einer gewünschten dreidimensionalen Struktur in das fotosensitive Material geschrieben. Es wird also mit mehreren Schreibköpfen parallel geschrieben, was eine höhere Geschwindigkeit bei der Bearbeitung großflächiger Substrate ermöglicht als z. B. Laserstrahllithografie, bei welcher nur ein Schreibkopf verwendet wird. Dass zumindest ein Teil des Musters in dem fotosensitiven Material bewegt wird, ist dahingehend zu verstehen, das ein anderer Teil des Musters, d. h. manche Bereiche, bei der Bewegung auch außerhalb des fotosensitiven Materials liegen können, so dass dann nur die innerhalb des fotosensitiven Materials liegenden Bereiche des Musters als Schreibköpfe dienen.
Zu bemerken ist, dass die Definition der Bereiche mit einer Leistungsdichte über dem Schwellenwert nicht bedeutet, dass außerhalb der Bereiche keine Prozesse in dem fotosensitiven Material durch das Beleuchten ausgelöst werden, sondern lediglich angibt, dass Bereiche hoher Energie (Energie über dem Schwellenwert) existieren. Der Schwellenwert kann dabei beispielsweise als halbe maximale Leistungsdichte angesetzt sein und von einer Leistungsdichte vor der Maske bzw. Leistungsdichte einer verwendeten Lichtquelle abhängen.
Bei derartigen Verfahren wird insbesondere keine Optik zwischen der Maske und dem fotosensitiven Material benötigt.
Das Bewegen des Musters von Bereichen durch das fotosensitive Material kann dabei grundsätzlich sowohl durch eine Bewegung des fotosensitiven Materials als auch durch eine Bewegung des Musters vonstatten gehen.
Die Maske kann insbesondere eine Amplitudenmaske oder Phasenmaske sein, zum Beispiel eine Sinusmaske. Die Bereiche können insbesondere in einer Talbot-Ebene und/oder einer fraktionellen Talbot-Ebene liegen.
Die Bereiche können dabei insbesondere eine Halbwertsbreite kleiner als 5 μm, bevorzugt kleiner als 1 μm, aufweisen, wobei die maximale Leistungsdichte innerhalb der Bereiche bevorzugt größer als 1/10 der Leistungsdichte einer auf die Maske treffenden Eingangswellenfront, noch bevorzugter größer als 0,5x oder 1x die Leistungsdichte der Eingangswellenfront ist.
Eine Wellenlänge einer verwendeten Strahlung kann dabei derart gewählt werden, dass es bei dem Schreiben zu Zwei- oder Mehrphotonenprozessen kommt, was die Halbwertsbreite der Bereiche verringert und somit eine mögliche Auflösung erhöht.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine entsprechende Vorrichtung bereitgestellt, umfassend:
eine Strahlungsquellenanordnung, insbesondere mit einer Lichtquelle,
eine Maske, welche zum Erzeugen eines Musters von Bereichen, deren Leistungsdichte über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, wenn sie mit Strahlung von der Strahlungsquelle bestrahlt ist, ausgestaltet ist,
eine Aufnahme zur Aufnahme eines fotosensitiven Materials, und
eine Steuerung zum Steuern einer dreidimensionalen Relativbewegung zwischen dem Muster und einem auf der Aufnahme befindlichen fotosensitiven Material, um eine dreidimensionale Struktur in das fotosensitive Material zu schreiben.
Die Lichtquelle kann dabei einen Laser, insbesondere einen Femtosekunden-Kurzpulslaser, umfassen.
Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltung der Maske und/oder der Steuerung eingerichtet sein, eines oder mehrere der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schemadiagramm einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein Beispiel für eine bei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendbare Maske,
4A bis 4Q Beispiele für Intensitätsverteilungen bei Ausführungsbeispielen der Erfindung,
5 Beispiele für Muster von hochenergetischen Bereichen,
6 Beispiele für das Schreiben einer Struktur in einer Ebene, und
7 ein Beispiel für ein Schreiben einer dreidimensionalen Struktur.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und sind nicht als einschränkend auszulegen, da die Erfindung auch anders als dargestellt implementiert sein kann.
Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Durchführung der Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
In 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Erzeugung dreidimensionaler Strukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst eine Strahlungsquelle, in diesem Fall eine Lichtquelle 11, welche eine Optik 13 zur Erzeugung ebener Wellenfronten 14 mit Lichtstrahlen 12 beleuchtet. Der Begriff „Lichtstrahlen” ist hier nicht auf sichtbares Licht eingeschränkt auszulegen. Die Lichtstrahlen können insbesondere Lichtstrahlen im sichtbaren Spektrum, in infraroten Spektrum und/oder im ultravioletten Spektrum umfassen. Die Lichtquelle 11 kann beispielsweise eine Laserlichtquelle umfassen, wobei ein erzeugter Laserstrahl dann aufgeweitet wird. Zur Erzeugung hoher Leistungsdichten kann die Laserlichtquelle dabei insbesondere einen Kurzpulslaser, beispielsweise einen Femtosekundenlaser, umfassen. Während die Optik 13 in 1 als einzelne Linse repräsentiert ist, ist dies lediglich symbolisch zu verstehen, und die Optik 13 kann jede geeignete Kombination von Linsen und/oder anderen optischen Elementen umfassen, um die ebenen Wellenfronten 14 zu erzeugen.
Derartige Anordnungen zum Erzeugen ebener Wellenfronten sind für sich genommen dem Fachmann geläufig und werden daher nicht näher erläutert.
Die Vorrichtung 10 der 1 umfasst weiterhin eine Maske 15, welche bei dem dargestellten Beispiel planparallel zur ebenen Wellenfront 14 justiert ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Beleuchtung der Maske auch aus einem oder mehreren anderen Winkeln als dargestellt erfolgen. Die Maske 15 kann beispielsweise eine Amplitudenmaske oder eine Phasenmaske sein und erzeugt aus der ebenen Wellenfront 14 ein Muster hochenergetischer Bereiche 16, d. h. ein Muster von Bereichen, deren Leistungsdichte oberhalb einem vorgegebenen Schwellenwert, welcher sich insbesondere zum Schreiben in einem fotosensitiven Material eignet, liegt, wobei grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist, dass auch außerhalb der Bereiche Prozesse in dem fotosensitiven Material ausgelöst werden können. Die hochenergetischen Bereiche 16 liegen dabei insbesondere in Ebenen in einem Talbot-Abstand zu der Maske 15 oder einem ganzzahligen Bruchteil des Talbot-Abstands, beispielsweise eines halben Talbot-Abstands oder eines viertel Talbot-Abstands, oder Vielfachen hiervon, d. h. in Talbot-Ebenen und/oder fraktionellen Talbot-Ebenen.
In 1 ist weiterhin ein fotosensitives Material 17 auf einem Substrat 18 bereitgestellt, welches mittels einer geeigneten Aufnahme 111 wie durch Pfeile 19 dargestellt in drei Raumrichtungen beweglich ist, beispielsweise durch eine dreiachsige Aktorik. Ein derartiges fotosensitives Material wird auch als Fotolack oder Resist bezeichnet. Durch entsprechende Belichtung kann das fotosensitive Material 17 derart verändert werden, dass beispielsweise im Falle eines sogenannten Positivlacks belichtete Bereiche in einem nachfolgenden Entwicklungsschritt herausgelöst werden oder im Falle eines sogenannten Negativlacks nicht belichtete Bereiche herausgelöst werden. Durch ein derartiges Belichten, im Folgenden auch als Schreiben bezeichnet, kann beispielsweise ein Polymerisieren des fotosensitiven Materials erfolgen.
Eine derartige Bewegung wie durch Pfeile 19 symbolisiert kann durch eine Steuerung 110 gesteuert werden, so dass bei der Bewegung die Bereiche 16, welche sich innerhalb des fotosensitiven Materials 17 befinden, entsprechende Strukturen in das fotosensitive Material 17 schreiben, wodurch nach entsprechender Entwicklung dann dreidimensionale Strukturen gebildet werden können. Vor dem Belichten kann dabei eine Justage erfolgen, welche beispielsweise bezüglich der Aktorik der Aufnahme 111 erfolgen kann. Dabei wird bevorzugt eine möglicherweise vorhandene Verkippung des fotosensitiven Materials 17 und/oder der Maske 15 auf eine x-y-Ebene der Aktorik ausgerichtet, und die Wellenfront 14 wird dann entsprechend auf die Maske 15 und das fotosensitive Material 17 und somit ebenso auf die Aktorik der Aufnahme 111 ausgerichtet.
Zu bemerken ist, dass es grundsätzlich auch möglich ist, statt oder zusätzlich zu der Bewegung des fotosensitiven Materials 17 eine Bewegung der Bereiche 16, beispielsweise durch eine Bewegung der Lichtquelle 11, der Optik 12 und der Maske 15, durchzuführen. Ist die Ausdehnung der Wellenfront 14 größer als die Ausdehnung der Maske 15, kann auch nur die Maske 15 bewegt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist eine Oberfläche des fotosensitiven Materials 17 ebenfalls parallel zu den Wellenfronten 14 justiert, wobei je nach Art und Lage der gewünschten Strukturen auch eine andere Justierung erfolgen kann.
Bei einer derartigen Vorrichtung 10 werden gleichsam eine Vielzahl der Bereiche 16 gleichzeitig als „Schreibköpfe” benutzt, um parallel durch die Bewegung des fotosensitiven Materials 17 eine Struktur in das fotosensitive Material 17 zu schreiben und somit letztendlich (nach dem Entwickeln) eine dreidimensionale Struktur zu erzeugen. Durch die Steuerung der Bewegung des fotosensitiven Materials ist eine große Flexibilität hinsichtlich der Form der Strukturen gegeben, während durch die Vielzahl von Bereichen und das damit verbundene parallele Schreiben auch die Bearbeitung größerer Werkstücke, d. h. größerer Volumina von fotosensitivem Material, in akzeptabler Zeit möglich ist.
Somit können mit der Vorrichtung 10 effizient dreidimensionale Strukturen geschrieben werden.
In 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Das Verfahren der 2 kann insbesondere unter Verwendung der Vorrichtung 10 der 1 durchgeführt werden, kann jedoch auch unabhängig hiervon verwendet werden.
In Schritt 20 wird eine Maske, beispielsweise eine Amplitudenmaske oder eine Phasenmaske, zur Erzeugung eines Musters hochenergetischer Bereiche, d. h. Bereiche mit einer Beleuchtungsintensität über einem vorgegebenen Schwellenwert, beleuchtet. In Schritt 21 werden diese hochenergetischen Bereiche (oder manche der Bereiche) dann in einem fotosensitiven Material dreidimensional bewegt, um eine Struktur in das fotosensitive Material zu schreiben. In Schritt 22 wird das fotosensitive Material dann beispielsweise mittels geeigneter Chemikalien entwickelt, um eine dreidimensionale Struktur zu erzeugen. Beispielsweise können bei dem Entwickeln in Schritt 21 durch die Bewegung der hochenergetischen Bereiche belichtete (bei Positivlacken) oder unbelichtete (bei Negativlacken) Teile des fotosensitiven Materials aufgelöst werden, um so die gewünschte dreidimensionale Struktur zu erhalten.
Bei diesem Belichten können, wie später näher erläutert werden wird, insbesondere Zweiphotoneneffekte ausgenutzt werden, um einen höheren Kontrast der räumlichen Energieverteilung zu erzielen.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 3 bis 7 manche Merkmale der Ausführungsbeispiele der 1 und 2, insbesondere das Beleuchten einer Maske zur Erzeugung hochenergetischer Bereiche und das Bewegen der hochenergetischen Bereiche im fotosensitiven Material anhand von Beispielen näher erläutert, wobei diese Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen.
Wie bereits erwähnt, können als geeignete Masken zur Erzeugung der hochenergetischen Bereiche beispielsweise Amplitudenmasken oder Phasenmasken verwendet werden. Dabei können beispielsweise Linienmasken, auch als Gitter bezeichnet, verwendet werden, welche für die nachfolgenden Simulationsbeispiele hauptsächlich verwendet werden, da die Darstellung übersichtlicher ist. Es sind jedoch auch Masken möglich, welche sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung variieren, wobei die x-y-Ebene wie in 1 die Maskenebene bezeichnet, während mit z die Richtung senkrecht hierzu bezeichnet wird. In 3 ist als Beispiel für eine derartige Maske eine Übertragungsfunktion U einer sinusförmigen Amplitudenmaske mit einer Periode von 10 μm sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung dargestellt, welche beispielsweise zur Erzeugung hochenergetischer Bereiche dienen kann.
Die Erzeugung hochenergetischer Bereiche wird dann gemäß dem Talbot-Effekt vorgenommen, gemäß dem in einem vorgegebenen Abstand, dem Talbot-Abstand, das Intensitätsprofil der Maske wieder abgebildet wird. In so genannten fraktionellen Talbot-Ebenen, beispielsweise beim halben Talbot-Abstand, viertel Talbot-Abstand, drittel Talbot-Abstand und dergleichen ergeben sich Intensitätsmaxima mit höherer Periode, wobei diese Maxima ebenfalls als hochenergetische Bereiche (Spots) dienen können.
Für die Herstellung von Volumenkörpern ergeben sich dabei Anforderungen, dass eine Intensitätsverteilung in zum Schreiben benutzten Ebenen sehr hoch sein muss und ein Abstand zu benachbarten Maxima entlang der Propagationsrichtung z so groß sein soll, dass derartige Nebenmaxima nicht im fotosensitiven Material liegen, es sei denn es wird gewünscht, in mehreren Ebenen zu schreiben.
Als Beispiel werden nunmehr Simulationsergebnisse für eine sinusförmige Phasenmaske mit einer Periode von 10 μm und einer Wellenlänge eines verwendeten Lichts für ein Einphotonenanregen von 450 nm diskutiert. Bei den folgenden Simulationsbeispielen wird zudem allgemein von einer auf die Maske einfallenden Beleuchtungsintensität von 1 W/cm² ausgegangen. Hierbei kann es bei einem geeigneten fotosensitiven Material und geeigneter Anregungswellenlänge zu Zweiphotonenanregungen kommen, bei welchen Elektronen von Atomen des fotosensitiven Materials Photonen absorbieren und das Energieniveau der Elektronen dadurch in eine verbotene Zone angehoben wird. In diesem Energiezustand verweilen die Elektronen nur wenige Femtosekunden, bevor das Photon wieder emittiert wird. Wenn nun aber in diesem Zeitfenster von Femtosekunden ein weiteres Photon von dem angeregten Elektron absorbiert wird, wird das Elektron in einen höheren erlaubten Zustand angehoben, und hierdurch wird die doppelte Energie eines einzelnen Photons absorbiert, was einer Intensitätserhöhung entspricht. Die Anregungswellenlänge ist dabei bevorzugt derart gewählt, dass die Energie eines Photons die Hälfte der Energie beträgt, welche für die Anregung in den höheren erlaubten Zustand nötig ist, und liegt für typische fotosensitive Materialien z. B. im Bereich von 300 nm–1000 nm. Wird beispielsweise für eine Einphotonenanregung eine Wellenlänge von 450 nm benötigt, wäre die entsprechende Wellenlänge für eine Zweiphotonenanregung 900 nm. Eine hinreichend hohe Wahrscheinlichkeit für einen derartigen Zweiphotonenprozess wird durch entsprechende Beleuchtungsintensitäten erreicht, welche beispielsweise im Terawattbereich liegen können. Derartige Beleuchtungsintensitäten können beispielsweise durch Kurzpulslaser, z. B. Femtosekundenlaser, erreicht werden.
Für das obige Beispiel ergeben sich bei einer Einphotonenabsorption hochenergetische Bereiche mit einer maximalen Beleuchtungsintensität von 5,2 W/cm² und einer Halbwertsbreite von 0,565 μm. Bei einer Zweiphotonenabsorption beträgt die maximale Intensität 27,2 W²/cm⁴ bei einer Halbwertsbreite von 0,4 μm. Es können somit sehr kleine hochenergetische Bereiche mit hohen Intensitäten erzeugt werden, welche dann als Schreibköpfe zum Schreiben in einem geeigneten fotosensitiven Material dienen können.
In den 4A und 4B ist eine räumliche Verteilung der Intensität hinter einer sinusförmigen Phasenmaske mit einer Periode von 10 μm, eine Phasenhöhe von 7π und einer Belichtungswellenlänge von 450 nm dargestellt. z bezeichnet dabei den Abstand zur Maske, die x-Richtung liegt in der Maskenebene, entsprechend dem Koordinatensystem der 1. Für die Schwarz-Weiß-Darstellung der 4A wurde ein Schwellenwert von 2,6 W/cm² entsprechend der halben maximalen Intensität verwendet, d. h. Bereiche mit einer Intensität oberhalb dieses Schwellenwerts erscheinen weiß, andere Bereiche erscheinen schwarz. Die zeigt ein Schnittbild in einem Abstand von 332 μm von der Maske (z = 332 μm in 4A). Es sind deutlich starke Intensitätsspitzen mit einer maximalen Intensität größer als 5 W/cm² erkennbar. Diese Bereiche in einem Abstand von 332 μm zur Maske sind die Bereiche mit der höchsten Energie, wobei sich das dargestellte Intensitätsprofil mit dem Talbot-Abstand als Periode im Wesentlichen wiederholt. Somit ist es möglich, innerhalb der Periode in x-Richtung (d. h. innerhalb des Abstands der Bereiche zueinander) verschiedene Muster in der Ebene beliebig in das fotosensitive Material hineinzuschreiben und auch beliebige Muster im dreidimensionalen Raum bis zur maximalen Dicke des fotosensitiven Materials oder bis zum nächsten entsprechenden Bereich zu schreiben.
Wird zum Belichten des fotosensitiven Materials eine Zweiphotonenabsorption benutzt, wird sich der Kontrast verstärken. zeigt zur Veranschaulichung das Quadrat der räumlichen Intensitätsverteilung, was ein Maß für eine Wahrscheinlichkeit einer Zweiphotonenabsorption ist mit einem Schwellenwert von (13 W/cm²)² entsprechend etwa der halben maximalen quadratischen Intensität und zeigt die Intensitätsverteilung wiederum im Abstand von 332 μm, wobei wiederum die gleiche Maske wie bei den 4A und 4B verwendet wurde. Wie zu sehen ist, ergibt sich hier eine geringere Halbwertsbreite sowie eine geringere Anzahl von Bereichen über dem gewählten Schwellenwert als bei einem Einphotonenprozess, wobei zu beachten ist, dass bei einer Zweiphotonenabsorption die Anregungswellenlänge der halben Energie des anzuregenden Übergangs entspricht, so dass insbesondere ein passender Fotolack auszuwählen ist. Ein entsprechendes Beispiel wird später erörtert.
Mit den bisher diskutierten Masken können insbesondere beliebige Strukturen geschrieben werden.
Eine Anwendung derartiger Schreibvorgänge ist die Herstellung von Volumengittern. Hier besteht eine Anforderung an eine verwendete Maske, dass die Abstände der hochenergetischen Bereiche, d. h. der entsprechenden Maxima der Intensität, gleichmäßig voneinander entfernt sind und die Muster gleich sind, um möglichst homogene Volumengitter herstellen zu können. Bei der folgenden Simulation wird von einer Phasenmaske als Belichtungsmaske ausgegangen. Grundsätzlich sind für derartige Anwendungen sowohl Phasenmasken als auch Amplitudenmasken verwendbar, wobei bei kleinen Perioden von beispielsweise 3 μm die sich bildenden Maxima bei Amplitudenmasken tendenziell höher sind als bei Phasenmasken, während bei Phasenmasken die Halbwertsbreiten tendenziell kleiner sind und somit feinere Strukturen erstellt werden können.
In 4E und 4J ist die räumliche Intensitätsverteilung hinter einer sinusförmigen Phasenmaske mit einer Periode von 3 μm für eine Beleuchtungswellenlänge von 450 nm gezeigt, wobei 4E ähnlich den 4A und 4C eine Intensitätsverteilung in x- und z-Richtung unter Verwendung eines Schwellenwerts zeigt, wobei der Schwellenwert wiederum der halben maximalen Intensität, im vorliegenden Fall 0,32 W/cm^2,, entspricht. Die zeigt die Intensitätsverteilung in einem Abstand von 48,6 μm zur Maske.
Wie insbesondere in 4E zu sehen ist, gibt es Hauptmaxima (breitere Bereiche) und verschiedene Nebenmaxima, wobei sowohl Hauptmaxima als auch Nebenmaxima in einander entsprechenden Dreiecksmustern angeordnet sind. Durch eine derartige Maske können ineinander gesetzte Gitter unterschiedlicher Stegbreite erzeugt werden.
Wird eine Zweiphotonenabsorption mit einer Phasenmaske mit einer Periode von 3 μm verwendet, ergeben sich die in den 4G und 4H dargestellten Intensitätsverteilungen, wobei in 4G wiederum eine Darstellung in der x-z-Ebene mit einem Schwellenwert entsprechenden der halben maximalen quadratischen Intensität und 4H die Intensität² in einem Abstand von 48,6 μm zeigt. In diesem Fall liegen nur die Hauptmaxima der 4E in 4G noch über dem Schwellenwert, was einem sehr hohen Kontrast entspricht. Es können hier auch tiefere Strukturen in das fotosensitive Material geschrieben werden.
In 4I ist die Darstellung der 4G nochmals dargestellt, wobei hier verglichen mit der 4G für die x-Achse und die z-Achse der gleiche Maßstab gezeigt wurde. Allerdings wurden die Simulationen für ein Propagation in Luft berechnet. Für die Propagation in fotosensitivem Material ergibt sich eine Streckung entlang der z-Richtung, wodurch die Bereiche hoher Energie in z-Richtung verlängert werden. Typische Brechungsindizes von fotosensitiven Material liegen beispielsweise im Bereich von 1,5.
Bei den Beispielen der 4E–4I ergibt sich also bei Einphotonenabsorption für das simulierte Beispiel eine maximale Intensität von 0,64 W/cm² bei einer Halbwertsbreite von 0,57 μm, für eine Zweiphotonenabsorption eine maximale Intensität von 0,42 W²/cm⁴ bei einer Halbwertsbreite von 0,40 μm.
Um die unter Bezugnahme auf 4E bis 4I diskutierten Phasenmasken zur Herstellung von Volumengittern mit einer entsprechenden Amplitudenmaske vergleichen zu können, ist in 4J ein Intensitätsprofil für eine Amplitudenmaske mit einer Periode von 3 μm in der Talbot-Ebene, d. h. in einem Abstand von 20 μm, dargestellt. Da das Intensitätsprofil hier die gleiche Energie wie eine eintreffende Welle hat, ist die maximale Intensität hier höher als die Intensität bei den Phasenmasken. Jedoch ist die Halbwertsbreite für eine Einphotonenabsorption mit 1 μm deutlich höher als für die dargestellten Phasenmasken. Die 4K zeigt die Energieverteilung mit einem Maßstab entsprechend der 4I, welche für einen Schwellenwert von 0,5 W/cm² mit dem gleichen Maßstab wie 4I für eine Zweiphotonenabsorption simuliert wurde. Wie zu sehen ist, ergeben sich hier deutlich größere hochenergetische Bereiche, welche zum Schreiben verwendbar sind, was die Flexibilität bei der Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen verringert.
In den 4A bis 4K sind also verschiedene Intensitätsprofile gezeigt, bei welchen maximale Intensitäten bei Einphotonenabsorption größer als 0,25 W/cm², insbesondere größer als 0,5 W/cm², sind, wobei Halbwertsbreiten der Bereiche hoher Intensität kleiner als 5 μm, insbesondere kleiner als 1 μm, sind.
Auch wenn obenstehend Beispiele für Einphotonenabsorption und Zweiphotonenabsorption erläutert wurden, können bei anderen Ausführungsbeispielen auch Mehrphotonenanregungen mit mehr als zwei Photonen genutzt werden, z. B. durch entsprechende Wahl einer Anregungswellenlänge.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf 4L bis 4Q die Verwendung einer Zweiphotonenabsorption zum Schreiben von Strukturen in ein fotosensitives Material weiter veranschaulicht. Wie vorstehend erläutert, wird mit einer Zweiphotonenabsorption ein Übergang angeregt, welcher die doppelte Energie wie ein einzelnes Photon des anregenden Lichts aufweist. Die Wahrscheinlichkeit einer derartigen Zweiphotonenabsorption hängt dabei von dem Quadrat der Beleuchtungsintensität ab, wie ebenfalls bereits erläutert. Zum effizienten Nutzen der Zweiphotonenabsorption ist es dabei bevorzugt, eine Anregungswellenlänge zu verwenden, bei welcher das fotosensitive Material zumindest größtenteils transparent ist, so dass beispielsweise möglichst wenig Lichtintensität durch andere Prozesse als die gewünschte Zweiphotonenabsorption verloren geht.
Ein Beispiel für ein fotosensitives Material, welches für eine Zweiphotonenabsorption geeignet ist, wird im Folgenden ein SU8-3000 Fotolack verwendet. Hier kann mit einer Anregungswellenlänge von 800 nm ein Übergang mittels einer Zweiphotonenabsorption angeregt werden (welcher dann einer Energie eines Photons einer Wellenlänge von 400 nm entspricht), wobei dieser Fotolack bei 800 nm näherungsweise vollständig transparent ist.
Als Maske für die nachfolgenden Simulationen wurde eine Phasenmaske mit einer Periode von 3 μm und einem Phasenhub von 7π verwendet.
4L und 4M zeigen die räumliche Verteilung der Intensität in Luft, wobei die 4L eine Darstellung entsprechend der 4A zeigt, wobei z die Proportionsrichtung und x eine in der Maskenebene liegende Richtung ist, und wobei hell dargestellte Bereiche über einer halben maximalen Intensität liegen, während dunkel dargestellte Bereiche unterhalb der halben maximalen Intensität liegen.
Die 4M zeigt einen Schnitt in einer Talbot-Ebene für z = 5,25 μm.
Die 4N und 4O zeigen Darstellungen entsprechend der 4L bzw. 4M für eine Propagation innerhalb des Fotolacks SU8-3000, d. h. unter Berücksichtigung des Brechungsindex dieses Mediums. Der von der Wellenlänge λ abhängige Brechungsindex n(λ) des fotosensitiven Materials wurde dabei mittels der Cauchy-Gleichung n(λ) = A + B/λ² + C/λ⁴ mit A = 1,5525; B = 0,00629 und C = 0,0004 berechnet. Dabei verschiebt sich durch das Medium die Position der Talbot-Ebenen, so dass in diesem Fall 4O einen Schnitt z = 8,55 μm zeigt.
Die und zeigen schließlich die räumliche Verteilung der quadratischen Intensität in dem fotosensitiven Material, was einem Maß für eine Wahrscheinlichkeit von Zweiphotonenabsorption entspricht. 4Q zeigt dabei wiederum einen Schnitt für z = 8,55 μm, entsprechend der Distanz der Talbot-Ebene der 4O. Da der Fotolack SU8-3000 wie erläutert für die verwendete Beleuchtungswellenlänge von 800 nm praktisch transparent ist, finden praktisch keine Einphotonenabsorption statt. 4P zeigt somit die Absorptionswahrscheinlichkeit einer Energie entsprechend einer Wellenlänge von 400 nm durch eine Zweiphotonenabsorption in dem fotosensitiven Material. Wie wiederum aus 4Q ersichtlich, kann ein hoher Kontrast entsprechend einer geringen Halbwertsbreite erreicht werden.
In 5 sind verschiedene durch Masken wie oben besprochen erzeugbare Muster in einer Ebene parallel zur Maske (d. h. in einer x-y-Ebene) dargestellt. Beispielsweise können Quadrat- oder Rechteckmuster (a), Dreiecksmuster (b) oder Wabenmuster (c) erzeugt werden. Diese Muster sind Beispiele für reguläre Parkettierungen, und es können auch andere reguläre Parkettierungen oder andere Muster erzeugt werden. Somit ist aus dem Vorstehenden ersichtlich, dass mittels Masken, insbesondere Amplitudenmasken oder Phasenmasken, hochenergetische Bereiche in verschiedenen Musteranordnungen erzeugt werden können, insbesondere in einer Talbot-Ebene oder einer fraktionellen Talbot-Ebene, welche dann zum Schreiben von Strukturen in fotosensitivem Material verwendet werden können.
Nunmehr sollen unter Bezugnahme auf die 6 und 7 Beispiele für Schreibvorgänge erläutert werden. Zunächst wird zur Erläuterung unter Bezugnahme auf 6 ein Schreibverfahren erläutert, welches kein Ausführungsbeispiel der beanspruchten Erfindung darstellt und bei welchem eine Bewegung des fotosensitiven Materials relativ zu den hochenergetischen Bereichen nur in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung, d. h. in der x-y-Ebene, erfolgt, so dass Strukturen beispielsweise innerhalb von Talbot-Ebenen geschrieben werden. Als Beispiel hierfür zeigt 6 ein Schreiben von Dreieckstrukturen in einer Talbot-Ebene. Dabei werden wie bei (a) gezeigt quadratisch angeordnete hochenergetische Bereiche verwendet. In einem ersten Schritt kann dann das fotosensitive Material relativ zu den hochenergetischen Bereichen wie durch einen Pfeil 60 dargestellt bewegt werden, wodurch Striche geschrieben werden. Als zweites erfolgt wie in (c) gezeigt eine weitere Bewegung wie entsprechend einem Pfeil 61, und schließlich erfolgt bei (d) eine letzte Bewegung entsprechend einem Pfeil 62, wodurch die Dreieckstrukturen vervollständigt werden. In diesem Fall wird also durch nur drei Bewegungen eine Dreieckstruktur im fotosensitiven Material ausgebildet.
Als nächstes soll unter Bezugnahme auf 7 ein Beispiel für ein dreidimensionales Schreiben mit Relativbewegung von fotosensitivem Material zu hochenergetischen Bereichen in drei Raumrichtungen erläutert werden. Dabei soll ausgehend von einer bei (a) dargestellten Dreiecksstruktur eine tetragonale Struktur ähnlich einer Kristallstruktur ausgebildet werden. Wie bei (b) dargestellt, sind die dargestellten hochenergetischen Bereiche dabei in einer Talbot-Ebene 70 und in einer halben Talbot-Ebene 71 angeordnet, wobei sich diese Struktur entsprechend fortsetzt, so dass in 7 nur ein Ausschnitt dargestellt ist.
Bei (c) wird eine erste Bewegung entsprechend einem Pfeil 72 durchgeführt, wodurch die beiden Ebenen 70, 71 verbunden werden. Bei (d) wird die nächste Bewegung entsprechend einem Pfeil 73 durchgeführt, dann bei (e) eine weitere Bewegung entsprechend einem Pfeil 74, bei (f) die nächste Bewegung entsprechend einem Pfeil 75 und bei (g) eine fünfte Bewegung entsprechend einem Pfeil 76 durchgeführt. Diese Bewegungen können ohne Absetzen durchgeführt werden, wobei die Struktur dann noch mit einer letzten Bewegung entsprechend einem Pfeil 77 vervollständigt wird, wozu ein „Absetzen” erfolgt, beispielsweise durch kurzzeitiges Abdunkeln der Lichtquelle.
Es können somit komplexe Volumengitter, welche beispielsweise eine Kristallstruktur nachahmen, mit Strukturgrößen im Mikrometerbereich geschrieben werden.
Die in 6 und 7 dargestellten Schreibvorgänge sind lediglich als Beispiel zu sehen, und je nach Art der gewünschten Strukturen können im Wesentlichen beliebige Schreibvorgänge durchgeführt werden.
Mittels derartiger Schreibvorgänge können beispielsweise Strahlformer mit neuen Eigenschaften hergestellt werden, beispielsweise mikrooptische Komponenten, Subwellenlängenstrukturen wie Mottenaugen oder Polarisationsfilter für zirkular polarisiertes Licht. Auch können Schichten für Objektive oder Strahlformer zur Lichthomogenisierung hergestellt werden.
Wie bereits aus der obigen Diskussion von Modifikationen und Abwandlungen ersichtlich, ist der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiel begrenzt.

Claims

Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen, umfassend: Bestrahlen einer Maske (15) zum Erzeugen eines Musters von Bereichen, wobei in den Bereichen eine Leistungsdichte über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und dreidimensionales Bewegen zumindest eines Teils des Musters von Bereichen in einem fotosensitiven Material relativ zu dem fotosensitiven Material (17), um eine Struktur in das fotosensitive Material zu schreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maske (15) eine Phasenmaske oder eine Amplitudenmaske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bereiche in einer Talbot-Ebene oder einer fraktionellen Talbot-Ebene liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei eine Halbwertsbreite der Bereiche kleiner als 5 μm, bevorzugt kleiner als 1 μm, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei eine maximale Leistungsdichte in den Bereichen mindestens 0,1x, bevorzugt mindestens 0,5x einer Leistungsdichte einer auf die Maske fallenden Wellenfront, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Bereiche in einer Ebene parallel zu einer Ebene der Maske eine reguläre Parkettierung, bevorzugt ein Rechteckmuster, ein Dreieckmuster oder ein Wabenmuster bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, weiter umfassend ein Entwickeln des fotosensitiven Materials (17).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Schreiben der Struktur ein Anregen eines Mehrphotonenprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Photonenenergie einer zum Bestrahlen verwendeten Strahlung einer halben Anregungsenergie des fotosensitiven Materials entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Bewegen des Musters relativ zu dem fotosensitiven Material ein Bewegen der Maske (15) und/oder ein Bewegen des fotosensitiven Materials (17) umfasst.
Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen, umfassend: eine Strahlungsquellenanordnung (11, 12) zum Beleuchten einer Maske (15) derart, dass ein Muster aus Bereichen (16) erzeugt wird, deren Beleuchtungsintensität oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, eine Aufnahme (111) zur Aufnahme eines fotosensitiven Materials (17), und eine Steuerung zum Steuern einer dreidimensionalen Relativbewegung zwischen dem Muster und einem auf der Aufnahme befindlichen fotosensitiven Material derart, dass durch die Bereiche (16) eine dreidimensionale Struktur in ein auf der Aufnahme (111) befindliches fotosensitives Material (17) schreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Strahlungsquellenanordnung einen Kurzpulslaser umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Maske (15) eine Phasenmaske oder eine Amplitudenmaske umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11–13, wobei die Bereiche in einer Talbot-Ebene oder einer fraktionellen Talbot-Ebene liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11–14, weiter umfassend das fotosensitive Material (17), wobei die Strahlungsquellenanordnung (11, 12) derart ausgestaltet ist, dass eine Photonenenergie einer halben Anregungsenergie des fotosensitiven Materials entspricht.