Auf dem Weg zu neuen optischen Bauelementen

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ISH Ingenieursozietät GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

3-D-Design und günstige Herstellung durch Zwei-Photonen-Polymerisation

Photonische Kristalle, basierend auf Silizium oder Glas, sind bereits kommerziell erhältlich. Nach wie vor ist es aber schwierig, diese Strukturen kostengünstig und mit variierbaren Gitterparametern herzustellen. Die für photonische Elemente notwendigen komplexen dreidimensionalen Nano- und Mikrostrukturen lassen sich mit den in der Halbleiterindustrie üblichen Verfahren nur in vielen aufwändigen Prozessschritten realisieren.

Eleganter und schneller ist die Methode der Zwei-Photonen-Polymerisation, mit der sich präzise Strukturen direkt in drei Dimensionen „schreiben“ lassen. Das zu Grunde liegende physikalische Prinzip der Strukturierung ist die so genannte Zwei-Photonen-Absorption (two-photon absorption (TPA); Schema s. Bild 1).

Mit Femtosekunden-Lasern zu Strukturen von 100 nm

Da es sich dabei um einen nichtlinearen optischen Prozess handelt und darüber hinaus die Lebensdauer der Zustände sehr kurz ist, müssen Femtosekunden-Laserpulse eingesetzt werden. Durch die kurzen Pulse tritt nur eine geringe thermische Belastung der zu bearbeitenden Materialien auf, sodass sich auch thermisch sehr empfindliche Materialien bearbeiten lassen.

Die präzise Fokussierung des Laserlichts im zu bearbeitenden Material begrenzt den Mehr-Photonen-Prozess auf einen sehr kleinen Raumbereich und löst dort zum Beispiel eine Vernetzungsreaktion eines (hybrid-)polymeren Materials aus. Typischerweise lassen sich auf Grund des sehr schmalen räumlichen Absorptionsprofils bei der Mehr-Photonen-Absorption und einem Schwellwertprozess der Vernetzungsreaktion Struktureinheiten erzeugen, deren derzeit minimale Größe von etwa 100 nm deutlich unterhalb des Beugungslimits des verwendeten Lichts liegt (Bild 2).

Ist das umgebende Material für das Laserlicht transparent, lassen sich so in einem Volumen definiert beliebige 3-D-Strukturen schaffen. Diese können dann entweder als Funktionsstrukturen im Volumen erhalten bleiben oder es können analog zur klassischen Lithographie Lösemittel-basierte Prozesse eingesetzt werden, um das unbelichtete Material zu entfernen und so eine Funktionsstruktur zu erhalten. Zur kostengünstigen Erzeugung dieser Funktionsstrukturen bieten sich insbesondere die am Fraunhofer ISC entwickelten anorganisch-organischen Hybridpolymere (ORMOCERe) an. Ihre Stärke liegt in einer beliebigen Funktionalisierbarkeit bei gleichzeitig hoher chemischer, thermischer und mechanischer Stabilität.

Das Fraunhofer ISC hat in einer Kooperation mit dem Laserzentrum Hannover auf dieser Basis ein Verfahren entwickelt, in dem ein Laser dreidimensionale Strukturen schnell und direkt ins Material schreibt und die Methodik der klassischen Lithographie nutzt. Eine hohe Auflösung im Sub-µm-Bereich bei hoher Präzision lässt sich damit erzielen [1].

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