Drittmittelprojekt

Optisch erzeugte Sub 100-nm-Strukturen für biomedizinische und technische Applikationen (Subnano 5537414)


Details zum Projekt
Projektlaufzeit: 01/201212/2014


Zusammenfassung
Dieses Verbundvorhaben besteht aus drei eng verzahnten Projekten mit dem Ziel, funktionaleSub-100-nm-Strukturen in Dielektrika mittels Femtosekundenlasern kontrolliert zu fertigen. DieStrukturen werden hierbei von EP3 mittels zeitlich asymmetrisch geformten Femtosekundenlaserpulsenund polarisationsgeformten Femtosekundenlaserpulsen erzeugt. Größere funktionaleStrukturen erfordern eine Inline-Kontrolle dieses Herstellungsprozesses, die vom IPVS mittelsstreulicht-basierten in-situ-Charakterisierung der Nanostrukturen in dem Prozessaufbau realisiertwerden soll. Hinsichtlich der Funktionen sind zwei Anwendungsschwerpunkte geplant:Vom INA soll mit diesem Herstellungsprozess von Sub-100-nm-Strukturen die Herstellung photonischerBauelemente auf Dielektrika charakterisiert, optimiert und damit demonstriert werden.Dieser Herstellungsprozess hätte gegenüber anderen etablierten Fertigungsprozessen für diesenAnwendungsbereich wesentliche Vorteile, die in dem Vorhaben qualitativ und quantitativ ineinem direkten Methodenvergleich untersucht werden sollen. Der zweite - vom IPVS eingebrachte- Anwendungsschwerpunkt ist die Informationsspeicherung durch Nutzung derNanostrukturierungsmethode in Verbindung mit der in-situ-Streulicht-Charakterisierung, alsodem Lesen und Schreiben von Information. Es soll das Potential komplexer Nanostrukturen,die mit geformten Femtosekundenlaserpulsen erzeugt wurden, hinsichtlich Informationsdichteund Robustheit zum Beispiel für das Schreiben von Information auf Mikro- und Nanobauteileexperimentell und per Simulation untersucht werden. Im Folgenden werden die Anwendungenmit ihrer Bedeutung und den Herausforderungen sowie die daraus resultierenden Teilziele desProjekts näher erläutert.Die Produktion photonischer Elemente basierend auf Sub-100-nm Strukturen in Dielektrika stellteine Herausforderung für die bisherigen primärerzeugenden Nanostrukturierungsmethoden basierendauf „Focused Ion Beam (FIB)" - Techniken oder Elektronenstrahllithographie (ESL) dar.Die Bearbeitung nichtleitender Materialien mit diesen Techniken führt zu erheblichen Aufladungseffekten,die eine direkte hochqualitative Strukturierung erschwert. Miniaturisiertephotonische Bauelemente basierend auf photonischen Kristallstrukturen in Dielektrika sindSchlüsselkomponenten des INA für die Entwicklung kleinster Spektrometer für medizinischeund umwelttechnische Anwendungen. Eigenschaften von photonischen Bauelementen mitStrukturen im Subwellenlängenbereich basieren hauptsächlich auf zwei verwendeten Effekten,der Resonanz geführter Moden in einem strukturierten Schichtwellenleiter und der Erzeugungkünstlicher Brechungsindizes mittels Feinstrukturierung. Der zuerst genannte Ansatz wird füroptische Filterelemente verwendet, die je nach Entwurf eine schmalbandige Charakteristik besitzen,als breitbandiger Reflektor ausgelegt sind oder überdies polarisationsoptische Selektionaufweisen. Fällt eine Welle senkrecht auf eine hochbrechende Dünnschicht ein, kann durch eineStrukturierung die Kopplung an einen Wellenleitermode in dieser Schicht erfolgen. Da dieserMode durch die Strukturierung ebenso verlustbehaftet ist, kommt es zur Interferenz zwischenresonantem Mode und den freien Moden der direkt transmittierten und reflektierten Teile derWelle. Dieser Effekt wird als Fanoresonanz bezeichnet, ein als Filter ausgelegtes Bauelementwird entsprechend als Fanofilter bezeichnet. Bei Ausnutzung von spektral schmalbandigen Resonanzen,können diese Strukturen als Ersatz für DBR-Fabry-Pérot Filter in kleinstenSpektrometern oder Sensoren verwendet werden.Die direkte Strukturierung von dielektrischen Materialien mit Laserverfahren weist im Gegensatzzu FIB und ESL große Vorteile auf. Es treten während der Prozessierung keine Ladungseffekteauf und eine vergleichsweise schnelle Schreibgeschwindigkeit kann erreicht werden. Für weitereAnwendungen insbesondere auch bei biologischen Materialien ist überdies die Durchführungbei Raumbedingungen von Vorteil. In diesem Zusammenhang konnte EP3 in der ersten Förderphasezeigen, dass durch Modulation der Energiestromdichte auf derFemtosekundenzeitskala mittels Pulsformungsmethoden Sub-100-nm Strukturen in Dielektrikageschrieben werden können. Der kleinste gemessene Lochdurchmesser liegt derzeit bei 50 nm.Dabei wurde ein Mikroskopobjektiv mit einer NA von 0,5 und einem Arbeitsabstand von 7 mmverwendet, bei dem der Beugungsfleck bei 1,4 μm (1/e2 Intensitätsdurchmesser) liegt. Mit demrealisierten Aufbau können mit einer Genauigkeit von 10 nm mit derzeit 10 Hz Wiederholrate direktStrukturen geschrieben werden, wobei eine Strukturierung innerhalb des Beugungsflecksebenfalls in der ersten Förderperiode gezeigt wurde. Die oben skizzierte photonische Anwendungwurde im Erstantrag als Perspektive für eine Kooperation mit dem INA und für die zweitePhase genannt.3Als zweiten Anwendungsbereich der erzeugbaren Sub-100-nm-Strukturen dieses Verbundvorhabenssoll die Informationsspeicherung analysiert werden. In der ersten Förderphase konntein dem Projekt am IPVS gezeigt werden, dass in-situ-Charakteristika mittels Femtosekundenlaserpulsenerzeugter Sub-100-nm-Strukturen mit einfachen, robusten und schnellenStreulichtanalysen identifiziert werden können, wenn die Variationen der zu messenden Strukturendefiniert sind und deren Streulicht in Simulationen vorab analysiert wurde. Mit dieserMethode konnte zwischen typisch auftretenden Defekten und defektfreien Strukturen für Fertigungsprozessezur Nanostrukturierung unterschieden werden. Dies konnte insbesondere auchexperimentell nachgewiesen werden und ist in dem Bericht des IPVS über die erzielten Ergebnissein der ersten Förderphase, der dem Neuantrag des IPVS beigefügt ist, dargestellt. Mitdieser streulicht-basierten in-situ-Charakterisierung soll der Leseprozess einer Informationsspeicherungrealisiert werden, während der Schreibprozess durch dieStrukturierungsmöglichkeit mit dem Femtosekundenlaserimpuls umgesetzt wird. Die streulichtbasiertein-situ-Charakterisierung der Sub-100-nm-Punktstrukturen mit einem Durchmesser vonz.B. 50 nm in diesem Verbundprojekt stellt gegenüber den bisherigen Arbeiten eine erheblicheHerausforderung und Anforderung an die Weiterentwicklung des Verfahrens dar. Dies ist indem Antrag des IPVS detailliert analysiert und die prinzipielle Machbarkeit in den Vorarbeitendes IPVS Neuantrags mit ersten Streulicht-Simulationen untersucht. Desweiteren ist die streulichtbasierteCharakterisierung von photonischen Elementen, die mehrere Sub-100-nm-Strukturen auf einer Fläche von ca. 2 μm2 beinhalten, geplant. Durch den Abgleich von Streulichtparameternund berechneten optischen Eigenschaften soll hierdurch eine direkte Kontrollevon Teilflächen während des Herstellungsprozesses erfolgen.Auf Basis dieser Anwendungen und Herausforderungen für die Nanostrukturierung verfolgendie drei Antragsteller gemeinsam zwei Hauptziele in dieser Förderperiode1. Charakterisierung und Optimierung eines Demonstrators (Fanofilter) für photonische Anwendungenbasierend auf lasererzeugten Sub-100-nm Strukturen in Dielektrika. Dazu sollen die imINA entworfenen photonischen Kristallstrukturen direkt mit dem Laseraufbau der EP3 geschriebenund anschließend charakterisiert und weiter optimiert werden. Vergleichsuntersuchungenzu anderen primärerzeugenden Nanostrukturierungsmethoden und reproduzierenden Verfahrensollen ebenfalls durchgeführt werden.2. Entwicklung einer in situ Prozesskontrolle basierend auf Streulichtcharakterisierungsmethoden.Dazu soll untersucht werden, ob die vom IPVS entwickelten Charakterisierungsverfahrenvon 2D-Rippel-Strukturen auf die in diesem Antrag behandelten Sub-100-nm Lochstrukturenübertragen und erweitert werden können. Dabei sind das Streulicht der Einzelstruktur und dasStreulicht der photonischen Struktur von Interesse.Aufbauend auf den obigen Arbeiten wird das IPVS die gewonnenen Erkenntnisse im Laufe desForschungsvorhabens nutzen, um geeignete Strukturen für die Informationsspeicherung hinsichtlichverschiedenster Kriterien (Robustheit, Informationsdichte, Einfachheit der Leseeinheit,etc. ) auf Mikro- und Nanobauteilen (ähnlich zu Barcode-Identifikation von Produkten) zu identifizieren.Das INA wird die Erkenntnisse in der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit nutzen, umphotonische Kristallstrukturen mit graduellem Brechungsindex zu entwickeln. Beide Ansätzesollen von EP3 durch direktes Laserschreiben umgesetzt werden. Für beide Ziele ist es notwendig,parallel dazu die von EP3 in der ersten Phase begonnene systematische Optimierungder Nanostrukturierung von Dielektrika durch Materialabtrag mit zeitlich geformten Laserpulsenfortzuführen. Zusätzlich wird EP3 die erfolgreich verlaufenden Arbeiten aus der ersten Förderperiodezur direkten Messung der Elektronendichte in Dielektrika nach Anregung mit geformtenFemtosekundenpulsen weiterführen, da die damit bestimmbaren Materialparameter für die theoretischeModellierung wichtig sind. Auch die Arbeiten zum Einsatz polarisationsgeformter Pulsein der Materialbearbeitung sollen fortgeführt werden mit dem Ziel, die Rippelbildung bei derMehrschussmaterialbearbeitung zu steuern oder gar zu unterdrücken. Dazu sollen auch dieStreulichtcharakterisierungsmethoden in Zusammenarbeit mit dem IPVS verwendet werden.

Zuletzt aktualisiert 2017-11-07 um 14:11