Bessere Interferenzlithographie mit CW-Festkörperlasern

DIE HERAUSFORDERUNG

Anton Savchenko ist Nachwuchsforscher am Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart. Er und seine Kollegen stellen Mikro- und Nanostrukturen mithilfe der Laser-Interferenzlithographie (LIL) her.

Periodische Mikro- und Nanostrukturen finden sich häufig in der Natur und werden vielfach für technische Zecke eingesetzt. Forscher haben Nanostrukturen erzeugt, die denen auf der Augenoberfläche von Motten ähneln und unerwünschte optische Reflektionen unterdrücken können. Ein weiteres Beispiel einer periodischen Nanostruktur sind Diffraktionsgitter, die in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, von der Spektroskopie bis zur Modifikation von Laserstrahlen. Diese Strukturen präzise und reproduzierbar zu erzeugen, ist eine Herausforderung. Es gibt nur wenige Methoden, mit denen sich periodische Muster im Sub-Mikrometerbereich zuverlässig herstellen lassen – und eine davon ist LIL.

LIL erzeugt periodische Interferenzmuster in einem lichtempfindlichen Material. Der grundlegende Aufbau basiert auf Lloyds Spiegel und hat sich seit den Studien von Humphrey Lloyd zum Wesen des Lichts im Jahre 1884 nicht wesentlich verändert. Der LIL-Aufbau mit Lloyds Spiegel (Abb. 1) funktioniert folgendermaßen: Licht aus der Lichtquelle durchläuft einen Raumfilter und breitet sich aus. Ein Spiegel und eine Probe werden senkrecht zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Aufbaus angebracht. Das Licht auf der Probe kreuzt sich mit dem vom Spiegel reflektierten Licht und erzeugt ein Interferenzmuster. Die Periode des Interferenzmusters ist direkt proportional zur Wellenlänge der Lichtquelle.

Die Lichtquelle für LIL ist ein zentraler Bestandteil und muss mehrere Anforderungen erfüllen: kurze Wellenlänge, eine lange Kohärenzlänge zur Erzeugung von Interferenzstreifen und eine relativ hohe Leistung, um die Expositionszeit zu verringern. Viele Jahre lang waren Ar⁺- und Kr⁺-Gaslaser die Antwort.

Leider sind diese Gaslaser nicht effizient, produzieren extrem viel Wärme, benötigen eine Wasserkühlung und häufige Wartung und sind groß und unhandlich. Anton Savchenko und seine Kollegen benötigten für LIL im Labor eine bessere Lösung.

DIE LÖSUNG

M.Sc. Savchenko und seine Kollegen am ITO verfügen über verschiedene Methoden, um Diffraktionsmuster zu erzeugen, benötigten aber einen größeren LIL-Aufbau.

Als sie ihr Labor mit einem neuen LIL-System ausstatteten, suchten sie nach einer Lichtquelle, die ihre Anforderungen an Kohärenzlänge, Strahlqualität und kurze Emissionswellenlänge erfüllen konnte, aber ohne die Größe, Komplexität und Wärmeentwicklung von Ar⁺- und Kr⁺-Gaslasern. CW-Festkörperlaser präsentierten sich als vielversprechende Lösung und das Team testete einen Coherent OBIS 360 XT-Laser. Das kompakte Plug-and-Play-Gerät arbeitet wartungsfrei und benötigt lediglich eine Wärmesenke, ohne dass zusätzliche Kühlgeräte erforderlich sind. Die hohe Strahlqualität des Lasers mit einem M² nahe 1, seine enge spektrale Bandbreite und die langanhaltende Leistungsstabilität gewährleisten Präzision und Reproduzierbarkeit bei der LIL. Der Laser kann Perioden bis zu 250 nm mit einer Emissionswellenlänge von 360 nm erreichen.

DAS ERGEBNIS

Der interne Aufbau für die Laser-Interferenzlithographie, ausgestattet mit einem OBIS 360 XT-Laser, hat die Fähigkeiten des ITO zur Herstellung verschiedener periodischer Nanostrukturen verbessert. Das Team kann jetzt Diffraktionsgitter im Sub-Mikrometerbereich auf einer Fläche von bis zu 180 mm Durchmesser herstellen. Abbildung 2 zeigt Beispiele für erzeugte Diffraktionsgitter. Eine weitere Anwendung, die das Team mit diesem Aufbau angehen will, ist die Kontrolle von Laserstrahl-Polarisationszuständen mithilfe von Gitter-Wellenleiterstrukturen unter Verwendung von Sub-Wellenlänge-Diffraktionsgittern.

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