Der fotolithographische Prozess beschreibt die partielle Belichtung eines lichtempfindlichen Materials (Resist) durch eine Maske mit dem Ziel die Struktur maßgerecht zu übertragen. Nach dem sich anschließenden Entwicklungsschritt dient der strukturierte Fotoresist wiederum als Maskierung für die Prozessierung optischer Materialien, z. B. ätzen, Lift-off. Darüber hinaus kann auch das resultierende Oberflächenprofil selbst für eine optische Funktionalität genutzt werden. Ein inhärenter Vorteil ist die sehr hohe laterale Präzision und hohe Reproduzierbarkeit unter den konstanten Prozessbedingungen.
Erzeugung mikrooptischer Strukturen durch Fotolithographie
Technische Ausstattung
Im Reinraum des Fraunhofer IOF stehen für die Fotolithographie Mask-Aligner Geräte und direktschreibende Projektionsbelichtung-Geräte zu Verfügung und adressieren Strukturgrößen ab ca. 1 µm. Die Prozesskette ist für Substrate bis Ø 300 mm oder 9“ x 9“ insbesondere für optische Materialien und deren Anforderungen ausgelegt. Während die Belichtung mit dem Mask-Aligner das komplette Substrat auf einmal belichtet und so einen hohen Durchsatz generieren kann, ermöglicht das direktschreibende Verfahren mit Hilfe eines digitalen Reticles sehr flexible Prozessierung, insbesondere auch die Realisierung freikonfigurierbarer Oberflächenprofile (Linsenprofile) oder auch die lithographische Strukturierung von Sondersubstraten und nichtplanaren Oberflächen.
Fotoresist-Reflow für Mikrolinsen
Die lithographische Strukturierung dicker Fotolackschichten ist der Ausgangspunkt für die Erzeugung von Mikrolinsen-Profilformen mithilfe thermischen Aufschmelzens. Hierfür wird eine Fotolackschicht mit exakt eingestellter Schichtdicke mit Maskenlithographie binär strukturiert.
Durch Temperung auf einer Heizplatte oder in einem Ofen verringert sich die Viskosität des Fotolacks und die Kanten verrunden. Aus Fotoresist-Säulen werden Kugelkappen also zirkuläre Mikrolinsen, wohingegen sich lineare Stege zu Zylinderlinsen transformieren.
Der Grundriss und die Position der Mikrolinsen wird durch die Fotomaske hochpräzise vorgegeben. Spezielle Temperaturprozesse ermöglichen auch die Einstellung einer geringen Asphärizität. Dieses Verfahren ist vorteilig hinsichtlich Uniformität über das Wafersubstrat und Oberflächenqualität (Rauheit).
In hexagonaler Anordnung ist ein Flächenfüllfaktor bis ca. 90% möglich. Der Prozess erzeugt stets konvexe Linsenprofile, die jedoch über Abformprozesse entsprechend invertiert werden können.
5-Achs-Direktschreib-Lithografie-Werkzeug
Grauton-Fotolithographie für Mikro-Freiformen
Die direktschreibende Lithographie mit digitalem Reticle ermöglicht es ortsaufgelöst unterschiedliche UV-Licht-Dosen in den Resist einzubringen, die im Entwicklungsschritt zu einem Oberflächenprofil führen. Dieser Prozess ist sehr flexibel und ermöglicht neben quasi-beliebigen Mikrolinsenformen (auch konkav und/oder stärkerer Asphärizität) auch andere optische Profilformen (Liste nicht vollständig):
Beispiele für die Strukturierung:
- Mikrolinsen-Anordnung mit quasi 100% Füllfaktor
- Mikrolinsen mit integrierten Spacer
- Mikro-Fresnellinsen
- Arrays von Off-Axis Linsensegmenten
- Deterministische Diffusoren / Tailored-Light Diffusoren
- Diffraktive Optische Elemente (z.B. Korrektur sphärischer / chromatischer Aberrationen)
- Mikroprismen- und Mikrospiegel-Anordnungen
- Retroreflektoren (z.B. truncated cornercubes)
- (Geblazte) Gitter (Periode >~ 5 µm)
Der adressierbare Strukturtiefe-Bereich ist ca. 500 nm – 80 µm. Der Transfer in optische Materialien geschieht über Replikation mittels Abformung in UV-härtbare hochtransparente Polymer oder Plasma-Ätztransferprozesse. Für die Erzeugung von Ni-Shims und Sleeves für Replikationsprozesse arbeiten wir mit Partnerunternehmen zusammen.
Strukturierung opaker Blenden und Funktionsschichten
Für die optische Funktion sind hochqualitative Aperturen notwendig oder auch Zwischenblenden hilfreich. Neben der optischen Dichte (O.D.) ist es entscheidend auch eine geringe Rückreflexion ins System einzutragen, weshalb zumeist schwarze Schichten zu strukturieren sind. Je nach Anwendungswellenlänge und Anforderung können spektral angepasste Blendenschichten (UV-SWIR) strukturiert werden. Im sichtbaren Bereich besteht zudem die Möglichkeit pigment-gefärbten Fotoresist direkt zu strukturieren. Mit Hilfe des Mask-Aligners können mehrere Blendenlagen zueinander mit hoher Genauigkeit justiert lithographisch strukturiert werden. Durch das Verkleben mehrerer Wafer können Blendenebenen sukzessive gestapelt werden, um beispielsweise optisches Übersprechen benachbarter Kanäle zu unterdrücken.
Das gleiche Prinzip ermöglicht auch die Strukturierung optischer Filterschichten, z. B. (RGB) oder auch leitfähiger transparenter Schichten, z. B. ITO.
- »Wafer-level hybrid integration of complex micro-optical modules.«
(P. Dannberg, F. Wippermann)
(Micromachines, 5(2), Seite 325-340) - »Abbildende Gitter für kompakte Spektrometeranwendungen.«
(R. Steinkopf, R. Jende, R. Leitel)
(Jahresbericht 2017, Seite 22-23) - »High dynamic grayscale lithography with an LED-based micro-image stepper«
(H.-C. Eckstein, U.D. Zeitner, R. Leitel )
(Optical Microlithography XXIX (Vol. 9780), Seite 62-68) - »Direct write grayscale lithography for arbitrary shaped micro-optical surfaces«
(H.-C. Eckstein)
(20th Microoptics Conference (MOC), Fukuoka, Japan, 2015) - »High dynamic grayscale lithography with an LED-based micro-image stepper«
(H.-C. Eckstein, U.D. Zeitner, R. Leitel )
(Optical Microlithography XXIX. Proceedings - »Sub-aperture EUV collector with dual-wavelength spectral purity filter«
(T. Feigl, M. Perske, U. Zeitner, R. Leitel)
(Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography VI, 94220E, 16. März 2015) - »Evaluation of lenslet fabrication technologies for micro-optical array projectors.«
(R. Leitel)
(Optical Fabrication, Testing, and Metrology VI. Volume 10692, 2018) - »Grayscale lithography system enables high-volume production of freeform micro-optics«
(A. Thoss, D. Mitin, R. Leitel)
(Laser Focus World 2021, September, Seite 39-42) - »Thin film black coatings based on interference and absorption«
(P. Munzert, S. Schwinde, R. Leitel)
(Advances in Optical Thin Films VIII, Volume 13020, Seite 14-20)
