Grundlegende Entwicklungen und Untersuchungen zur Mikro- und Nanostrukturierung durch Direct Laser Writing in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen

Kirchner, Johannes GND

In dieser Arbeit werden Entwicklungen und Untersuchungen zum Direct Laser Writing, einem maskenlosen lithografischen Bearbeitungsprozess, vorgestellt. Diese hochauflösende lasergestützte Strukturierungstechnik wird mit einer am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschine kombiniert, die sich durch eine extrem hohe Ortsauflösung über einen sehr großen Arbeitsbereich auszeichnet. Durch die synergetische Verbindung des lithografischen Verfahrens mit der hochpräzisen Nano-Koordinatenmessmaschine, wird deren Anwendungsbereich vom präzisen Positionieren und Messen um das Strukturieren zunächst auf planaren und später auch auf gekrümmten Oberflächen, erweitert. Dabei steht das Erreichen geringster lithografisch erzeugter Strukturbreiten in der Größe beugungsbegrenzender Limitationen im Vordergrund der Arbeit. Für die Einkopplung des Lithografielasers wird der Aufbau eines optischen Nanosensors verwendet. Die Sensorik dient der Antastung der Strukturierungsfläche und richtet die Probe auf wenige Nanometer genau zum Bearbeitungslaser aus. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der bisher verwendete Fokussensor für diese Zwecke nicht gut geeignet ist. Aus diesem Grund widmet sich die Arbeit zusätzlich der Entwicklung eines neuen, differentiellen, chromatisch konfokalen und fasergekoppelten Abstandssensors, von der Konzeptfindung bis hin zur Inbetriebnahme. Die messtechnischen Untersuchungen des neuen Sensors zeigen, dass eine laterale Auflösung von < 2 [my]m und eine axiale Auflösung von < 1 nm erreicht werden kann. Die Standardabweichung beträgt dabei weniger als 5 nm. Das Basiskonzept des Messsystems wird im Verlauf der Arbeit dahingehend entwickelt, eine hochpräzise lithografische Applikation zu ermöglichen. Durch die systematische Verbesserung der lithografischen Prozessparameter ist es in Kombination mit dem neuen Messsystem möglich, Strukturbreiten von 600 nm und darunter zu erzeugen. In Zukunft soll der neue Sensor auch zur Strukturierung von Linsen, Freiformen und Asphären genutzt werden. Erste Untersuchungen dazu zeigen eine Neigungsabhängigkeit optischer Sensoren, die zu systematischen Messabweichungen und erhöhten lithografischen Strukturbreiten führen. Um die Grundlage lithografischer Anwendungen auf geneigten Oberflächen zu schaffen, werden verschiedene Ansätze zur Kompensation vorgestellt. Basierend auf den grundlegenden Untersuchungen und Erkenntnissen wird eine Reihe von Vorschlägen entwickelt, die in weiterführenden Arbeiten das Messsystem, den Direct Laser Writing-Prozess sowie die Anwendbarkeit dieser Technik auf gekrümmten Oberflächen verbessert.

This thesis presents developments and investigations concerning Direct Laser Writing, a maskless lithographic process. This high-resolution, laser-based structuring technique is combined with a nanopositioning and nanomeasuring machine developed at the Institute for process measurement and sensor technology, which achieves an extremely high spatial resolution within a very large working range. The synergetic combination of the lithographic process and the high-precision nano-coordinate measuring machine expands its field of application from precise positioning and measuring to structuring, initially on planar surfaces, later also on curved surfaces. The main focus of this thesis is to realize smallest lithographically produced structure widths in the size of diffraction-limited restrictions. The setup of an optical nanosensor is used for the coupling of the lithographic laser. The sensor is used to detect the structuring surface and to align the sample to the processing laser with an accuracy of a few nanometers. Earlier investigations have already shown that the currently used focus sensor is not well suited for these purposes. Therefore, this thesis is additionally aimed at the development of a new differential, chromatic confocal and fiber-coupled distance sensor, from conception to implementation. The metrological investigations of the new sensor show that a lateral resolution of < 2 µm and an axial resolution of < 1 nm can be achieved. The standard deviation is less than 5 nm. The basic concept of the measuring system will be developed to enable a high-precision lithographic application. Due to the systematic improvement of the lithographic process parameters, it is possible to produce structure widths of 600 nm and less in combination with the new measuring system. In the future, the new sensor will also be used for the structuring of lenses, free-forms and aspheres. First investigations show a tilt dependence of optical sensors, leading to systematic measurement errors and increased lithographic structure widths. Different approaches for compensating this error are presented in order to create the fundamentals for lithographic applications on tilted surfaces. Based on the fundamental investigations and results, a series of proposals will be developed, which will improve the measuring system, the Direct Laser Writing process and the applicability of this technique on curved surfaces in further research.

Cite

Citation style:
Kirchner, J., 2020. Grundlegende Entwicklungen und Untersuchungen zur Mikro- und Nanostrukturierung durch Direct Laser Writing in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Ilmenau.
Could not load citation form. Default citation form is displayed.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export