Imprintlithographie am Fraunhofer IPMS: Entwicklung und Volumenproduktion für nanophotonische Bauelemente und Systeme
Die Strukturen in Halbleiterbauelementen werden immer kleiner - so klein, dass sie in Zukunft nicht mehr durch Belichtungsverfahren erzeugt werden können, weil die Wellenlänge des Lichts sogar im UV-Bereich zu „grob“ dafür ist. Heutige Lithografiesysteme nutzen Excimer-Laser mit einer Lichtwellenlänge von 193 nm, um kommerzielle Schaltkreise mit einer minimalen Strukturgröße von 35 nm zu produzieren. Das Rennen um die geeignete Methode für die weitere Miniaturisierung in der Lithografie mit minimalen Strukturgrößen von 22 nm ist noch offen.
Eine Alternative, um derartig feine Strukturen zu erzeugen, ist die Strukturerzeugung durch Elektronenstrahlschreiben: Dieser Vorgang dauert allerdings für die Produktion viel zu lange. Die Lösung besteht in der Nanoimprintlithographie. Dabei wird zunächst ein „Stempel“ mit entsprechend feinen Strukturen mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt. Mit diesem Stempel wird das Muster dann viele Male in eine hauchdünne Kunststoffschicht auf Wafer geprägt und die erzeugten Eindrücke werden durch UV-Licht verfestigt. Dieses Lithografie-Verfahren hat das Potential für eine hohe Strukturierungsgeschwindigkeit auch bei feinsten Strukturen.
Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden verfügt seit Beginn des Jahres 2009 über die erforderliche Ausrüstung, um kleinste Strukturen mit hohem Durchsatz zu übertragen. Im Blickpunkt der Forschung stehen Anwendungen sogenannter photonischer Kristalle und Mikroresonatoren. Photonische Kristalle sind periodisch strukturierte Dielektrika, die in Analogie zu elektronischen Bandlücken kristalliner Festkörper Lichtleitung in bestimmten Frequenzbändern unterdrücken. Innerhalb photonischer Bandlücken ist Lichtleitung auf funktionale Defekte beschränkt, die spezifische Mikrobauelemente wie Wellenleiter mit scharfen Biegungen oder optische Schalter ermöglichen. Die Anfang 2007 am Fraunhofer IPMS begonnene Forschung konzentriert sich auf CMOS-kompatible planare photonische Kristalle, die mit 365 nm Photolithographie in Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt werden. Mit Hilfe der neuen Anlagentechnik sind in Zukunft photonische Chips bestehend aus zahlreichen Funktionseinheiten geplant, die auch integrierte Lichtquellen und Detektoren enthalten und durch geeignete Kopplungsstrukturen an die Glasfaserwelt angeschlossen werden. Mögliche Anwendungen liegen im Bereich der Flüssigkeits- und Gassensorik, der optischen Nachrichtentechnik oder mikrooptischer Komponenten.
Eine sehr vielversprechende Anwendung im Bereich der Bioanalytik und Erkennung von Krankheitserregern sind Mikroring-Resonatoren, welche kostengünstig und in hoher Qualität mittels Imprintlithographie hergestellt werden können. Die Erkennung biologischer Partikel wie Viren, Proteinen oder DNA basiert dabei auf dem abnehmenden elektrischen Feld, welches einen Mikroring-Resonator umgibt. Bringt man in dieses Feld z. B. einen Influenzavirus oder eine andere biologische Spezies, so ändert sich das Verhalten des optischen Systems und eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des Mikroring-Resonators lässt sich messen. Aktuell wird am Fraunhofer IPMS an der Entwicklung eines Demonstrators gearbeitet, der einen Nachweis biologischer Partikel ermöglicht. In Zukunft soll so eine schnelle und zuverlässige Erkennung von Krankheitserregern beim Hausarzt oder im Krankenhaus ermöglicht werden, ohne dass Proben dazu in spezialisierte Labore eingesandt werden müssen.
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