
Entwicklung und Etablierung ionenstrahlbasierter Fertigungsverfahren zur Herstellung monolithischer Binär- und Blaze-Gitter auf Silizium und Oxiden
Die Carl ZEISS Jena GmbH, das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V. und die scia Systems GmbH haben sich in diesem gemeinsamen Projekt das Ziel gesetzt, neuartige ionenstrahlbasierte Fertigungsverfahren zu entwickeln und zu etablieren, mit denen geneigte Oberflächenprofile (Blaze-Profile) für diffraktive optische Elemente (DOE) hergestellt werden können, die mit bisherigen Technologien nicht zugänglich sind. Hierzu soll eine neue Ionenstrahlätztechnologie zur Herstellung monolithischer, geblazter Silizium-Beugungsgitter für Beamline-Anwendungen im VUV-, EUV- und Röntgenbereich auf Basis lithographischer Strukturdefinition entwickelt werden.
Geblazte Beugungsgitter oder auch Echelettegitter genannt, sind Reflexionsgitter mit einem unsymmetrischen, dreieckförmigen Furchenprofil, das so optimiert ist, dass die Beugungseffizienz für eine bestimmte Beugungsordnung maximiert wird. Sie können u. a. als VUV-, EUV- und Röntgengitter für Beamlines; als Echelle-Gitter für Spektroskopie oder geneigte optische Koppelgitter für Datenbrillen ((VA)SRG’s for AR Glasses) Anwendung finden.
Nach dem heutigen Stand der Technik können diese speziellen optischen Gitter mittels Holographie/Interferenzlithographie auf transparenten Fused-Silica-Substraten (hochreines Quarzglas) durch Belichtung mit gegenläufigen Wellen hergestellt werden. Die sich dadurch ergebenden Blaze-Profile im Photoresist werden anschließend mittels reaktivem Ionenstrahlätzen (RIBE) in das Fused-Silica-Substrat übertragen.
Für Siliziumsubstrate funktioniert dieses Verfahren jedoch nicht, weil diese bei den erforderlichen Belichtungswellenlängen nicht transparent sind. Diese Substrate sind wegen ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit für eine Reihe von Beamline-Anwendungen aber unverzichtbar, da sie die hohen eingebrachten Strahlungsleistungen effizient in das Kühlmedium abführen können. Deshalb werden aktuell für Hochleistungs-Beamline-Anwendungen mechanisch geteilte („geritzte“) Gitter auf Silizium eingesetzt. Bei denen werden die Blaze-Furchen mit Hilfe einer (meist) Diamantnadel sequentiell direkt in eine meist metallische Teilungsschicht eingeritzt und das metallische Gitterprofil dann anschließend mittels RIBE in das Si-Substrat übertragen.
Die steigenden Anforderungen an die Auflösung von geblazten Gittern für Beamline-Anwendungen können mit diesen „klassischen“ mechanisch geteilten Gittern immer schwieriger erfüllt werden. Darüber hinaus gibt es weltweit nur wenige Teilungsmaschinen, welche die typischerweise geforderten Qualitäten, d.h. möglichst ideale Blaze-Profile zur Maximierung der Beugungseffizienz, erreichen. Das führt zu monopolistische Marktsituationen.
Die durch das Projekt adressierten neuartigen ionenstrahlbasierten Herstellungsverfahren können die technologischen Grenzen von Beamline-Gittern hinsichtlich Wellenfront und Beugungseffizienz entscheidend verschieben. Denn sie ermöglichen den Einsatz von - insbesondere hinsichtlich der Wellenfrontfehler - weiterentwickelten binären Lithographieverfahren, wie der Elektronenstrahllithographie oder der Interferenzlithographie, wobei die Blazegenerierung in einem nachfolgenden Ätzschritt erfolgt. Im Erfolgsfall können damit enorme Leistungssteigerungen durch schärfer definierte Blaze-Flanken, aufgrund stetig abnehmender Blaze-Winkel, erzielt werden. Dadurch ergeben sich völlig neue Designmöglichkeiten, z.B. bei der Herstellung von optischen Koppelgittern für Datenbrillenanwendungen, aber auch in anderen Bereichen der Photonik (z.B. Biosensorik). Darüber hinaus erweitert das Projekt die Anzahl der möglichen Hersteller von Beamline-Gittern und damit das Marktumfeld und die allgemeinen Herstellungskapazitäten.
Projektstart: 01.01.2024


Dr. Martin Steglich
Carl Zeiss Jena GmbH
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E-Mail: martin.steglich@zeiss.com
Hauptpartner


Carl Zeiss GmbH
Entwickelung und Fertigung optischer Module und Systeme – optimiert für Kundenanforderung. Die komplette Herstellung der zugehörigen optischen und mechanischen Komponenten liegt dabei in einer Hand. So entstehen Produkte, die unter den anspruchsvollsten Bedingungen eingesetzt werden.
Die Carl Zeiss GmbH entwickelt und fertigt optische und mechanische Komponenten und Systeme:
- optische Module & Systeme für verschiedenste Anwendungen, z.B. in der Ophthalmologie, bei Photogrammetrie, bei der Materialbearbeitung, in der Druckindustrie und industriellen Messtechnik, für geodätische Anwendungen, Waferinspektionen oder in der Astronomie.
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Unsere Kernkompetenz ist die anwendungsorientierte Grundlagenforschung zur Wechselwirkung von Strahlung mit Materie. Wir modifizieren und entwickeln ultrapräzise und funktionale Oberflächen sowie dünnen Schichten und Beschichtungen. Unsere Werkzeuge sind dabei Ionen-, Elektronen-, Laser- und Plasmatechnologien. Der nachhaltige Transfer von Verfahren und Produkten in wirtschaftsrelevante und zukunftsweisende Technologiefeldern ist Ziel unserer Forschungs- und Entwicklungsarbeit.
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Permoserstraße 15
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scia Systems entwickelt Equipment für Prozesse zur präzisen Oberflächenbearbeitung, basierend auf Ionenstrahl- und Plasmatechnologien. Die Anlagen werden für verschiedene Beschichtungs-, Ätz- und Reinigungsprozesse, insbesondere in den Industriezweigen MEMS, Mikroelektronik und Präzisionsoptik eingesetzt. Durch ihren flexiblen und modularen Aufbau können die Systeme sowohl für Forschungsanwendungen als auch für die Großserienfertigung konfiguriert werden. Sie eignen sich für die Bearbeitung von kleinen Substratgrößen auf Carriern über Substraten auf Basis von Siliziumwafern bis hin zu Substraten mit bis zu 3 m Durchmesser.
Die Prozessanlagen von scia Systems werden hauptsächlich in der Produktion von Mikroelektronik und MEMS-Bauteilen sowie für die Bearbeitung von Komponenten der Präzisionsoptik genutzt. Sie finden aber auch im biomedizinischen Bereich Anwendung. Kunden sind Unternehmen und Forschungseinrichtungen vor allem aus den Bereichen Mikroelektronik, MEMS und Präzisionsoptikfertigung.
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