Grautonlithographie »HighFive« für mehr Flexibilität bei der Herstellung von Freiform-Mikrooptiken

Die schnellere und einfachere Produktion von Freiform-Mikrooptiken in größerer Stückzahl – das ist das Ziel von »HighFive«, einer Reihe von hochdynamischen Grautonlithographie-Systemen. In enger Zusammenarbeit mit der Industrie wurde das nächste System der Generation »HighFive-C« am Fraunhofer IOF entwickelt.

»HighFive« erlaubt die Massenproduktion von mikrooptischen, mikrofluidischen sowie mikromechanischen Komponenten und integrierten Strukturen und realisiert einen dynamischen Workflow. Zu diesem Zweck kombiniert das System die Grautonlithographie mit einer digitalen Fotomaske und einem nanometer-präzisen Positioniersystem.

Anwendung finden die mit der »HighFive«-Systeme produzierten Komponenten unter anderem in speziellen Lichtsystemen für die Automobilbranche, in Leichtbau-Sensorik-Systemen, in maßangefertigten Raumbeleuchtungseinheiten, sowie in »Lab on a Chip«-Systemen oder in integrierten miniaturisierten optischen Systemen wie beispielsweise in Virtual Reality (VR)- oder Augmented Reality (AR)-Brillen.

So funktioniert »HighFive«

Bei der Grautonlithographie erleuchtet eine Hochleistungs-UV-LED ein digitales Mikrodisplay. Das sich daraufhin auf dem Display generierende Muster wird auf einen mit Grauton-Fotolack lasierten Wafer projiziert, was zu einer Herausbildung gradueller Oberflächenstrukturen von bis zu 130 μm PV führt.

Die »HighFive«-Line Stepper am Fraunhofer IOF können Substrate bis zu 300 mm (12 Zoll) strukturieren und sind für Wafer bis zu 450 mm (18 Zoll) vorbereitet. Die Vergrößerung der Wafersubstrate und die Erhöhung der Anzahl der optischen Chips pro Wafer führen zu einer Senkung der Herstellungskosten und begünstigen so die Massenproduktion.

Mehr Flexibilität und höherer Durchsatz als bei herkömmlichen Lithographie-Verfahren

In Abgrenzung zu weiteren lithographischen Verfahren, wie etwa der Laserstrahl-Lithographie oder der Elektronenstrahl-Lithographie, zeichnet sich das »HighFive« durch eine hohe Flexibilität und einen hohen Durchsatz aus.

Möglich wird dies durch die Anpassung der z-Dimension, die innerhalb der klassischen Lithographie keine Berücksichtigung findet, da hier vorrangig mit binären Strukturen gearbeitet wird. Die Gradienten im Beleuchtungsmuster führen so zu einer beliebigen Oberflächenstruktur im aufgetragenen Fotolack auf dem Wafer. Eine graduelle Anpassung der Vergrößerung ermöglicht das Abstimmen der Verarbeitungszeit und der Auflösung auf individuelle Anwendungsbereiche.

Damit wird das Grautonlithografiesystem »HighFive« zu einem äußerst flexiblen Verfahren, welches die Erzeugung von graduellen Oberflächenprofilen und hochpräzisierten Mikrostrukturen ermöglicht und somit individuelle Lösungen für refraktive und diffraktive optische Strukturen schafft.

Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IOF konzentrieren sich nun auf die Weiterentwicklung des »HighFive«-Systems, darunter die Erhöhung der Auflösung unter 600 nm, die Verarbeitung stark gekrümmter Substrate durch die Einführung zusätzlicher Freiheitsgrade und die Verkürzung der Prozesszeit durch die Anwendung fortschrittlicher Schreibstrategien.