Piezoantriebe für 3D-Strukturen

Größtmögliche Positioniergenauigkeit ist heute in vielen Anwendungsbereichen obligatorisch. Beispiele reichen von der Halbleiterfertigung über die Biotechnologie bis hin zur optischen Messtechnik und Mikroskopie. Nanopositioniersysteme mit piezoelektrischen Aktoren sind in solchen Applikationen meist das Mittel der Wahl. Sie arbeiten mit Wiederholgenauigkeiten im Nanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer Millisekunde, sind vakuumkompatibel und funktionieren in einem weiten Temperaturbereich.

Die Ende 2007 gegründete Nanoscribe GmbH, ansässig in Eggenstein-Leopoldshafen, hat ein neues Laserlithografiesystem auf den Markt gebracht, mit dem sich erstmals komplexe dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen in photosensitiven Materialien herstellen lassen. In das Start-up Unternehmen fließen mehr als sieben Jahre Forschungsarbeit ein, sowohl am Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe als auch am Institut für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe (TH). Von dem neuen Lithografieverfahren, mit dessen Hilfe sich reproduzierbare Strukturen vollautomatisch und mit einer zuvor nicht vorhandenen Design-Flexibilität auf Submi­krometerskalen realisieren lassen, werden viele Anwendungen vor allem im Forschungs- und Entwicklungsbereich profitieren. Typische Einsatzbereiche für die neue Technik finden sich zum Beispiel bei der Herstellung dreidimensionaler Gerüste für die Zellbiologie, bei der Fertigung mikrooptischer Bauelemente oder photonischer Kristalle sowie als Rapid-Prototyping-Instrument für mikro- und nanofluidische Systeme und deren Kleinserienfertigung. Die gewünschten Strukturen können mit jeder CAD-Software entworfen und importiert werden, die das Format DXF unterstützt – oder alternativ mit der eigens entwickelten Skript-Sprache GWL, die speziell auf die Bedürfnisse der 3D-Strukturierung ausgelegt ist. Die prinzipielle Funktionsweise des neuen Lithografieverfahrens, das sich für eine Vielzahl kommerziell verfügbarer Fotolacke eignet, ist einfach zu verstehen: Durch starkes Fokussieren ultrakurzer Laserpulse in das Material wird dieses über einen nichtlinearen optischen Prozess im Fokus belichtet. Vergleichbar einem Stift, der in drei Dimensionen geführt wird, beschreibt der Laserstrahl das Material entlang beliebiger Pfade. Dabei werden Linienbreiten von mehreren Mikrometern bis hinunter zu 150 nm erreicht. Natürlich sind auch 2D- oder 2 1/2-D-Strukturierungen möglich, allerdings mit wesentlich höherer Auflösung als bei konventionellen Geräten bisher üblich. Realisierbar ist eine hohe Präzision bei der dreidimensionalen Lithografie jedoch nur, wenn entsprechend genau positioniert wird. „Während des Schreibvorgangs bleiben Laser und Fokus fix, die Probe wird entsprechend der dreidimensionalen Schreibaufgabe bewegt“, erläutert Martin Hermatschweiler, CEO der Nanoscribe GmbH. „Dadurch erreichen wir qualitativ sehr hochwertige Ergebnisse. Erschwerend kommt bei dieser Positionieraufgabe hinzu, dass es nicht genügt, bestimmte Positionen hochgenau anzufahren. Der Weg ist hier genauso wichtig wie das Ziel, die Applikation erfordert deshalb auch eine präzise Bahnsteuerung. Während der Fahrt können wir dann die Laserintensität entsprechend der Beschleunigung oder Verzögerung des Antriebssystems variieren, um das gewünschte Lithografieergebnis zu erzielen.“ Eine Schlüsselkomponente für die Anforderungen ist also das Positioniersystem von der in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente (PI). PI bietet nach eigener Aussage weltweit die größte Auswahl an hochdynamischen und hochauflösenden Piezo-Nanopositioniersystemen für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen an. „Der Piezoversteller ließ sich gut auf dem für die Grobjustierung eingesetzten, mikroskopüblichen XY-Scannertisch anbringen. Er arbeitet mit Stellwegen bis 300 x 300 x 300 µm, wobei die Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich liegt“, freut sich Hermatschweiler. In das Positioniersystem integrierte hochpräzise kapazitive Sensoren sorgen für die genaue Istwert-Erfassung, die notwendig ist, um die Probe präzise unter dem Laser zu bewegen. Diese erfassen die Bewegung direkt und ermöglichen dadurch höhere Phasentreue und Bandbreite als indirekte Systeme. Zur hohen Positioniergenauigkeit trägt auch der Aufbau als parallelkinematisches Mehrachssystem bei: Treibende Kraft der Nanopositioniersysteme sind vorgespannte, sehr langlebige Hochleistungs-Piezoaktoren, die in ein reibungsfreies parallelkinematisches Führungssystem mit FEM-optimierten Festkörpergelenken integriert sind. Alle Piezoaktoren wirken somit auf eine zentrale Plattform. Dadurch lässt sich ein identisches dynamisches Verhalten für alle Achsen erzielen. Bei der 3D-Lithografie ist das besonders vorteilhaft, da die Proben beliebige Strukturen besitzen können. Eine „langsamere“ Achse, wie sie zum Beispiel bei einem Zeilenscan unproblematisch ist, würde sich hier nachteilig auswirken. Außerdem erfasst die Sensorik alle geregelten Freiheitsgrade gleichzeitig. Durch diese Parallelmetrologie lassen sich Achsübersprechen und Führungsfehler aktiv verhindern. Bahngenauigkeit und Reproduzierbarkeit profitieren davon. Die dafür notwendige Bahnsteuerung übernimmt ein als PCI-Board aufgebauter digitaler Controller. Ebenso wie das Nanopositioniersystem stammt auch er aus dem PI-Programm und ist speziell auf die mehrachsigen parallelkinematischen Piezo-Nanopositioniersysteme abgestimmt. „Selbst die bei unseren 3D-Lithografiegeräten sehr hohen Anforderungen an die Bahngenauigkeit lassen sich damit erfüllen“, ergänzt Hermatschweiler. Die hochgenauen Piezo-Nanopositioniersysteme haben damit wesentlich dazu beigetragen, die Lithografietechnik einen entscheidenden Schritt voranzutreiben.

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 Halle B1 Stand 457