3D-Nanoimprint mit hoher vertikaler Auflösung: Stempel, Verfahren, Anwendungen

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung miniaturisierter spektrometrischer Systeme für den mobilen Einsatzbereich. Dabei sollten diese Systeme einerseits ein hohes spektrales Auflösungsvermögen aufweisen, andererseits aufgrund ihrer Baugröße die Möglichkeit bieten, sie in vorhandene elektronische Geräte zu integrieren, welche von vielen Personen bereits ständig mitgeführt werden, z.B. Mobiltelefon, MP3-Player oder Armbanduhr. Der Herstellungsprozess sollte kostengünstig, unaufwändig und für eine Massenproduktion geeignet sein. Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurden Fabry- Pérot-Filter als wellenlängenselektierende Elemente eingesetzt. Die unterschiedlichen Kavitätshöhen wurden dabei mittels 3D-Nanoimprint-Technologie in einem einzigen Prozessschritt erzeugt.

Die für diese Technologie erforderlichen 3D-Nanoimprint-Stempel wurden am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) entwickelt und aus verschiedenen Materialien hergestellt. Die GaAs-Stempel weisen eine vertikale Struktur- bzw. Höhengenauigkeit von weniger als 1 nm und eine Oberflächenrauheit ebenfalls kleiner 1 nm auf. Von diesen Masterstempeln wurden in einem weiteren Prozessschritt hybride Stempel für großflächige Prägetechnologien abgeformt, welche vergleichbare Genauigkeiten und Oberflächenrauheiten aufweisen. Weiterhin wurden transparente 3D-Nanoimprint-Stempel auf Photomaskenträgern aus Quarzglas hergestellt. Diese weisen eine vertikale Strukturgenauigkeit von 1,5 nm und eine Oberflächenrauheit von typischerweise 2 nm auf.

Mittels 3D-Nanoimprint-Technologie wurden in einem einzigen Prozessschritt die unterschiedlich hohen Kavitäten von Fabry-Pérot-Filterfeldern, bestehend aus 8 × 8 einzelnen Filtern geprägt. Dabei wurden sowohl die UV-Nanoimprint-Technologie mit den Quarzglasstempeln, wie auch die SCIL-(Substrate Conformal Imprint Lithography)-Technologie mit den Hybridstempeln verwendet. Die vertikale Strukturgenauigkeit und die Oberflächenrauheit der geprägten Kavitäten entspricht denen der verwendeten Stempel. Der Transmissionsgrad T der Filter beträgt im sichtbaren Spektralbereich durchschnittlich mehr als 60%, die Linienbreite (FWHM: Full Width at Half Maximum) der Transmissionslinie beträgt typischerweise weniger als 3 nm. Diese Fabry-Pérot-Filterfelder erreichen ein Auflösungsvermögen A>380 bei einer Fläche von weniger als 2 mmNeben den Fabry-Pérot-Filterfeldern mit soliden Kavitäten wurden auch elektrostatisch durchstimmbare Filter mit variablen Luftspalt-Kavitäten hergestellt. Der Transmissionsgrad T dieser Filter ist im sichtbaren Spektralbereich durchschnittlich größer als 60%, die Linienbreite (FWHM) der Transmissionslinie beträgt weniger als 3 nm. Mit einer Aktuationsspannung von 30 V konnte die Kavitätsdicke um 60 nm verringert werden was einer spektralen Verschiebung der Transmissionslinie um 47 nm entspricht. Die durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filter erreichen ein Auflösungsvermögen A>280.

Mit den im Rahmen dieser Arbeit hergestellten 3D-Nanoimprint-Stempeln konnten erstmalig unterschiedlich hohe Strukturen mit hoher vertikaler Genauigkeit und geringer Oberflächenrauheit hergestellt werden. Die Strukturierung der Oberflächen für Anwendungen im optischen Bereich zeigt das Potenzial der 3D-Nanoimprint-Technologie.