Für die UV-Replikation mikrooptischer Komponenten werden arrayhafte Replikationsmaster durch die wiederholte Abformung eines ultrapräzisionsbearbeiteten Einzellinsenstempels erstellt.

Die Parallelisierung von Fertigungsverfahren ist eine wesentliche Grundlage für die Herstellung von kostengünstigen und immer kleineren mikroelektronischen Komponenten. Die Fertigung auf Wafer-Level mithilfe der UV-Replikation von Polymeren wird zunehmend für die Herstellung abbildungsoptischer Komponenten eingesetzt. Dazu wird ein Formeinsatz, der das inverse Profil der herzustellenden Linsen in einer Arrayanordnung enthält, in ein zunächst flüssiges Polymer gedrückt. Im darauf folgenden Schritt wird das Polymer durch UV-Bestrahlung gehärtet, der Formeinsatz vom gehärteten Polymer entfernt und das Mikrolinsenarray entnommen.

 

Arrayhafte Replikationsmaster

 

In einem vorgelagerten Schritt muss eine arrayartige Masterstruktur gefertigt werden, die zur Herstellung der zuvor beschriebenen Abformwerkzeuge eingesetzt wird. Diese Masterstruktur gleicht dem Abbild der gewünschten Linsenform. Abbildungsoptiken erfordern asphärische Linsenprofile mit vergleichsweise großen Pfeilhöhen im Bereich einiger Hundert Mikrometer. Solche Profile können derzeit nur durch Ultrapräzisionsbearbeitung unter Nutzung von Diamantwerkzeugen erstellt werden. Die Herstellung kompletter Arrayanordnungen für die Wafer-Level-Fertigung, basierend auf 8-Zoll-Wafern, ist jedoch ein zeit- und kostenaufwendiger Schritt. Um die Masterstruktur effizienter herzustellen, wurde ein neuer Weg beschritten. Dazu wurde nicht, wie bisher üblich, der Master als Ganzes durch Diamantbearbeitung erstellt, sondern lediglich ein Einzellinsenwerkzeug, das im nächsten Schritt für die Produktion der Formeinsätze auf Wafer-Level genutzt wird (Bild 1). Der Formeinsatz zur Herstellung von Mikrolinsenarrays wird durch die wiederholte und nebeneinander ausgeführte Abformung des Einzellinsenwerkzeugs gefertigt. Dabei kann eine gute Abstandstoleranz der Linsen von etwa ±1 μm erreicht werden – ein Resultat, das vor allem auf die Präzision der Verfahrtische der genutzten Step-and-Repeat-Anlage zurückzuführen ist.

 

Parallelisierte Wiederholung

 

Der Step-and-Repeat-Prozess besteht aus folgenden Einzelschritten: Zuerst wird ein Polymertropfen auf einem Substrat dosiert. Danach wird der auf einem luftgelagerten Tisch befindliche Wafer unter den Abformstempel (Bild 2) gefahren, der das inverse Profil der Linse aufweist. Im dritten Schritt wird der Stempel auf dem Polymertropfen abgesetzt und die Härtung des Polymers mithilfe der UV-Strahlung durchgeführt, sobald das Polymer die Form ausgefüllt hat. Anschließend fährt der Stempel vom Wafer weg und löst sich vom verfestigten Polymer, das dem Substrat anhaftet und die inverse Kontur des Formeinsatzes trägt. Der gesamte Formeinsatz wird durch eine beliebige Anzahl von Wiederholungen dieser Prozessschritte hergestellt. Um zu einem sehr guten und reproduzierbaren Ergebnis der Abformung zu kommen, muss das Stempelmaterial besondere Anforderungen erfüllen: Transparenz im UV-Bereich, chemische Beständigkeit gegenüber dem auszuhärtenden Polymer, Formbeständigkeit zur Erzielung konstanter Abformergebnisse und einfache Entformbarkeit. Mit dem hier vorgestellten Step-and-Repeat-Prozess ist es nach erfolgter Optimierung der Prozessparameter wie Dosiermenge, Intensität und Dosis der härtenden UV-Strahlung sowie Stempelbewegungsprofil und -geschwindigkeit möglich, asphärische Oberflächenprofile mit bis zu 250 μm Pfeilhöhe qualitativ hochwertig und kostengünstig herzustellen (Bild 3).

 

Institut:
Fraunhofer-Institut für Angewandte
Optik und Feinmechanik (IOF)
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