WHITEPAPER – DREIDIMENSIONALES LASERSCHREIBEN IM NANOMETER-MASSSTAB
Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Dreidimensionales Laserschreiben im Nanometer-Maßstab
Piezoantriebe treiben die Technik voran

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Roemerstrasse 1_76228 Karlsruhe, Germany
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 Email info@pi.ws, www.pi.ws

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Dipl.-Phys. Steffen Arnold

Größtmögliche Positioniergenauigkeit ist heute in vielen

Von dem neuen Lithografieverfahren, mit dessen Hilfe

Anwendungsbereichen obligatorisch. Beispiele reichen

sich reproduzierbare Strukturen vollautomatisch und mit

von der Halbleiterfertigung über die Biotechnologie biseiner zuvor nicht vorhandenen Design-Flexibilität auf

hin

Submikrometerskalen realisieren lassen, werden viele

zur

optischen

MesstechnikundMikroskopie.

Nanopositioniersysteme mit piezoelektrischen Aktoren

Anwendungensind in solchen Applikationen meist das Mittel der Wahl.

Entwicklungsbereich profitieren.

Siearbeiten

mit

Wiederholgenauigkeiten

vorallem

imForschungs-und

imNanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer
Millisekunde, sind vakuumkompatibel und funktionieren
ineinemweitenTemperaturbereich.

Dadurcherschließen sich den präzisen Positioniersystemen
immer wieder neue Einsatzbereiche. Ein typisches
Beispiel liefern neue Laserlithografiegeräte.

Abb. 2 Mit 3D-Lithografie hergestelltes Gerüst für die
Zellbiologie (Bild: Nanoscribe GmbH)
Abb. 1 Neuartiges Laserlithografiesystem derNanoscribe GmbH, mit dem sich erstmals komplexe
dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen in
photosensitiven Materialien herstellen lassen (Bild:Nanoscribe GmbH)

Typische Einsatzbereiche für die neue Technik finden
sich z. B. bei der Herstellung dreidimensionaler Gerüste
für die Zellbiologie (Abb. 2), bei der Fertigung mikrooptischer Bauelemente oder photonischer Kristalle

Die Ende 2007 gegründete Firma Nanoscribe GmbH,ansässig in Eggenstein-Leopoldshafen, hat ein neues(Abb. 3) sowie als Rapid-Prototyping-Instrument fürmikro-undnanofluidische

Systemeundderen

Laserlithografiesystem auf den Markt gebracht (Abb. 1),

Kleinserienfertigung.

mit dem sich erstmals komplexe dreidimensionale

Die gewünschten Strukturen können mit jeder CAD-Mikro-undNanostrukturen

inphotosensitiven

Software entworfen und importiert werden, die dasMaterialien

herstellenlassen.

In

das

Start-up

Format DXF unterstützt, oder alternativ mit der eigens

Unternehmen

fließenmehr

alssieben

Jahre

entwickelten Skript-Sprache GWL, die speziell auf dieForschungsarbeit

ein,sowohl

amInstitut

fürBedürfnisse der 3D-Strukturierung ausgelegt ist.

Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe
als auch am Institut für Angewandte Physik derUniversität Karlsruhe (TH).

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Erschwerend kommt bei dieser Positionieraufgabehinzu, 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 derBeschleunigung oder Verzögerung des Antriebssystems
variieren, um das gewünschte Lithografieergebnis zuerzielen.“Abb. 3 Photonischer Kristall (Bild: Nanoscribe GmbH)

Bahnbreiten bis herunter zu 150 nm
sind realisierbar
Dieprinzipielle

Funktionsweise

Lithografieverfahrens,

dassichfürdesneueneineVielzahl

kommerziell verfügbarer Fotolacke eignet, ist einfach zu
verstehen:Durchstarkes

Fokussieren

ultrakurzer

Laserpulse in das Material wird dieses über einennichtlinearen optischen Prozess im Fokus belichtet.
Vergleichbar einem Stift, der in drei Dimensionen
geführt wird, beschreibt der Laserstrahl das MaterialAbb. 4 Martin Hermatschweiler, CEO derNanoscribe GmbH (Bild: Nanoscribe GmbH)entlang beliebiger Pfade. Dabei werden Linienbreiten
von mehreren Mikrometern bis hinunter zu 150 nmerreicht.

Natürlichsindauch2D-oder

2 1/2-D-Strukturierungen möglich, allerdings mit wesentlichhöherer Auflösung als bei konventionellen Geräten
bisher üblich.
Realisierbar

Positioniersystem mit Piezoantrieb
und Parallelmetrologie für dieFeinjustierung
Eine Schlüsselkomponente für die Anforderungen ist
also das Positioniersystem Physik Instrumente (PI). PI

ist

dreidimensionalen

eine

hohe

Lithografie

Präzisionbietet weltweit die größte Auswahl an hochdynamischen

wenn

und hochauflösenden Piezo-Nanopositioniersystemen
für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen an

Schreibvorgangs bleiben Laser und Fokus fix, die Probe(Abb. 5). „Der Piezoversteller ließ sich gut auf dem fürwird

die Grobjustierung eingesetzten, mikroskopüblichen XY-Schreibaufgabederbewegt,“nur,derentsprechend genau positioniert wird. „Während desentsprechend

jedochbei

dreidimensionalen
erläutert

MartinScannertisch anbringen (Abb. 6). Er arbeitet mit
3Hermatschweiler (Abb. 4), CEO der Nanoscribe GmbH.

Stellwegen„Dadurch erreichen wir qualitativ sehr hochwertige

Wiederholgenauigkeit im Nanometerbereich liegt,“ freutErgebnisse.

sich Hermatschweiler.

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300 × 300 × 300 µm ,Seite 3 von 5

wobei

die

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Alle Piezoaktoren wirken somit auf eine zentrale
Plattform.

Dadurchlässt

sichein

identisches

dynamisches Verhalten für alle Achsen erzielen. Bei der3D-Lithografie ist das besonders vorteilhaft, da die
Proben beliebige Strukturen besitzen können.
Eine „langsamere“ Achse, wie sie z. B. bei einem
Zeilenscan

unproblematischist,würdesichhiernachteilig auswirken. Außerdem erfasst die Sensorikalle geregelten Freiheitsgrade gleichzeitig. Durch dieseParallelmetrologie lassen sich Achsübersprechen undAbb. 5 Die hochdynamischen und hochauflösenden
Piezo-Nanopositioniersysteme eignen sich für die
unterschiedlichsten wissenschaftlichen und industriellen
Anwendungen (Bild: PI)
IndasPositioniersystem

integrierte

Führungsfehler aktiv verhindern. Bahngenauigkeit undReproduzierbarkeit profitieren davon.

hochpräzise

kapazitive Sensoren sorgen für die genaue IstwertErfassung, die notwendig ist, um die Probe präzise unterdem Laser zu bewegen. Die Sensoren erfassen dieBewegung direkt und ermöglichen dadurch höhere
Phasentreue und Bandbreite als indirekte Systeme.

Abb. 7 Die als PCI-Board aufgebaute Controllerkarte ist
speziell auf die Ansteuerung von mehrachsigen PiezoNanopositioniersysteme abgestimmt
Die dafür notwendige Bahnsteuerung übernimmt ein alsPCI-Board aufgebauter digitaler Controller (s. Abb. 7).
Abb. 6 Die Feinjustierung von Objekt oder Probeübernimmt das Piezo-Nanopositioniersystem, das nicht
nur hochgenau arbeitet, sondern sich auch gut in die
Applikation integrieren ließ (Bild: PI / Nanoscribe GmbH)Ebenso wie das Nanopositioniersystem stammt auch er
aus dem dem PI Programm und ist speziell auf die
mehrachsigen

parallelkinematischen

Piezo-Nanopositioniersysteme abgestimmt.

Zur hohen Positioniergenauigkeit trägt auch der Aufbau„Selbst die bei unseren 3D-Lithografiegeräten sehrals

parallelkinematisches

Mehrachssystembei:hohen Anforderungen an die Bahngenauigkeit lassen

derNanopositioniersystemesindsich damit erfüllen,“ ergänzt Hermatschweiler. Die

vorgespannte,

sehrlanglebige

Hochleistungs-

hochgenauen

Piezoaktoren,

dieinreibungsfreies

damit

Treibende

Kraft

parallelkinematisches

ein

Führungssystemmit

optimierten Festkörpergelenken integriert sind.

FEM-Piezo-Nanopositioniersysteme

wesentlich

Lithografietechnik

dazu
einen

entscheidenden

voranzutreiben.

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beigetragen,Seite 4 von 5haben
dieSchritt

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Piezoaktoren – hohe Genauigkeit
und DynamikDietreibende

Kraft

derindenneuenÜber die PI Gruppe
Für die hohe Qualität ihrer Produkte bekannt, hat sich
3D-diePI Gruppe

zumführenden

Herstellervon

Lithografiegeräten zur Feinpositionierung der Objekte

Positioniersystemen mit Genauigkeiten im Bereich

odereinzelner

Probeneingesetzten

hochdynamischenNanometerentwickelt.

Über700sind

hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen

Piezoaktoren. Diese Piezoaktoren wandeln elektrische

PI in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich

Energie direkt in mechanische und umgekehrt. Dabei

innovativer Präzisions-Positioniertechnik zu erfüllen.

können typischerweise Stellwege bis zu etwa einem

Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus

parallelkinematischenMillimeterbei

Nanopositioniersysteme

Auflösungenbis

hinunterinden

Nanometerbereich und hoher Dynamik mit Frequenzen
bis zu mehreren Kilohertz erreicht werden. Da dieBewegung auf kristallinen Effekten beruht, gibt es keine
rotierenden oder reibenden Teile; Piezoaktoren sind
dadurch wartungs- und verschleißfrei und da keine
Schmierung notwendig ist, auch für Vakuum geeignet.
Sie können große Lasten bewegen und bauen sehrkompakt.

entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis
hin

zur

Auslieferung

kontrolliert

Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie diePositionssensorik.
Die

dafürbenötigten

piezokeramischen

bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhosegefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen
auf

dem

Gebietaktorischer

flexible

Positioniersysteme

und

für

sensorischer

sowie

parallelkinematische

Positioniersysteme

mitFreiheitsgradensechs

Die Nanoscribe GmbH ging Anfang 2008 als erste
Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie(KIT) mit dem 3D Laserlithografiesystem Photonic
Professional an den Start. Innerhalb von nur fünf Jahren
hat sie sich als Markt- und Technologieführer im Bereich
Laserlithografieetabliert.

Weltweite

Geräteverkäufe an führende Forschungsinstitute undUniversitäten in Asien, Nordamerika sowie in Europa
belegen den Siegeszug dieser innovativen Technologie.
Das Portfolio umfasst außerdem selbst entwickelte
dieaufdieUltrahochvakuum-Anwendungen
Sonderanfertigungen.

Über Nanoscribe

Fotolacke,

Elemente

PI miCos in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“3D

diePiezoprodukte.

Autorderwerden:

verschiedenen

Anwendungsbereiche der Gerätekunden zugeschnitten
sind. Beratungsleistungen in der Abformung komplexer,
dreidimensionaler Polymerstrukturen in Metalle oder
Halbleiter sowie diverse Serviceleistungen runden das
Angebot ab.

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