title: Variable ringförmige Fotolithografie
Creators: name: Knoblich, Maria
Publisher: name: KOBRA Universität Kassel
Year: 2024
Subjects: subject: ringförmige Fotolithografie
subject: Axicons
subject: diffraktive und refraktive Strukturen
subject: rotationssymmetrische mikro- und mesoskalige optische Elemente
subject: Arrays
subject: angewandte Optik
subject: Ingenieurwissenschaften
classificationCode: 530
subject: 530
classificationCode: Fotolithografie
subject: Fotolithografie
classificationCode: Ingenieurwissenschaften
subject: Ingenieurwissenschaften
classificationCode: Technische Optik
subject: Technische Optik
classificationCode: Array
subject: Array
classificationCode: Axicon
subject: Axicon

description: Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer kooperativen Promotion zwischen der Universität Kassel und der Ernst-Abbe-Hochschule Jena.
description: <p>Mikro- und mesoskalige optische Elemente haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, sie werden beispielsweise in optische Abbildungssysteme integriert und tragen so zu deren Größen- und Gewichtsreduzierung sowie zur Steigerung der optischen Leistung bei. Da in abbildenden optischen Systemen fast ausschließlich rotationssymmetrische Komponenten verwendet werden, sind die rotationssymmetrischen mikro- und mesoskaligen optischen Elemente von besonderer Bedeutung.
In dieser Arbeit wird eine neuartige lithografische Belichtungsmethode zur maßgeschneiderten Herstellung rotationssymmetrischer mikro- und mesoskaliger optischer Strukturen entwickelt. Dabei wird eine ringförmige Lichtverteilung mit variablem Durchmesser für die Strukturierung von Fotolack verwendet. Durch Variation des Ringdurchmessers und gleichzeitige Steuerung der Belichtungsdosis werden spezifische rotationssymmetrische Strukturen belichtet. Für die Belichtung kommt eine Wellenlänge von 405 nm zum Einsatz. Das optische Grundprinzip zur variablen Ringerzeugung basiert auf der Kombination von Axicons, die Variation des Ringdurchmessers in der Bildebene wird durch axiale Verschiebung eines Axicons realisiert. Das lithografische Verfahren ist für die effiziente und flexible Herstellung von rotationssymmetrischen mikro- und mesoskaligen optischen Strukturen geeignet und umgeht dabei die Nachteile etablierter lithografischer Fertigungstechnologien.
In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein Konzept aus einem plan-konkaven und einem axial beweglichen plan-konvexen Axicon analysiert. Anhand eines Optikdesignmodells werden ausgewählte Systemeigenschaften wie Ringzoombereich, Telezentrie oder Auflösung diskutiert, die für die Anwendung in der Fotolithografie relevant sind. Durch Umsetzung des Optikdesignmodells in Form eines kompakten Labordemonstrators konnte der prinzipielle Funktionsnachweis für variable ringförmige Fotolithografie erbracht werden. Mit den Basiswinkeln der Axicons von jeweils 5° wurde hierbei ein Kompromiss zwecks gleichzeitiger Erfüllung aller Anforderungen, insbesondere an Telezentrie und großen Ringzoombereich gewählt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein zweites Optikdesignmodell vorgestellt, das auf einem Konzept aus drei plan-konvexen Axicons zur variablen Ringerzeugung basiert und der gleichzeitigen Erfüllung höherer Anforderungen zur Anwendung in der Fotolithografie dient. Konkret werden hierbei eine bildseitige Numerische Apertur (NA) von 0,2, eine Ringbreite von 5 μm und ein Ringzoombereich von 200 μm bis 8 mm bei gleichzeitiger Erfüllung der Telezentriebedingung erreicht. Dieses Optikdesignmodell wurde in Form einer Lithografie-anlage umgesetzt.
Neben Optikdesignbetrachtungen liegt ein weiterer Fokus dieser Arbeit auf der Erarbeitung geeigneter Belichtungsreihen für variable ringförmige Lithografie und schließlich auf der Herstellung spezifischer mikro- und mesoskaliger optischer Elemente. Hierfür kamen sowohl der Labordemonstrator als auch die Lithografieanlage zum Einsatz. Der Labordemonstrator wurde zunächst für die lithografische Herstellung rotationssymmetrischer binärer Strukturen im Fotolack AZ®1505 (Merck KGaA) verwendet. Beispiele für belichtete Strukturen sind Axiconelemente, Fresnelsche Zonenplatten (FZPs) oder Arrays aus FZPs. Um eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich des herstellbaren Oberflächenprofils zu erzielen, wurden mit dem Labordemonstrator auch Strukturen mit kontinuierlich radialem Oberflächenprofil im für Grautonlithografie geeigneten Fotolack AZ®4562 (Merck KGaA) belichtet. Hierfür wurde ein Simulationstool entwickelt, das der Erzeugung von Belichtungsrezepten dient. Belichtete Strukturen sind refraktive sphärische und asphärische Elemente mit einer Maximaltiefe von ~4 μm sowie diffraktive Strukturen mit minimalen Sägezahnbreiten von ~150 μm. Für die Lithografieanlage wurde der Funktionsnachweis anhand einzelner belichteter Ringstrukturen erbracht. Zudem wurde das zuvor entwickelte Simulationstool auch für die Herstellung einer diffraktiven Linse sowie eines Arrays aus sechs identischen diffraktiven Linsen (Fotolack AZ®4562) mit der Lithografieanlage genutzt. Der Außendurchmesser der diffraktiven Linse hat einen Wert von ~7,8 mm, die Basisbreite des äußersten kleinsten Sägezahns beträgt ~60 μm.</p>
description: <p>This thesis is resulting from a cooperative PhD between the University of Kassel and the University of Applied Sciences Jena. Micro- and mesoscale optical elements are used for a wide range of applications, e.g. by integration into optical imaging systems, thus helping to reduce their size and weight and to improve their optical performance. Due to the almost exclusive use of rotationally symmetric components in optical imaging systems, rotationally symmetric micro- and mesoscale optical elements gained particular interest.
This thesis presents the development of a novel lithographic exposure technique for the tailored fabrication of rotationally symmetric micro- and mesoscale optical structures. Here, a ring-shaped light distribution with variable diameter is used for the structuring of photoresist. Specific rotationally symmetric structures are exposed by varying the ring diameter and controlling the exposure dose simultaneously. For exposure, a wavelength of 405 nm is applied. The optical principle for variable ring creation is based on the combination of axicons. The variation of the ring diameter in the image plane is realized by the axial movement of an axicon. The lithographic technique is suitable for the efficient and flexible fabrication of rotationally symmetric micro- and mesoscale optical structures and avoids the disadvantages of established lithographic fabrication technologies.
This thesis first analyses a concept of a plano-concave and an axially movable plano-convex axicon. Based on an optical design model, selected system properties such as ring zoom range, telecentricity or resolution are discussed being relevant for the application in photolithography. By implementing the optical design model using a compact laboratory demonstrator, the proof of concept for variable ring-shaped photolithography has been provided. With the axicon base angles of 5° each, a compromise has been chosen to meet all requirements simultaneously, particularly in terms of telecentricity and a large ring zoom range. Within this thesis, a second optical design model is presented, which bases on a concept of three plano-convex axicons for variable ring creation and which concurrently fulfils higher requirements for an application in photolithography. Specifically, an image-side numerical aperture (NA) of 0.2, a ring width of 5 μm and a ring zoom range of 200 μm to 8 mm are achieved while simultaneously fulfilling the condition of telecentricity. Based on this optical design model, a lithography system has been implemented.
In addition to optical design considerations, a further focus of this thesis is on the development of suitable exposure series for variable ring-shaped lithography and finally on the fabrication of specific micro- and mesoscale optical elements. For this purpose, the laboratory demonstrator and the lithography system have been used. First, the laboratory demonstrator has been applied for the lithographic fabrication of rotationally symmetric binary structures in AZ®1505 photoresist (Merck KGaA). Examples of exposed structures are axicon elements, Fresnel zone plates (FZPs) or arrays of FZPs. To achieve the highest possible flexibility regarding the surface profile that can be produced, the laboratory demonstrator has also been used to expose structures with a continuous radial surface profile in AZ®4562 photoresist (Merck KGaA), which is well suited for gray tone lithography. For this purpose, a simulation tool has been developed, that generates exposure recipes. Exposed structures are refractive spherical and aspherical elements with a maximum depth of ~4 μm as well as diffractive structures with minimum sawtooth width of ~150 μm. The functional verification of the lithography system has been achieved by individual exposed ring structures. In addition, the previously developed simulation tool has also been applied to fabricate a diffractive lens and an array of six identical diffractive lenses (AZ®4562 photoresist) by using the lithography system. The outer diameter of the diffractive lens has a value of ~7.8 mm, the width of the outermost smallest sawtooth has a value of ~60 μm.</p>