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FORSCHUNGSBEREICH

Generative Mikro- und Nanofertigung

Die generative Fertigung beschreibt die Herstellung individueller Formkörper aus einem geeigneten Ausgangsmaterial in flüssiger oder fester Form. Der generative Entwicklungsprozess umfasst ausgehend von einem Konzept oder einer Idee zur Lösung einer technischen Problemstellung eine Designentwicklung am Computer (numerische Simulationen und/oder CAD Konstruktion) sowie eine Strategie zur Umsetzung des Designs in ein physisches Objekt mit einem geeigneten Fertigungsverfahren.

Es gibt zahlreiche generative Fertigungsverfahren mit verfahrenseigenen Vor- und Nachteilen. Im Rahmen des Themenbereichs „Generative Mikro- und Nanofertigung“ kommen u.a. laserbasierte Verfahren zum Einsatz, die einzigartige technische Vorteile bieten. Auf Basis nichtlinearer optischer Effekte (Mehrphotonenabsorption) ist es möglich, hochaufgelöste 3D-Strukturen herzustellen, die mit anderen Verfahren nicht möglich sind. Die Optimierung der technischen Implementierung des Verfahrens erlaubt darüber hinaus eine minimale Prozesszeit, sodass nicht nur einzelne Strukturen sondern auch Kleinserien gefertigt werden können. Dieses Verfahren erlaubt auch die Herstellung maßgeschneiderter Werkzeuge, die in replikativen Verfahren eingesetzt werden können und schließlich auch für großflächige Herstellung nanostrukturierter Oberflächen geeignet sind (Rolle-zu-Rolle Nanoimprint-Lithographie).

Der inhaltliche Fokus dieses Themenbereichs liegt neben Simulation und Konstruktion dreidimensionaler Strukturen auf der Anwendung innovativer Strukturierungsmethoden in verschiedensten technisch-wissenschaftlichen Bereichen wie Photonik, Nanotechnologie, Elektronik, Bionik bzw. Biomimetik und Materialwissenschaften. Neben der Optimierung der eingesetzten Strukturierungsmethoden ist auch die Verbindung der verschiedenen Methoden zu einer gemeinsamen Technologieplattform über definierte Schnittstellen von zentraler Bedeutung, um von kleinsten Struktureinheiten zu großflächig strukturierten Substraten zu gelangen. Dieser Synergismus ermöglicht einen umfassenden Prozess aus einer Hand, der von der Idee bis zur Unterstützung bei der Produktentwicklung reicht, wodurch ein großer Nutzen für Forschung und Industrie gegeben ist.

Nanostrukturierung mittels Laserlithographie
Nanostrukturierung mittels Laserlithographie

Im Fokus

Neuartige Methoden der Nanostrukturierung

Der inhaltliche Fokus liegt bei der Anwendung neuartiger Strukturierungsmethoden in verschiedensten technisch-wissenschaftlichen Bereichen wie Photonik und Optik (photonics), Nanotechnologie (nano technology), Elektronik (electronics), Bionik (biomimetics) und Materialwissenschaften (material sciences). Neben der Optimierung der eingesetzten Strukturierungsmethoden steht auch die Verbindung der verschiedenen Methoden zu einer gemeinsamen Technologieplattform über definierte Schnittstellen im Vordergrund, um von kleinsten Struktureinheiten zu großflächig strukturierten Substraten zu gelangen. Dieser Synergismus ermöglicht einen umfassenden Prozess aus einer Hand, der von der Idee bis zur Unterstützung bei der Produktentwicklung reicht, wodurch ein großer Nutzen für Forschung und Industrie gegeben ist.

Richtungsweisende Methoden der Lithographie für die Zukunft

Ideen, Konzepte, sowie Erkenntnisse aus Simulationen diverser physikalischer Bereiche (u.a. optische Simulationen - optical simulations) können in Form von geometrischen Modelldaten mit Hilfe verschiedener Direktschreibmethoden wie direktes Laserschreiben (direct laser writing), 3D Laserlithographie auf Basis der Zweiphotonenpolymerisation (two photon polymerisation) oder Elektronenstrahllithographie (electron beam lithography) rasch in geeigneten Materialien umgesetzt werden. Zusätzlich bieten wir standardisierte Lithographiemethoden an, wie Photolithographie (photo lithography), Methoden zur Replizierung (replication) von Templaten (Stempel, Masterstrukturen) wie Nanoimprintlithographie (nano imprint lithography) und Softlithographie (soft lithography) kombiniert mit einem UV-Laser-basierten Step-and-Repeat Prozess bis hin zur Rolle-zu-Rolle-Fertigung über eine Pilotanlage für flexible Foliensubstrate im verwandten Bereich "R2R Processing und Mastering", für die Masterstrukturen hergestellt werden.

Litho-graphie

Richtungsweisende Methoden der Lithographie für die Zukunft

Ideen, Konzepte, sowie Erkenntnisse aus Simulationen diverser physikalischer Bereiche (u.a. optische Simulationen) können in Form von geometrischen Modelldaten mit Hilfe verschiedener Direktschreibmethoden wie direktes Laserschreiben, 3D Laserlithographie auf Basis der Zwei- oder Mehrphotonenpolymerisation oder Elektronenstrahllithographie rasch in geeigneten Materialien umgesetzt werden. Zusätzlich bieten wir standardisierte Lithographiemethoden an, wie Photolithographie, Methoden zur Replizierung von Templaten (Stempel, Masterstrukturen) wie Nanoimprintlithographie und Softlithographie kombiniert mit einem UV-Laser-basierten Step-and-Repeat Prozess bis hin zur Rolle-zu-Rolle-Fertigung über eine Pilotanlage für flexible Foliensubstrate im verwandten Bereich "R2R Processing und Mastering", für die Masterstrukturen hergestellt werden.

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Simula-tionen

Optische Simulationen, Computer Aided Design und Computer Aided Manufacturing

Oftmals stehen am Anfang einer Entwicklung Konzepte oder Ideen, die mit Hilfe computerbasierter Entwicklungshilfen schnell konkrete Formen annehmen sollen. Im Bereich der Photonik verfügen wir in diesem Zusammenhang über vielseitige Werkzeuge zur Simulation und Entwicklung photonischer bzw. lichttechnischer Problemstellungen. Die Möglichkeiten reichen von der Optimierung einfacher abbildender Systeme über die Entwicklung refraktiver und diffraktiver Mikrooptiken bis hin zur Simulation kompletter optischer Systeme, wie z.B. Beleuchtungssysteme aber auch Sensorsysteme. Unterstützt durch entsprechende CAD Schnittstellen können konstruktive Komponenten schnell importiert und Simulationsergebnisse zur Fertigung aufbereitet exportiert werden. Die im Hause verfügbaren laserbasierten generativen Fertigungsmethoden für Photopolymere erlauben die direkte  Umsetzung der Modelle aus den Simulationen in physische Strukturen.

optische Datenver-bindungen

Design und Herstellung integrierter optischer Datenverbindungen auf Leiterplatten

3D fähige Fertigungsverfahren eröffnen neue Zugänge zu technischen Problemstellungen. Die Anwendung der mehrphotonenbasierten Laserlithographie zur direkten Integration von optischen Datenverbindungen stellt einen innovativen Ansatz dar, der nachträgliches Ankoppeln der Wellenleiter an Bauelemente wie Laser- und Photodioden überflüssig macht. Die bestückte Leiterplatte wird zunächst vollflächig mit einem geeigneten strukturierbaren Wellenleitermaterial beschichtet, wodurch die Bauelemente komplett in der optischen Schicht eingebettet werden. Danach werden die Bauteilpositionen zur Bestimmung der Wellenleiterendpunkte vermessen. Dadurch wird die Ausrichtung und Ankopplung der Wellenleiter ein direkter Teil des Herstellungsprozesses. Nach der Definition des Wellenleiterpfades wird die optische Verbindung (der Wellenleiterkern) durch den Laserfokus in das optische Material eingeschrieben. Die Laserbelichtung bewirkt eine lokale Erhöhung des Brechungsindex, während der unbelichtete Teil der optischen Schicht das Wellenleitercladding darstellt.

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optische Strukturen

Diffraktive Optische Strukturen

Moderne Optiken müssen sich immer mehr strikten Randbedingungen wie z.B. geringste Bauraumgrößen, besondere Effizienz etc. beugen. Konventionelle refraktive Optiken stoßen so leicht an ihre Grenzen. Im Gegensatz dazu weisen z.B. diffraktive optische Elemente (DOE) sehr geringe Bauhöhen auf, wodurch sie sich leichter in optische Systeme integrieren lassen. Ebenso können solche Optiken sehr gut im großen Maßstab z.B. mit Hilfe einer rollenbasierten Fertigung hergestellt werden. 

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Elektronen-strahl-litho-graphie

Elektronenstrahllithographie

Neben den laserbasierten Direktschreibverfahren bietet die Elektronenstrahllithographie durch direktes Einschreiben von Strukturen in ein geeignetes Material eine weitere Möglichkeit hochaufgelöste Nanostrukturen zu erzeugen. Dabei wird ein fokussierter Elektronenstrahl über eine Probe gerastert und ein elektronenstrahlempfindlicher Lack belichtet. Nach einem Entwicklungsschritt stellt dieser strukturierte Lack eine Maske für anschließende Ätzprozesse dar, um die eingeschriebene Struktur in ein Substrat (z.B. Si-Wafer) zu übertragen.

Bionik/ Biomimetik

Allgemein

Die Bionik (engl. biomimetics) ist ein sehr interdisziplinäres Gebiet, das Ideen und Konzepte aus der Natur durch das Verständnis des natürlichen Funktionsprinzips adaptiert und in eine technische Lösung überführt hat. Dabei spielen in der Bionik häufig Strukturen in Zusammenhang mit Oberflächeneigenschaften eine zentrale Rolle, indem sie die eigentlichen Materialeigenschaften in ihren Funktionen durch Struktureigenschaften erweitern. Die entsprechende technische Adaption benötigt daher geeignete Strukturierungsmethoden und Materialien für Anwendungen in vielen Bereichen wie z.B. biomimetische Oberflächen, die schmutzabweisende, hydrophobe und/oder hydrophile Eigenschaften aufweisen, aber auch optisch refraktive und diffraktive Oberflächen, farbgebende strukturierte Oberflächen, strukturierte Elektroden oder Sensorkonzepte,  die im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte angewendet und optimiert werden.

Anwendungsbeispiele

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