3D-Drucker für die Mikrofabrikation Mikro-Objektivlinsen auf CMOS-Chips

Photonic Professional GT: 3D-Drucker zur Herstellung von Nano-, Mikro- und Mesostrukturen (Bild: Nanoscribe)

Mithilfe eines Nanoscribe-3D-Druckers ist es gelungen, direkt auf einen hochauflösenden CMOS-Chip einen ganzen Satz von Mikro-Objektivlinsen zu drucken, die verschiedene Brennweiten und Sichtfelder haben.

Die kleinste Linse hat eine Brennweite, die einem Weitwinkelobjektiv entspricht, dann folgen zwei Linsen mit eher mittlerem Sichtfeld, und die größte Linse hat eine sehr lange Brennweite und ein kleines Sichtfeld, wie ein typisches Teleobjektiv. Ähnlich wie bei Adleraugen können auf diese Weise sehr weite Sichtfelder erzeugt werden. Dieses nur wenige Quadratmillimeter große, neu entwickelte Sensorsystem könnte nicht nur in der Automobilindustrie, sondern auch in vielen anderen Bereichen auf großes Interesse stoßen. Da die Sensoren schon jetzt mit einem Minicomputer verbunden sind, eignet sich das System bereits für Anwendungen der Industrie 4.0.

Der 3D-Drucker stellt die Linsen mithilfe der Zweiphotonen-Polymerisation passgenau direkt auf dem CMOS-Chip her. Bei dem Verfahren werden zwei Photonen aus einem roten Femtosekunden-Laserpuls im Fotolack absorbiert und wirken wie ein blaues Photon, das den Vernetzungsprozess im flüssigen Fotolack in Gang setzt. Mithilfe eines Scanners wird so Lage um Lage der Freiform-Linsenstruktur geschrieben. Alle vier Bilder, die die Linsen auf dem Chip erzeugen, werden gleichzeitig elektronisch ausgelesen und verarbeitet. Dabei setzt ein kleines Computerprogramm das Bild so zusammen, dass im Zentrum das hochauflösende Bild des Teleobjektivs dargestellt wird und ganz außen das Bild des Weitwinkelobjektivs. Die Forscher testeten ihre neuartige Kamera an verschiedenen Testobjekten und konnten die Verbesserung der Auflösung im Zentrum dieses so genannten „foveated imaging“-Systems klar nachweisen.

3D-Drucker von Nanoscribe
 
Der 3D-Drucker, der das Projekt ermöglicht hat, stammt aus der Entwicklungsschmiede von Nanoscribe. Das Karlsruher Unternehmen bietet mit dem „Photonic Professional GT“ (PPGT) den aktuell schnellsten und präzisesten 3D-Drucker für die Nano- und Mikrofabrikation an. Mit dem zugrundeliegenden laserlithografischen Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation ist es möglich, Sub-µm-Details bis hinunter zu 200 nm Linienbreite zu erzielen. Der 3D-Mikrodruck vereint somit die additive Fertigung in allen drei Dimensionen mit kleinsten Strukturgrößen und Gesamtbauteilgrößen im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu einigen Millimetern. Stoßen herkömmliche Verfahren wie die Stereolithografie bei Schichtdicken von 50 bis 150 μm an ihre Grenzen, entfaltet die 3D-Laserlithografie auf dieser Größenskala erst ihre wahre Stärke. Die Auflösung ist etwa zehn- bis hundertmal so hoch, Strukturdetails von einem Mikrometer und weniger sind Standard, das Ganze bei Oberflächenrauigkeiten in optischer Qualität.

Das weltweit hochauflösendste 3D-Druckverfahren schließt damit im Spektrum der additiven Fertigungsverfahren die Lücke zwischen Laserlithografie und anderen 3D-Druckverfahren. Der Workflow des PPGT orientiert sich an konventionellen 3D-Druckerstandards. Zusätzlich sind Soft- und Hardware optimal aufeinander abgestimmt. Abgerundet wird das Nanoscribe-Portfolio durch maßgeschneiderte Fotolacke und Prozesslösungen, die auf die verschiedenen Anwendungsbereiche zugeschnitten sind. Höchste mechanische Stabilität, Formtreue und Oberflächenglattheit sind bei den eigens von Nanoscribe entwickelten Fotolacken garantiert, ebenso eignet sich auch eine Vielzahl anderer Fotolacke für den Druckprozess.

So wurden bereits Strukturen aus biokompatiblen, biodegradierbaren, hydrophoben und hydrophilen Polymermaterialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften sowie aus Hydrogelen gedruckt. Je nach Anwendung können die Polymerstrukturen auf verschiedenen Substraten (z.B. Glas oder Siliziumwafer) hergestellt werden. Es ist außerdem möglich, die 3D-gedruckten Polymerobjekte als Master für die Abformung in metallische, halbleitende, anorganische oder organische Materialien zu verwenden. Damit zeichnet sich der 3D-Drucker durch eine beinahe unbegrenzte Designfreiheit aus, was die Geräte zu einem probaten Werkzeug für Wissenschaft und Industrie macht.