Konferenzberichte

Optik: Grenzen überschreiten

17.04.2008

Metamaterialien, optische Uhren, Nanostrukturierung: unter dem Motto "Beyond the Limits" war die Überschreitung von Grenzen in den Optischen Technologien das Thema des 23. Stuttgarter ITO-Kolloquiums.

Zum traditionellen Optik-Kolloquium des Instituts für Technische Optik (ITO) an der Universität Stuttgart begrüßte Institutsleiter Prof. Wolfgang Osten am 27. Februar an die 250 Teilnehmer. Er betonte die Rolle der photonischen Technologien in der modernen Produktion. Aufgabe der Forschung sei es, Verfahren zu entwickeln, die über die bekannten räumlichen, zeitlichen und strukturellen Grenzen hinaus wirken und zu neuen Technologien führen.
Ortsauflösung
Die Reihe der hochkarätigen Vorträge wurde von Prof. Stefan Hell, MPI für Biophysikalische Chemie, Göttingen, mit seinem Vortrag "Nanoskopie mit fokussiertem Licht" eröffnet. Der Leibniz-Preisträger hat gezeigt, dass mit konventioneller Optik unter Hinzunahme der intensitätsabhängigen Fluoreszenz Proben mit einer Detailschärfe weit unterhalb der Abbe'schen Beugungsgrenze abgebildet werden können. STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion) und noch jüngere fernfeld¬optische Verfahren können mit Auflösungen <20 nm aufwarten und sind prinzipiell sogar in der Lage, molekular aufzulösen (Bild 1). Mit bis zu 28 Bildern pro Sekunde und einer Auflösung, die bis zu 4-mal besser ist als die herkömmlicher Lichtmikroskope, wurden sogar Bewegungen winziger Zellbausteine "gefilmt".
Zeitauflösung
Um die Grenze für die genaue Zeitmessung ging es im Vortrag "Optische Atomuhren" von Prof. Fritz Riehle, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig. Optische Atomuhren (Bild 2) sind den besten Caesiumatomuhren bezüglich ihrer Genauigkeit und Frequenzstabilität weit überlegen. In optischen Atomuhren ist das "Pendel" ein Laser, dessen Frequenz auf einen superschmalen optischen Übergang in Atomen oder Ionen stabilisiert wird. Die optische Frequenz wird heruntergeteilt und elektronisch messbar gemacht, indem ein fs-Laser einen optischen Frequenzkamm erzeugt.
Strukturierung
Die Grenzen der Strukturierung von Materie wurden für drei Technologien erörtert: Holographische, lithographische und Ionenstrahl-Strukturierung.
Prof. Susanna Orlic, TU Berlin, stellte die "Optische Terabyte Disk - das Hologramm am optischen Auflösungslimit" vor. Submikrometergroße 3D-Reflexionsgitter, die mit ns-Pulsen in nichtlineare optische Polymere geschrieben werden, ersetzen die Pits einer DVD und nutzen auch die Tiefe des Speichermediums. Verschiedene Wellenlängen erschließen dabei den Terabyte-Bereich für die optische Datenspeicherung.
Über die Ionen-Multistrahl-Strukturierung berichtete Dr. Werner Rupp, IMS Nanofabrication AG, Wien. Im Rahmen des EU-Projekts CHARPAN (Charged Particle Nanotec) wurde bei Verwendung von 10keV-Argon-Ionenstrahlen ein Auflösungsvermögen <20 nm bei der 3-dimensionalen Oberflächenstrukturierung verschiedener Materialien nachgewiesen.
Den Stand der Strukturierung mit Lithographie-Optiken diskutierte Dr. Michael Totzeck, Carl Zeiss SMT AG, Oberkochen. Immersions-Objektive (Bild 3) mit einer NA von 1,35 ermöglichen heute bei einer Arbeitswellenlänge von 193 nm die Herstellung von Strukturen mit 45 nm Breite. Derart am Limit der optischen Auflösungsgrenze darf die Wellenfront nur noch wenige Tausendstel Wellenlängen von der perfekten Sphäre abweichen. Für ultrapräzise Messungen sind hier Linsen- und Spiegelelemente mit 0,1 nm Oberflächengenauigkeit und Passe-Messunsicherheiten im Bereich weit unter 1 nm gefordert.
Das nächste Ziel der lithographischen Strukturierung erläuterte Dr. Vadim Banine, ASML Netherlands B.V., Veldhoven, mit seinem Vortrag zum Stand der EUV-Lithographie. ASML verwendet extrem ultraviolette Strahlung (13 nm) einer Plasmaquelle >100 W und eine reflektive Beleuchtungsoptik. Deren Kernstück ist ein atomebener Braggreflektor, mit dem sich Strukturen bis zu 30 nm erzeugen lassen.
Materialien und Metamaterialien
Ins Grenzgebiet von Molekülen und Festkörpern führte Prof. Markus Lippitz, MPI für Festkörperforschung, Stuttgart, mit seinem Vortrag "Ultraschnelle optische Spektroskopie der elastischen Eigenschaften kleinster Metallpartikel". Metall-Nanopartikel mit Größen von 1-100 nm bilden eine Brücke zwischen Molekülen und Festkörpern und zeigen faszinierende größenabhängige optische und elektronische Eigenschaften. In diesem Grenzbereich sind die elastischen Eigenschaften der Partikel von großem Interesse, insbesondere für die Mikrosystemtechnik und Nanotechnik. Für ein individuelles Partikel können sie durch optische Untersuchungen auf der Pikosekundenzeitskala bestimmt werden.
Dr. Carsten Rockstuhl, Institut für Festkörpertheorie und -optik, Universität Jena, stellte Meta¬materialien aus mikro- und nano¬strukturierten Elementarzellen vor sowie verschiedene Ansätze, sie für sichtbares Licht zu nutzen. Die Materialien ermöglichen effektive Eigenschaften wie negative Permittivität und Permeabilität.
Messtechnik
Die Scatterometrie oder optische CD (critical dimension) Messtechnik hat sich neben der Rasterelektronenmikroskopie (CD SEM) zur quantitativen Vermessung kleinster Dimensionen in der Halbleiterindustrie etabliert. Manfred Mört, Qimonda Dresden GmbH, berichtete über den Einsatz der Scatterometrie zur Vermessung der Linienrauhigkeiten (LER) lithographisch hergestellter Halbleiterstrukturen.
Im Vortrag von Christoph Pruß, ITO, Universität Stuttgart, wurde ein neues sekundenschnelles Verfahren präsentiert, mit dem typische Asphären mit Deformationen bis 1000 µm mit interferometrischer Genauigkeit vermessen werden können.
Die Vorträge zeigten, welch hoher Aufwand getrieben werden muss, um die Grenzen von Mikrometern zu Nanometern zu verschieben. Strukturierung, Nachweis und Messung verlangen von den Forschern und Technologen weit mehr als bisher. Jedoch kann sich niemand, der an der Weltspitze mitarbeiten will, den Trends in der Photonik verschließen: Reduzierung von Strukturgrößen, Erhöhung des Integrationsgrades und Erweiterung der Funktionalität.
Das Kompetenznetz Photonics BW informierte über Workshops, das Forschungsprogramm Optische Technologien der Landesstiftung Baden-Württemberg sowie Aus- und Weiterbildungsangebote. Das nächste Optik-Kolloquium findet unter dem Thema "Photonik im Maschinenbau" im Februar 2009 statt.
Dr. Christel Budzinski
Photonics BW e.V.

Photonik 2/2008

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