3D-Druck auf Mikrochips für photonische Systeme und MEMS

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Additive Herstellung von Mikrokomponenten für integrierte Systeme spart Packaging-Kosten und Zeit.

Steigende Anforderungen in der High-Speed Datenkommunikation, der Drohnentechnologie sowie an portable medizinische Geräte lassen die Industrie nach neuen Herstellungsmethoden, wie z.B. Nanoscribe’s direktem Laserschreiben, Ausschau halten. Aktuell erfordert die Fertigung der in diesen Anwendungen benutzten photonischen Systeme und MEMS Aktoren die Kombination verschiedener Herstellungsmethoden und mehrere Fabrikationsschritte bis alle Komponenten auf einem Chip vereint sind. Mit Nanoscribe’s hochauflösenden 3D-Druckern lassen sich nun Mikrokomponenten wie beispielsweise Mikrolinsen direkt in photonische Systeme integriert herstellen oder verformbare Strukturen direkt auf MEMS Aktoren drucken.

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Optisches Mikroskopbild einer 3D gedruckten hemisphärischen Linse auf einen Photonik-Chip. (Foto Nanoscribe)
Dank dieser zukunftsweisenden Technologie können so allerkleinste Objekte mit komplexen Geometrien und Baugrößen von ein paar hundert Nanometern bis hin zu einigen Millimetern in einem einzigen Prozessschritt und auf einer bisher für den 3D-Druck nicht erreichbaren Skala hergestellt werden. Diese bedeutende Neuerung des direkten Druckens auf einen Chip birgt völlig neue Perspektiven für die Nano- und Mikrofabrikation: Dreidimensionale Komponenten können genau dort aufgedruckt werden, wo sie gebraucht werden.

Für diesen 3D-Druckprozess nutzen Nanoscribe’s Photonic Professional GT Systeme die Technik der Zwei-Photonen-Polymerisation. Mit ihren präzisen Optiken sowie hochmodernen Software-Tools lassen sich polymere 3D Strukturen mit Submikrometerauflösung herstellen und die Vorteile der additiven Fertigung nun auch für die Nano- und Mikrofabrikation nutzen. Die Stärken des 3D-Drucks, große Designfreiheit und einfacher Workflow vom CAD Modell direkt zum fertigen Objekt, führen so zu verkürzten Iterationszyklen. Dies wiederum bringt weitere Vorteile wie Kosten- und Zeiteinsparungen bei der Produktentwicklung.

Die bereits große Bandbreite an bedruckbaren Substraten wird nun um die der vorstrukturierte Chips ergänzt, was die Miniaturisierung von 3D funktionalen Teilen in integrierte Systeme ermöglicht. Das Video zeigt erstmalig den Druck von Mikrolinsen auf photonische Chips (Bild 1). Dazu wurde eine Reihe von Mikrolinsen auf optische Gitterkoppler gedruckt, die zuvor auf einem Chip hergestellt wurden (Bild 2). Auf diese Weise kann ein Array aus Mikrolinsen Licht in das photonische System einkoppeln. Die Mikrolinsen wurden dafür in einem einzigen Arbeitsprozess hergestellt und mussten weder nachträglich ausgerichtet noch mechanisch auf dem vorstrukturierten Chip montiert werden.

Die direkte On-Chip Fabrikation spart Kosten beim sogenannten Packaging und den dafür benötigten Maschinen sowie Zeit für Kalibrierung. Darüber hinaus werden aufwendige Justierungen und Fixierungen für die Montage überflüssig. Aufgrund der extrem hohen Präzision beim Schreiben mit Lasern, bietet der 3D-Mikrodruck Submikrometerpräzision und Oberflächen in optischer Qualität, die die hohen Anforderungen leistungsstarker Mikrooptiken erfüllen. Aufgrund dieser Stärken ist die additive Mikrofabrikation eine neue, wertvolle Methode zum direkten Druck mikrooptischer Komponenten auf integrierte Systeme, z.B. für den High-Speed Datentransfer in der Telekommunikation.

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Auf einen MEMS-Aktor gedruckte 3D Mikrostruktur (mit freundlicher Genehmigung von Rachael Jayne und Alice White, Universität Boston, USA)

3D gedruckte mikromechanische Komponenten auf MEMS Aktoren

Anwendungen auf dem Gebiet der medizintechnischen Bildgebung, Geweberegeneration und MEMS können ebenfalls von der direkten Herstellung integrierter Systeme profitieren. So stellte ein Nanoscribe Kunde an der Universität in Boston (USA) eine verformbare dreidimensionale Struktur, deren Form an eine Fliege erinnert, direkt auf einem MEMS Aktor her. Derartige „Fliegen“-Strukturen zeichnen sich aufgrund ihrer Geometrie durch ein hohes Maß an Dehnbarkeit und Verformbarkeit aus. Den Wissenschaftlern um Prof. Alice White gelang es, die gedruckte Mikrostruktur durch Anlegen einer Spannung an den MEMS Aktor zu verformen. Die Professorin hierzu: „Wir zeigen, dass der 3D-Mikro-Druck im Zusammenspiel mit MEMS-Aktoren eine effektive Methode zur Herstellung mikromechanischer 3D-Systeme ist, genau abgestimmt auf die jeweiligen Anforderungen. Nanoscribe’s 3D-Drucker ermöglichen das Rapid Prototyping von Strukturen mit Submikrometer-Auflösung. Diese wären mit Ein-Photonen-Stereolithografie oder den in der Halbleiterfertigung üblichen Abscheide- und Ätzmethoden schlichtweg nicht herstellbar.“ Potenzielle Anwendungen für diese Forschungsergebnisse liegen in den Bereichen dynamischer Antriebe von gedruckten 3D Strukturen wie sie z.B. in verformbaren Optiken benötigt werden oder möglicherweise in Zukunft bei der Gewebezüchtung zum Einsatz kommen könnten.

Die Integration mikroskopischer Komponenten in photonische und MEMS Systeme ist für Packaging und Produktion eine große Herausforderung. Im Zuge zunehmender Miniaturisierung sollen immer mehr funktionale Komponenten auf immer kleineren Bauräumen kombiniert werden. Im Bereich der High-Speed Datenkommunikation und mobiler Geräte für das Gesundheitswesen lassen sich durch den direkten 3D-Mikrodruck in integrierte Systeme nun gänzlich neue Wege für kommerzielle Anwendungen erschließen.

Die Technologie hinter dem 3D-Druck auf Mikrochips

Der Zwei-Photonen Polymerisationsprozess ist die Basis von Nanoscribe’s 3D Drucktechnologie. Während des Druckprozesses belichtet ein Laserstrahl photosensitives Material gemäß durch ein CAD-Modell vorgegebenen Schreiblinien in einem Lage-für-Lage Verfahren. Der flüssige Lack härtet im Laserfokus aus. Das Verfahren ermöglicht nahezu beliebige 3D-Strukturen mit Submikrometerauflösung. Dank neuer technologischer Möglichkeiten kann der 3D-Druckprozess nun auch auf vorstrukturierte Systeme ausgedehnt werden und bietet gänzlich neue Anwendungen für das direkte Drucken auf Mikrochips.

Submicron manufacturing of integrated systems by Nanoscribe's 3D printers

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