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Rotationssymmetrische Gitterstrukturen finden als diffraktive optischen Elemente (DOE) vielfältige Einsatzzwecke in der optischen Messtechnik, aber z.B. auch bei der Laserstrahlformung. Eine etablierte Methode zur Fertigung derartiger Strukturen ist die Laserdirektbelichtung, bei der die gewünschten Strukturen mittels eines fokussierten Laserstrahls in ein geeignetes Maskenmaterial wie z.B. einen Fotolack geschrieben werden.

Die kleinstmögliche Strukturgröße wird dabei maßgeblich durch das Beugungslimit bei der Fokussierung des Laserstrahls bestimmt. Bei Verwendung von Laserquellen im kurzwelligen, sichtbaren Wellenlängenbereich und einer in der Praxis gut beherrschbaren numerischen Apertur von NA = 0,6 sind Strukturgrößen in der Größenordnung von 0,5 µm mit angemessener Prozesssicherheit realisierbar. Sollen kleinere Strukturen gefertigt werden, kann z.B. die numerische Apertur erhöht werden oder die Belichtungswellenlänge reduziert werden, was zu einem kleineren Fokusdurchmesser führt. Objektive mit hoher numerischer Apertur haben jedoch den Nachteil eines geringen Arbeitsabstands. Geeignete kurzwellige Laserquellen sind im Allgemeinen mit höheren Kosten verbunden, darüber hinaus steigen die Anforderungen an den Strahlenschutz, wenn im ultravioletten Spektralbereich gearbeitet wird.

Eine weitere Alternative ist die Verwendung von hochgradig nichtlinearen Maskenmaterialien. Diese besitzen jedoch ein kleineres Prozessfenster als konventionelle Materialien, wodurch die Anforderungen an den gesamten Fertigungsprozess steigen. Bei beiden Ansätzen verlängert sich darüber hinaus in der Regel die Fertigungszeit aufgrund der kleineren Schrittweite während des Belichtungsprozesses.

Im Rahmen diese Projekts wurde ein Verfahren für die Herstellung von rotationssymmetrischen Strukturen adaptiert und in ein Polarkoordinaten-Laserdirektbelichtungssystem integriert, das all diesen Nachteilen begegnet. Die rasternden Interferenzbelichtung ermöglicht die Herstellung von Strukturen mit kritischen Abmessungen <0,5 µm bei Verwendung von Laserquellen im sichtbaren Spektralbereich, bei gleichzeitig signifikant verringerter Belichtungzeit und einer hohen Prozessstabiliät.

Neben dem Optikdesign für die Laserstrahlformung wurde ein System zur Stabilisierung des Interferenz-Streifenmusters entwickelt, was es ermöglicht, die Position des Streifenmusters auf dem Substrat bis auf wenige Nanometer stabil zu halten. Auf diese Weise konnte die hohe Prozessstabilität und gleichzeitig eine sehr homogene optische Phasenfunktion der gefertigten DOE realisiert werden. So konnten mit dem hier vorgestellten Ansatz bei einer Belichtungswellenlänge von 458 nm routinemäßig Gitterstrukturen mit einer Strukturbreite < 250 nm hergestellt werden.