Ein Schwerpunkt der Arbeit der GOS ist die direkte Bearbeitung von Projekten der angewandten Forschung im Wissenschafts- und Technologie-Park Berlin-Adlershof. Bei der Auswahl und der inhaltlichen Begründung der Forschungsprojekte stützt sich die GOS auf die fachliche Kompetenz ihrer Mitglieder und ihrer angestellten Mitarbeiter. In enger Zusammenarbeit mit Instituten und Firmen werden Projekte initiiert und über verschiedene Finanzierungsmodelle realisiert. Insbesondere für die organisatorischen Aufgaben im Zusammenhang mit der Antragstellung und Durchführung der Projekte liegt die Verantwortung bei der Geschäftsstelle.

Es wurden und werden unter anderem bearbeitet:

• Forschungsprojekte im Rahmen von Arbeitsbeschaffungsmaßnahmen (bis 1997)
• Forschungsprojekte im Rahmen der BMBF-Förderung
• Forschungsprojekte im Rahmen der BMWi-Förderung
• Projekte im Rahmen der DARA
• Bearbeitung von Forschungsaufgaben im Auftrag verschiedener Unternehmen

Im folgenden wird eine Auswahl aus den durch das BMWi über den Projektträger FhS Fraunhofer Services GmbH (bis Dezember 2000: GEWIPLAN-Projektmanagement GmbH) geförderten Forschungs- und Entwicklungs-Projekten mit ihren Inhalten und Ergebnissen vorgestellt.

Spektrenanalysator für die fehlerfreie Werkstoffklassifizierung

Im Rahmen des Projektes sollte eine neue Generation mobiler optischer Spektrometer auf der Basis modernster Methoden der elektronischen Bildaufnahme und Bildverarbeitungstechnik entwickelt werden.

Voraussetzung war die Ablösung eindimensional arbeitender Spektrometer (z.B. vom Rowland-Typ) durch Echelle-Spektrometer mit interner Ordnungstrennung, die das Spektrum des zu untersuchenden Lichtes zweidimensional in eine relativ kleine, annähernd quadratische Fläche (1-6 cm²) abbilden. Die elektronische Kamera mit ihrer Vielzahl von photoempfindlichen Einzelsensoren (mehr als 1 Megapixel) kann dann bis zu 50.000 Spektrallinien gleichzeitig detektieren. Dieses führt zu einer erheblichen Vergrößerung der Menge an verfügbaren Daten aus dem Spektrum und somit zu einer Verbesserung der analytischen Leistungsfähigkeit. Die Verbindung des Spektrometers mit einer Funkenanregungseinheit auf der einen und einem mobilen Computer auf der anderen Seite ergibt ein flexibles, zuverlässiges und tragbares Gesamtgerät.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes war die Entwicklung einer Software, mit der die Beherrschung der großen, vom Bilddetektor gelieferten Datenmengen in kurzer Zeit abgesichert werden kann.

Das Hauptergebnis des Forschungs- und Entwicklungs-Projektes wurde zur Basis einer Geräteentwicklung bei der Firma LLA Umwelttechnische Analytik und Anlagen GmbH (Berlin-Adlershof).

Strahlformung von UV- und IR-Impulslasern mit neuen Dünnschichtkomponenten

Durch neuartige Dünnschicht-Mikrooptiken konnten sowohl die passive Formung von Laserstrahlung und die Verbesserung der Einkopplung in den Resonator als auch die aktive Änderung der Strahlparameter erreicht werden.

In Zusammenarbeit mit dem Berliner Institut für Optik (BIFO) wurden großflächige Arrays von Mikrolinsen oder Mikrospiegeln (mit bis zu 105 Einzelelementen auf maximal 50 cm²) oder kleinflächige Arrays (einige cm²) hergestellt. Spezifischer Vorteil derartiger Optiken ist neben ihrer Kompaktheit, geringem Gewicht, Flexibilität und Integrierbarkeit in Mikrosysteme insbesondere die Möglichkeit der gezielten Beeinflussung ihrer spektralen Eigenschaften über Mehrschichtstrukturen. Die erreichten Linsendurchmesser betragen 25 µm bis 700 µm. Es lassen sich Brennweiten von < 1 mm bis zu > 60 mm realisieren. Die neuen Dünnschichtelemente erlauben den Einsatz vom UV- bis in den IR-Spektralbereich.

Zu den Anwendungsgebieten gehören die Bildaufnahme und -übertragung, optische Prozessoren, Laserstrahlformung und -steuerung (Kollimation, Homogenisierung, Fokussierung, Kopplung), Fasersensorik und neue Laserarchitekturen (Faserbündellaser, Mikrolaser, Laser mit selbstabbildenden Resonatoren).

Femtometer-Wellenlängenmonitor für Mikrolithographielaser

Seit 1996 wird in der Mikrolithographie die routinemäßige Realisierung von Strukturbreiten < 0,25 µm angestrebt. Eine Voraussetzung für diese Entwicklung ist der Einsatz von sehr schmalbandigen UV-Lasern als Lichtquelle für die Abbildung der Masken auf die Wafer. Die Entwicklungen konzentrieren sich dabei auf die folgenden Excimer-Laser-Typen: KrF bei der Wellenlänge 248 nm, ArF bei der Wellenlänge 193 nm und F₂ bei der Wellenlänge 157 nm.

Eine Bedingung für die Nutzung der Laser ist die Verfügbarkeit von spektrometrischer Meßtechnik zur quantitativen Charakterisierung der Laser-Linien. Wichtigster Geräte-Parameter bei der Laser-Linien-Messung ist das spektrale Apparateprofil. Bei Wellenlänge 248 nm beispielsweise wird für das Profil gefordert:
Halbwertsbreite < 0,2 pm, 95%-Breite < 1 pm.

Die Zielstellung des Forschungs- und Entwicklungs-Projektes bestand in der Entwicklung eines Funktionsmusters für einen Wellenlängenmonitor zum Vermessen der Laserlinien unter Erfüllung der o.g. Forderungen.

Die optische Anordnung mit wahlweise einfachem und doppeltem Durchgang am Echellegitter zur Variation der spektralen Auflösung und der photometrischen Effektivität wurde zum Patent angemeldet. Das Funktionsmuster des Wellenlängenmonitors wurde Grundlage der Entwicklung des Emission LIne Analyzing Spectrometers ELIAS der Firma LTB Lasertechnik Berlin.

Faseroptisches Thermometer

Ziel des Forschungs- und Entwicklungs-Projektes war die Entwicklung eines faseroptischen Temperatur-Meßgerätes zur Anwendung in der Medizintechnik und in der Industrie. Das Funktionsprinzip beruht auf der Temperaturabhängigkeit der Fluoreszenzabklingzeit speziell dotierter Gläser. Dabei besteht das Meßsystem aus dem eigentlichen Sensor zur Temperaturerfassung und einem Meßgerät zur Auswertung und Datenweitergabe. Der Sensor besteht aus einer Glasfaser, welche am Faserende, dem Meßkopf, mit einer kleinen Perle der speziell dotierten Gläser versehen ist (Durchmesser ca. 0,7 mm). Der besondere Vorteil eines faseroptischen Verfahrens im Vergleich zur herkömmlichen elektrischen Temperaturbestimmung ist die nahezu vollständige Unempfindlichkeit gegenüber Meßwertverfälschungen durch elektrische und elektromagnetische Störsignale.

Es wurde ein Prototyp mit folgenden Parametern entwickelt:

• Meßbereich: +10°C bis +60°C
• Auflösung: +0,05 K
• Absolutgenauigkeit: +0,1 K
• Ansprechzeit: 0,5 s

Mögliche Anwendungsbereiche des faseroptischen Thermometers sind störungsfreie, sehr genaue Temperaturmessungen in Bereichen hoher elektromagnetischer Feldstärken, in explosionsgefährdeten Bereichen, in der chemischen Industrie, der Mikroelektronik und der Medizin.

Bestimmung der Strahlungsparameter von UV- Hochleistungsstrahlern

Radiometer zur Ermittlung der Strahlungsparameter von UV-Hochleistungsstrahlern müssen folgende Kriterien erfüllen:

• Detektion von Strahlung im Wellenlängenbereich 200...400 nm
• Verlustarme Leitung der Strahlung vom Sender (UV-Strahler) zum Detektor
• Ausfilterung bestimmter Spektralbereiche
• Temperaturstabilität bis zu mehreren 100^°C in der Strahlernähe
• Langzeitstabilität bei hohen Strahlungsdosen und hohen Temperaturen

Von den üblichen Materialien zur Strahlungsdetektion erfüllt nur Siliziumcarbid (SiC) alle diese Bedingungen. Optimal erwiesen sich ungefilterte bzw. gefilterte SiC-Fotodioden. Als Strahlungsleiter kommen UV-Glasfaserkabel und UV-Glasstäbe in Frage. Als Dämpfungsmaterialien eignen sich Quarzglasscheiben und Teflonfolien.

Filtermaterialien sind nur bei geringen Bestrahlungsstärken von 10 bis 20 W/cm² und Temperaturen < 50°C stabil für Langzeitmessungen einsetzbar.

Im Ergebnis wurden Prototypen für OEM-Baugruppen zur Strahlerüberwachung sowie für ein Handmessgerät (UV-Radiometer) zur Bestrahlungsstärkemessung am Reaktionsort der Polymerisation entwickelt und aufgebaut.

Dünnschicht-Bauelemente mit komplexer Schichtstruktur

Das Ziel des Forschungs- und Entwicklungs-Vorhabens bestand in der Entwicklung komplexer Dünnschicht-Strukturen für ausgewählte moderne Gebiete der Lasertechnik.
Es wurden Technologien zur Herstellung von Dünnschicht-Bauelementen für Femtosekundenlaser, Optisch Parametrische Oszillatoren und IR-Laser entwickelt, sowie deren Realisierung mit kommerziell verfügbarer Beschichtungstechnik (Leybold APS 904).

Speziell wurden Designlösungen und angepaßte Technologien zur Herstellung folgender Elemente entwickelt:

• Dielektrische Reflektoren aus TiO₂-SiO₂ mit erhöhter Laserfestigkeit durch zusätzliche HfO₂-Schichten, ohne Verringerung der Bandbreite, geeignet für den Einsatz bei Wellenlängen um 800 nm.
• Breitbandspiegel für synchrongepumpte Optisch Parametrische Oszillatoren mit hoher Reflexion für 1040-1330 nm und guter Transparenz von 705-930 nm, sowie Spiegel mit einem Reflexionsbereich von 1350-1600 nm bei hoher Transparenz von 720-790 nm.
• Antireflexionsbeläge für die sehr empfindlichen OPO-Kristalle KTP, KTA, CTA und RTA, angepasst an die unterschiedlichen Brechzahlen, Arbeits- und Pumpwellenlängen.
• Zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung durch Frequenzkonversion gelang es, Schichtsysteme auf der Basis HfO₂-SiO₂ mit hoher Reflexion bei 1500 nm und hoher Transmission für 280 nm, 355 nm und 532 nm zu entwickeln.
• Es wurden erfolgreich Laserspiegel für Erbiumlaser für den Spektralbereich um λ=2,9 µm durch plasmagestützte reaktive Elektronenstrahlverdampfung hergestellt.
• Durch Designauswahl sowie Analyse und Optimierung der Monitorierungsmethoden konnten die erreichbaren Systemparameter und die Genauigkeit sowie die Reproduzierbarkeit verbessert werden.

Femtometer-Wellenlängenmonitor für Argon-Fluorid-Mikrolithographielaser

Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung des Wellenlängenmonitors für Mikrolithographielaser, speziell zur Vermessung des ArF-Lasers bei 193 nm. Die Mikrolithographie zur Herstellung von elektronischen Schaltkreisen benutzt als Strahlungsquelle für die Beleuchtungseinheit der Abbildungssysteme von Wafersteppern in zunehmendem Maße schmalbandige Excimer-Laser. An die »spektrale Reinheit«, charakterisiert durch die Halbwertsbreite und die 95%-Breite sowie an die absolute Wellenlängen-Reproduzierbarkeit der Laser, werden Stabilitätsanforderungen im Bereich von 10^-6 bis 10^-7 relativer Änderung gestellt. Für den ArF-Laser werden eine Halbwertsbreite von unter 400 fm und eine 95%-Breite von unter 1,6 pm gefordert. Aufbauend auf den Erfahrungen bei der Entwicklung und dem Einsatz des Wellenlängenmonitors für KrF bei 248 nm, mußten Problemstellungen bearbeitet werden, die sich aus dem Übergang in den Grenzbereich zum Vakuum-UV (Wellenlängen < 200 nm) ergeben.

Anstelle der Lichtleitfaser-Beleuchtung wurde eine Reflexionsoptik auf der Basis eines Toroidspiegels entwickelt und erprobt. Zur Untersuchung von Transmissions- und Brechzahleffekten der Luft auf die Apparatefunktion und die absolute Wellenlängenkalibrierung wurde ein hermetisierbarer Versuchsaufbau erstellt. Die Messungen und Berechnungen ergaben in guter Übereinstimmung, daß bezüglich der Profilbreiten der Brechzahleinfluß auch bei einem nicht vollständig abgeschlossenen Aufbau beherrscht werden kann. Für die Absolutbestimmung der Laserwellenlänge müssen Luftdruck und Temperatur auf 0,5% genau homogenisiert und gemessen werden können. Die Evakuierung des hermetisierten Aufbaus liefert in jedem Fall Daten mit der erforderlichen Genauigkeit und ermöglicht die Verwendung einfacher und kostengünstiger Eichstrahler.

Die Ergebnisse zeigen, daß auf der Basis des patentierten Littrow-Echelle-Spektrometers mit wahlweise einfachem und doppeltem Durchgang am Echelle-Gitter ein Meßsystem erstellt werden kann, mit dem der ArF-Laser mit der für den Einsatz in der Mikrolithographie erforderlichen Genauigkeit vermessen werden kann.

Weitere erfolgreich abgeschlossene Forschungs- und Entwicklungs-Projekte