Die Gesetze der Physik diktieren, dass traditionelle Linsen Licht nicht auf einen Punkt konzentrieren können, der kleiner ist als die Hälfte seiner Wellenlänge. Durch besondere Wellen, so genannte Plasmonen, lässt sich diese Einschränkung allerdings umgehen. Die plasmonische Lithographie, bei der eine durch Plasmonen generierte Strahlung verwendet wird, um Strukturen in ein Substrat zu ritzen, verspricht eine Revolution in den Bereichen optische Speicher und Prozessorbau. Denkbar sind dabei ultradichte DVD-ähnliche Medien ebenso wie besonders leistungsfähige Computerchips. Forscher an der University of California, Berkeley, haben nun das größte Hindernis bei der Einführung der plasmonischen Lithographie überwunden: Sie bauten einen Prototypen, mit dem es möglich ist, plasmonische Linsen ganz nah an ein Substrat heranzubringen.
Angeführt von den Maschinenbauprofessoren Xiang Zhang und David Bogy schuf das Forscherteam eine Komponente, die sie "fliegende plasmonische Linse" getauft haben. Dabei handelt es sich um ein Array aus Lichtkonzentratoren, das in einer Höhe von nur 20 Nanometern über eine Oberfläche geführt werden kann. Die Lichtkonzentratoren bestehen aus konzentrischen Kreisen, die auf einen Dünnfilm aus Silber aufgebracht wurden. Werden sie mit einem Laser beleuchtet, beginnen die Elektronen auf der Oberfläche zu oszillieren. Diese oszillierenden Elektronen geben wiederum einen Strahlungstyp ab, der enger fokussiert ist als Licht, das durch eine konventionelle Optik geführt wird.
Das Problem: Die Strahlung kann sich nur rund 100 Nanometer von der Linsenoberfläche wegbewegen. Deshalb setzten die Forscher die Linse auf ein Gerät, das ein so genanntes Luftlager verwendet: Die Form des Gerätes führt dazu, dass ein Luftkissen unter ihm gebildet wird. Dadurch werden die Linsen automatisch rund 20 Nanometer von der Oberfläche entfernt gehalten. Beim Prototypen der Forscher bewegt das Lager das Linsenarray über einer Scheibe, die sich mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 12 Metern pro Sekunde dreht, was ein wenig an den Arm eines Plattenspielers erinnert, der die Nadel über einer Schallplatte hält.
Kenneth Crozier, Professor für Naturwissenschaften an der Harvard University, glaubt, dass die Nutzung des Luftlagers durch die Berkeley-Forscher ein zentrales technologisches Problem bei der Verwendung von Plasmonen lösen könnte. In den letzten Jahren nutzten Crozier und andere Forsche den Ansatz zwar, um Licht auf immer kleinere Punkte zu konzentrieren. Das praktische Problem der Entfernungskontrolle wurde dabei allerdings nie gelöst. Das Berkeley-Gerät bietet außerdem eine deutlich höhere Scangeschwindigkeit als seine Vorläufer.
Die verwendete Präzision erinnere an eine Boeing 747, die nur zwei Millimeter über dem Erdboden schwebt, meint Zhang. Das Luftlager ähnelt tatsächlich der Gestaltung eines Flugzeuges: Zwei paar Pads auf dem Lager kontrollieren die Höhe ähnlich wie bei der Nase eines Jets.
Der plasmonische Ansatz sei eine Technologie, die vor allem deshalb so interessant sei, weil bessere Lösungen für die Lithographie im Bereich unter 20 Nanometern dringend benötigt würden, kommentiert John Hartley, Direktor des "Advanced Lithography Center" an der University of Albany. Bei der optischen Lithographie wird Licht durch eine Maske auf ein Substrat geschickt, beispielsweise einen Siliziumwafer, der mit einem lichtsensiblen chemischen Material, dem Fotolack, überzogen wurde. Dieser härtet aus, wenn das Licht ihn trifft und reproduziert damit das Muster auf der Maske, der Rest lässt sich wegspülen. Es ist auch damit möglich, kleinere Muster zu erzeugen, in dem Licht niedrigerer Wellenlängen verwendet wird, doch der Ansatz werde schnell unpraktisch, meint Zhang.
Licht kürzerer Wellenlängen hat eine höhere Energie und benötigt deshalb teure Laser oder im Falle extrem ultravioletten Lichts ein Synchrotron. Andere Technologien wie Elektronenstrahlen können zwar sehr feine Muster ohne Masken erzeugen, das aber nur seriell – also eine Struktur nach der Anderen. Die fliegende Linse der Berkeley-Forscher sei viel schneller und könne sogar noch schneller werden, wenn die Anzahl plasmonischer Linsen auf dem Array von heute 16 auf 100.000 erhöht werde, meint Zhang.
Bislang zeigten die Berkeley-Forscher, wie sich mit dieser Technik Linien einer Größe von 80 Nanometern ätzen ließen. Dies entspricht den besten heute verfügbaren optischen Technologien. Das schwerste sei aber gewesen, das System zur Entfernungskontrolle zu entwickeln, meint Zhang. Die Verkleinerung der Konzentratoren sei nun weniger schwierig, so dass sich die Auflösung rasch erhöhen lasse.
Doch hochauflösende Strahlen helfen wenig, so lange nicht eine neue Generation von Fotolack entwickelt wurde, der solche Muster auflösen kann. Der aktuell erhältliche wurde für deutlich breitere Lichtstrahlen entwickelt. Zhang meint, dass er derzeit mit Chemikern zusammenarbeite, um das Problem zu lösen.
Der Forscher glaubt, dass das neue Luftlager auch andere Nutzungsmöglichkeiten für plasmonische Technologien ermöglichen könnte. "Wenn wir 50 Nanometer drucken können, können wir auch Bilder mit 50 Nanometern aufnehmen." Die fliegenden Linsen könnte verwendet werden, um die Qualität von Computerchips bis ins Detail zu überprüfen oder bildgebende Verfahren in der Biologie zu verbessern. Vorstellbar wären in letzterem Bereich beispielsweise Geräte, die die Vorgänge in lebenden Zellen auf molekularer Ebene sichtbar machen. Zhang ist derzeit dabei, ein Spin-off zu gründen, um die von ihm entwickelte Technologie zu kommerzialisieren. Erste Kontakte zu Halbleiterherstellern wurden bereits hergestellt.
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