Quantum X align

Mit der von Quantum X align unterstützten Faserbeleuchtung lässt sich der Faserkern über den Touchscreen von Quantum X align einfach lokalisieren. Zunächst wird der Druckbereich auf dem Faserarray durch ein manuelles Alignment auf dem Touchscreen grob definiert. Quantum X align erkennt daraufhin automatisch die Position der Fasern mit Submikrometergenauigkeit und kompensiert während des Druckes kleinste Substratneigungen in alle Raumrichtungen.

Dazu erkennt eine Autofokus-Routine zunächst die Oberfläche der optischen Faser. Anschließend identifiziert das System den beleuchteten Faserkern und markiert die Mitte des Kerns als Ursprung eines virtuellen Koordinatensystems, an dem das Druckobjekt ausgerichtet wird. Die virtuelle z-Achse und ihre Ausrichtung im Raum wird bestimmt, indem das Substrat nach unten bewegt und die Position des Faserkerns an mehreren Stellen entlang dieser vertikalen Bewegung des Tisches identifiziert wird. Als Ergebnis wird die Ausrichtung der optischen Achse erkannt und als virtuelle z-Achse für einen neigungskompensierten Druck von Mikrooptiken mit Submikrometerpräzision festgelegt.

Um den 3D-Druck auf optischen Fasern zu ermöglichen, ist Quantum X align mit einem LED-Beleuchtungsmodul für Glasfasern ausgerüstet. Bis zu 32 Einzelfasern mit Standard PC- oder APC-Anschluss können an diese Einheit angeschlossen werden. Ein speziell entwickelter Substrathalter, der bis zu vier Faserarrays auf einmal aufnehmen kann, fixiert einzelne Fasern oder Faserarrays in einer definierten Position. Die beleuchteten Faserkerne lassen sich dann mit Hilfe der Liveansicht des 18,5-Zoll-Touchscreens von Quantum X align identifizieren. Über einfache Touchgesten auf dem Bildschirm wird der Positioniertisch zu jedem beliebigen Punkt innerhalb des 50 x 50 mm² großen Druckbereichs bewegt. Zusätzlich kann ein Fadenkreuz aktiviert werden, um das grobe Alignment auf dem Bildschirm zu erleichtern, und mittels intuitiver Gesten kann der sichtbare Bildausschnitt vergrößert und verkleinert werden.

Mit dem neuen Workflow können mehrere .stl- oder .obj-Dateien gleichzeitig geladen und zu einem einzigen Druckobjekt zusammenführt werden. Dies ermöglicht es dem Anwender Druckparameter wie Slicing, Hatching, Laserleistung oder Scangeschwindigkeit individuell für jeden einzelnen Teilbereich des Druckobjekts einzustellen. So können Stützstrukturen mit groben Parametern schneller gedruckt werden, während optische Teile wie die Oberfläche einer optischen Linse mit feineren Einstellungen gedruckt werden und so zu einer Oberflächenrauheit (Ra) von ≤ 10 nm führen. Natürlich stehen vordefinierte Druckparameter schon zur Verfügung, welche aber auch an das Design und spezifischen Anforderungen angepasst werden können. Die einzelnen Teile werden dann zu einem Druckprojekt zusammengeführt und in Quantum X align hochgeladen.

Die Anpassung der Druckparameter an die funktionalen Anforderungen des Druckobjekts spart wertvolle Prozesszeit und ermöglicht es Quantum X align, ein 8x V-Groove-Faserarray in weniger als 20 Minuten zu bearbeiten.

Quantum X align verfügt über ein hochpräzises konfokales Bildgebungsmodul für die 3D-Vermessung von Substrattopografien. Dieses Modul arbeitet mit dem Nahinfrarot-Lasers des Druckers und ist im Strahlengang integriert. Der Laserstrahl wird über die Probenoberfläche gescannt und das zurückgestreute Licht wird vom Konfokalmodul erfasst. Eine hochauflösende 3D-Topografie wird aus Einzelbildern zusammengesetzt, indem die Substratoberfläche mehrfach entlang der z-Achse gescannt wird. Eine räumliche Filterblende vor dem Detektor sorgt dafür, dass nur Licht aus der Fokalebene erfasst wird, was zu einer lateralen Erfassungsgenauigkeit von bis zu 100 nm führt. Somit misst das konfokale Modul echte 3D-Topografien und ist präziser als es über bildbasierte Messungen mit der Systemkamera möglich wäre.

Das 3D-Alignment des Druckobjekts basiert auf der hochauflösenden 3D-Topografiemessungen des Konfokalmoduls. Für die präzise Ausrichtung optischer Komponenten auf einem photonischen Chip identifizieren intelligente Software-Algorithmen automatisch vordefinierte Marker und Topografiemerkmale. Damit kann die genaue Position und Ausrichtung eines Wellenleiters auf dem Chip bestimmt werden. Ein virtuelles Koordinatensystem wird so auf den Ausgang des Wellenleiters gelegt, dass es perfekt auf dessen optische Achse ausgerichtet ist. Die gewünschten optischen Komponenten werden in Bezug auf dieses Koordinatensystem gedruckt, wodurch eine optimale optische Performance mit minimalen Kopplungsverlusten gewährleistet wird. Dies ermöglicht die effiziente Lichtkopplung durch Free Space Microoptical Coupling (FSMOC).

Senkrecht zur Substratoberfläche auf die Facette von Chips zu drucken, ist eine anspruchsvolle Aufgabe und erfordert nicht nur ein präzises Positionierungssystem, sondern auch intelligente Lösungen um den "Abschattungseffekt" zu überwinden: Da das Licht teilweise durch die Kante des Substrats (hier: Chip) blockiert wird, geht beim Druck auf eine Facette ein erheblicher Teil der Lichtintensität im Brennpunkt des Laserstrahls verloren. Nah an der Substratwand ist der Abschattungseffekt besonders stark ausgeprägt und erfordert daher eine höhere Belichtungsdosis für den Fotolack. Quantum X align kompensiert diesen Abschattungseffekt automatisch durch ein patentgeschütztes Verfahren und passt die Laserleistung während des Drucks dynamisch an. Das Ergebnis sind Mikrooptiken und andere Druckobjekte, die mit hoher Formgenauigkeit im Submikrometerbereich auf die Facette eines Substrats geschrieben werden.

Die Substrathalter von Nanoscribe garantieren eine präzise Fixierung und ermöglichen das Bedrucken der Facetten von Einzelfasern, Faserarrays und photonischen Chips. Darüber hinaus können Standardsubstrate wie Objektträger und Waferformate von 1" bis 6" problemlos verarbeitet werden. Der Interface-Finder von Quantum X align verfügt über zwei komplementäre Modi zur Reflexions- und Fluoreszenzdetektion der Substratoberfläche. In Kombination mit der Dip-in-Laser Lithography-Konfiguration (DiLL) können eine breite Palette von reflektierenden (z. B. Siliziumwafer), transparenten und undurchsichtigen Substraten (z. B. Glas- und Polymersubstrate) verwendet werden.

Dip-in Laser Lithography (DiLL) ist die Standardkonfiguration des Quantum X align. Diese proprietäre Technologie von Nanoscribe ermöglicht 3D-Mikrofabrikation mit höchster Präzision und zugleich geringster Aberration im Vergleich zu konkurrierenden Technologien. Bei dieser Konfiguration wird die Objektivlinse in den Fotolack eingetaucht, der so auch als optisches Immersionsmedium fungiert. Die Anpassung des Brechungsindexes zwischen der Fokussieroptik und dem Druckmaterial garantiert eine ideale, aberrationsfreie Fokussierung mit der höchsten Auflösung im 2PP-basierten 3D-Druck. Darüber hinaus wird der Laser nicht durch das Substrat fokussiert (z. B. bei der Ölimmersionskonfiguration), sondern schreibt das Druckobjekt direkt auf das Substrat. Folglich begrenzt der Arbeitsabstand der Fokussieroptik nicht die Höhe des 3D-gedruckten Objekts, was insbesondere für den Druck makroskaliger Objekte von Vorteil ist.

Mit dem hochmodernen Autofokussystem kann jedes Substrat mit höchster Präzision und wiederholbaren Druckergebnissen anvisiert werden. Drei Prozesskameras mit Live-Aufnahmen erleichtern die Steuerung und Überwachung des Druckprozesses. Ein automatischer Dispenser trägt die erforderliche Fotolackmenge auf das Substrat auf, sodass der Arbeitsaufwand im Labor insgesamt reduziert und die Arbeit mit dem System vom Büro oder Homeoffice aus möglich wird. Um den Wechsel zwischen Hardwarekonfigurationen zu vereinfachen, erkennt der Quantum X align automatisch Druckköpfe und Substrathalter. Dank smarter Softwarelösungen können Druckaufträge über die Remote-Access-Software nanoConnectX in Echtzeit gestartet und überwacht werden, wobei auch eine einfache Bedienung direkt über den interaktiven Touchscreen des Systems möglich ist. Diese flexiblen Softwarelösungen erleichtern insbesondere die Arbeit größerer Teams mit einem einzigen oder mehreren Systemen.

Quantum X align ist das optimale Gerät für die 3D-Mikrofabrikation in Hochgeschwindigkeit von Objekten mit Strukturbreiten im Submikrometerbereich, Oberflächenrauigkeitsprofilen von 5 nm und darunter (Ra-Wert) und Präzision im Nanometerbereich. Um höchste Präzision gewährleisten zu können, sind einige Vorkehrungen in Bezug auf das System und den Installationsort zu beachten. Quantum X align sollte einen festen Standort in einem Raum mit stabiler Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit haben. Der Drucker selbst wird mit einem Granitsockel geliefert, um den Einfluss von Vibrationen und Temperaturschwankungen in der Umgebung zu verringern. Dennoch ist zu empfehlen, das System in einem Raum zu installieren, der externe Vibrationen möglichst minimiert. Für den unproblematischen Umgang mit den UV-empfindlichen Fotolacken außerhalb des Druckers sollte der Raum mit Gelblicht ausgestattet sein und die Basisausstattung eines Chemielabors für den Umgang mit organischen Lösungsmitteln bei der Entwicklung der Druckerzeugnisse bereithalten.

Wenn Sie eine Vorstellung von der optimalen Arbeitsumgebung des Quantum X align bekommen möchten, kontaktieren Sie uns und besuchen Sie unser Microfabrication Experience Center in Karlsruhe oder buchen Sie Ihre Online-Tour.