Micro y nanoprocesamiento | Litografía en escala de grises de estructuras ópticas tridimensionales

Las técnicas de procesamiento a escala de grises permiten utilizar una amplia gama de elementos microópticos en diversas aplicaciones. Los elementos microópticos difractivos y refractivos pueden procesarse mediante técnicas de litografía de contornos y transferencia de grabado gráfico. Algunos de los microópticos más comúnmente procesados incluyen ópticas difractivas de división de haces, elementos difractivos de formación de haces, ópticas difractivas para dispersar o distribuir uniformemente la luz, lentes difractivas y conjuntos de lentes, microlentes refractivas y conjuntos de microlentes (MLA), y otras ópticas de fase modulada. Estas microópticas funcionales se han fabricado en una variedad de materiales de sustrato para aplicaciones en el espectro electromagnético, así como microópticas para aplicaciones en el espectro de radiación óptica, que van desde el Ultravioleta Profundo (DUV) a 157nm hasta el Infrarrojo de Onda Larga (LWIR) a 14μm. LWIR).

La litografía en escala de grises se consigue creando una fotomáscara tal que la intensidad de la radiación luminosa transmitida a través de la máscara varíe con la ubicación espacial. Para ello existen varios métodos, como las fotomáscaras con densidad óptica espacialmente variable, las fotomáscaras con absorción de luz espacialmente variable y el uso de máscaras microestructuradas de tamaño variable para modular la cantidad de flujo luminoso transmitido localmente dentro de la máscara. La técnica de procesamiento en escala de grises aplica un único proceso de reacción fotolitográfica para grabar la estructura tridimensional microóptica deseada sobre un polímero fotosensible.

El uso de la fotolitografía en escala de grises ofrece a los diseñadores una mayor libertad para resolver problemas microópticos combinando superficies positivas (convexas) y negativas (cóncavas) en el mismo elemento óptico. Las fotorresinas conformadas a partir de escala de grises pueden producir objetivos anamórficos o lentes en forma de "silla de montar" con curvatura positiva o negativa a lo largo del eje ortogonal, lo que permite la formación de superficies refractivas en forma de silla de montar para corregir los frentes de onda de dispersión de la imagen. Los objetivos asféricos y las lentes parabólicas, así como los elementos microópticos que realizan múltiples funciones en una única superficie óptica, como el enfoque y la división del haz, pueden fabricarse muy fácilmente utilizando el procesamiento en escala de grises. La aplicación de la litografía a escala de grises ya ha producido elementos ópticos no tradicionales, entre ellos lentes microópticas de superficie de fase, como espejos de difusión de fase, integradores de haz (o integradores de haz), rejillas o generadores de puntos.

En la figura 1.1 se muestran ejemplos de algunas estructuras microópticas comunes fabricadas mediante litografía a escala de grises: lentes difractivas Kaino lisas (holográficas de fase), elementos microópticos con enfoque y división del haz en la misma superficie óptica, y MLA positivos y negativos con factores de relleno elevados. Para transferir permanentemente los contornos característicos de los patrones litográficos a la superficie del sustrato pueden aplicarse técnicas de grabado iónico reactivo (RIE). Los métodos de transferencia de patrones de grabado reactivo pueden utilizar dispositivos de grabado de acoplamiento capacitivo o dispositivos de plasma de alta densidad, incluidos los grabadores de plasma de acoplamiento inductivo (ICP). En el campo de la microelectrónica, la técnica de grabado por plasma preferida se ha modificado para permitir el grabado satisfactorio de obleas que incluyen dispositivos microópticos funcionales, y el proceso de grabado por plasma estándar de la industria utilizado para materiales de óxido, silicio y semiconductores compuestos se ha mejorado para hacerlo adecuado para el procesamiento de estructuras microópticas para su transferencia a los diversos materiales de sustrato mencionados anteriormente.

Figura 1.1 Imagen SEM de un elemento microóptico típico procesado mediante el procedimiento de transformación a escala de grises (incluidas lentes difractivas, elementos microópticos con funciones tanto de enfoque como de división del haz, y conjuntos de microlentes convexas y cóncavas).