Micro-Nano Processing | Préparation de micro-nanocomposants optiques

Les micro- et nano-éléments optiques désignent les surfaces optiques de forme libre et les éléments optiques microstructurés avec une précision inférieure au micron et une rugosité de surface de l'ordre du nanomètre. En raison de leur petite taille, de leur poids léger, de leur conception flexible, de leur facilité de mise en réseau et de reproduction par lots et d'autres avantages, ils peuvent compléter les composants optiques traditionnels et remplir de nouvelles fonctions, et constituer de nombreux nouveaux types de systèmes optiques. À l'heure actuelle, les réseaux de micro-éléments optiques ont été appliqués avec succès dans divers domaines de l'optique moderne, et ont des perspectives d'application très importantes dans les domaines militaire et aérospatial, de sorte que la préparation de micro-nano-éléments optiques est également devenue une direction de recherche importante dans le domaine du micro-usinage de surface.

Les méthodes de préparation des éléments micro- et nano-optiques se répartissent en deux catégories principales :

Une catégorie est la technologie d'usinage ultra-précis, qui utilise principalement des outils pour modifier la forme du matériau ou détruire la couche superficielle du matériau, sous la forme d'une coupe pour obtenir la forme requise. L'avantage de ces méthodes est que le processus de traitement est simple et qu'il est possible de traiter des micro-nanostructures tridimensionnelles plus complexes. L'inconvénient est que le coût de traitement est très élevé, que la gamme de traitement est limitée et qu'elle ne convient qu'au traitement de l'aluminium, du cuivre, ainsi que du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et d'autres matériaux, et que l'efficacité du traitement est faible ;

Une autre catégorie est également la préparation actuelle des micro-nano-composants optiques de la technologie principale, qui est une combinaison d'une variété de technologies modernes de microfabrication de méthodes de traitement optique. Les plus représentatives d'entre elles sont la technologie optique binaire et la technologie d'écriture directe de micro-nano-éléments optiques. Les méthodes de traitement optique présentent l'avantage de pouvoir traiter n'importe quelle lentille à surface irrégulière (en particulier les éléments optiques binaires) et peuvent être reproduites à grande échelle. Les principaux défauts de leur processus de traitement sont la complexité et les coûts de traitement élevés, en particulier pour certains matériaux optiques importants, tels que le quartz, le traitement du GaAs avec une structure tridimensionnelle complexe, lisse et continue, ce qui constitue toujours une difficulté majeure.

La technologie optique binaire combine la photolithographie, le masque, la gravure et la technologie de revêtement ainsi que d'autres technologies de traitement modernes. C'est la technologie principale pour la préparation de micro-nanocomposants optiques diffractifs, elle est principalement basée sur la technologie de microfabrication pour produire une forme de surface en escalier multiphase afin d'approximer continuellement la forme de surface optique continue, afin d'obtenir le nombre d'étapes de la structure binaire de puissance n, il est nécessaire d'utiliser un groupe de différentes périodes de masque pour la sous-exposition (illustré à la figure 1.7), comme la photolithographie, le développement et la gravure (après la gravure à sec) peuvent obtenir une structure en deux étapes, de même après n séries de gravure, vous pouvez obtenir une structure binaire de puissance 2, et ainsi de suite. Ainsi, après la photolithographie, le développement et la gravure (la gravure à sec est la principale étape), on peut obtenir une structure en deux étapes, de même qu'après n séries de gravures, on peut obtenir 2 n fois une étape, grâce à la production d'étapes à plusieurs niveaux, on peut obtenir des composants optiques micro-nanométriques à haut rendement. La figure 1.8 présente une micrographie électronique d'un réseau de microlentilles à plan focal de phase préparé à l'aide de la technologie de l'optique binaire.

L'avantage de la technologie optique binaire est qu'elle surmonte intelligemment les difficultés rencontrées dans le traitement d'une forme de phase continue, créant ainsi une nouvelle orientation très importante pour la préparation d'éléments nano-optiques diffractifs à haute efficacité, et qu'elle peut être appliquée à une large gamme de matériaux. Le principal inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite plusieurs étapes de collage, de cuisson, de développement, de gravure, de décollage et de nettoyage, et qu'elle doit donc surmonter les problèmes d'alignement causés par le processus de superposition multiple, en raison de l'équipement coûteux nécessaire, de la complexité des étapes de traitement et de l'ajout d'une étape pour obtenir des éléments optiques à haute efficacité de diffraction. Le principal inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite plusieurs étapes telles que le déversement de colle, la cuisson, le développement, la gravure, le nettoyage, etc., et qu'elle doit donc surmonter les problèmes d'alignement causés par le processus de superposition multiple consistant à créer un autre motif sur le substrat existant, et qu'il s'agit d'un processus coûteux et difficile en raison de l'équipement coûteux nécessaire, de la complexité des étapes de traitement et de l'ajout d'une étape afin d'obtenir une efficacité de diffraction élevée de l'élément optique.

La technologie d'écriture directe de micro-éléments optiques intègre diverses technologies d'écriture directe, notamment la technologie d'écriture directe par faisceau d'électrons, la technologie d'écriture directe par faisceau laser, le traitement par sous-faisceau de focalisation et l'imagerie par masque de trame, etc., et se combine à la technologie de réplication et à la technologie d'électroformage pour préparer divers micro-éléments optiques diffractifs et réfractifs. Le principal processus de préparation consiste tout d'abord à contrôler diverses techniques d'écriture directe par le biais du système de balayage informatique pour traiter les microstructures de relief de surface continu sur la surface de différents matériaux, tels que le verre, le quartz, le silicium, le GaAs, le Cu, l'Al et la résine photosensible, avec une résolution caractéristique transversale supérieure à 5um et une haute résolution supérieure à la structure de relief de surface continu, et les matériaux présentant ces caractéristiques de microstructures de relief peuvent être directement utilisés comme micro-nano-éléments optiques (par exemple, le quartz, le silicium, le GaAs, le Cu, l'Al et les résines photosensibles). Les matériaux présentant ces caractéristiques de microstructures en relief peuvent être directement utilisés comme micro-nano-éléments optiques (quartz, silicium, GaAs, Cu, Al, etc.) ou peuvent être transférés à la surface d'autres matériaux (résine photosensible) par des techniques d'électroformage et de réplication pour la production de masse.Le principal avantage de la technologie de l'écriture directe pour les micro-nano-composants optiques est qu'elle permet de produire des microstructures à relief de surface continu, en évitant les étapes de traitement complexes de la méthode optique binaire et en résolvant les problèmes d'alignement liés aux expositions multiples de la méthode optique binaire. Cependant, son principal inconvénient est l'introduction du traitement par écriture directe de cette méthode de traitement point par point, la vitesse de traitement est relativement lente, et l'équipement de traitement par écriture directe requis est très coûteux, de sorte que dans le traitement du quartz, du GaAs, du verre et d'autres matériaux optiques importants, il y a un coût élevé, une faible efficacité, ce qui affecte grandement son application future. La figure 1.9a présente une photographie d'une microlentille diffractive en silicium obtenue par traitement par faisceau d'ions focalisés, et la figure 1.9b présente un réseau de microlentilles obtenues par écriture directe par faisceau laser.

En outre, Whitesides et al. ont proposé une méthode basée sur la lithographie à microlentilles, dans laquelle des réseaux micro-optiques ont été préparés sur un matériau en polydiméthylsiloxane PDMS. Tout d'abord, un réseau de microlentilles à structure microhémisphérique est préparé sur la surface de la résine photosensible par photolithographie et fusion thermique, et ce réseau de microlentilles est utilisé pour focaliser davantage la lumière passant à travers la plaque de masque originale sur une autre surface de résine photosensible, de sorte qu'un réseau de microstructures ayant la même forme que celle de la plaque de masque originale mais avec une taille considérablement réduite est obtenu après exposition et développement de la surface de la résine photosensible, et enfin, le réseau microstructuré est reproduit par le PDMS, qui est obtenu. Enfin, des micro-éléments optiques en PDMS avec des applications optiques spéciales peuvent être obtenus par réplication en PDMS. L'avantage de cette méthode réside dans l'utilisation intelligente de la lithographie par projection avec focalisation des réseaux de microlentilles pour obtenir des composants optiques à l'échelle du micro-nanomètre ; le principal inconvénient de cette méthode réside dans sa limitation au PDMS, qui est un matériau polymère malléable, alors que la plupart des matériaux optiques importants, tels que le GaAs, le quartz, etc. ne peuvent pas être traités. Les réseaux de microlentilles diffractives préparés par lithographie par projection focalisée à l'aide de réseaux de microlentilles sont présentés à la figure 1.10.

Cet article est extrait de Novel Electrochemical Processing Methods for the Preparation of Three-Dimensional Micro- and Nanostructures on Semiconductor and Metal Surfaces and Their Applications (Nouvelles méthodes de traitement électrochimique pour la préparation de micro et nanostructures tridimensionnelles sur des surfaces semi-conductrices et métalliques et leurs applications).LesUniversité de Xiamen, Zhang Li. Pour plus d'informations, veuillez consulter l'article original.