Микро- и нанообработка | Серошкальная литография трехмерных оптических структур

Методы обработки серого цвета позволяют использовать широкий спектр микрооптических элементов в различных приложениях. Как дифракционные, так и рефракционные микрооптические элементы могут быть обработаны с помощью методов контурной литографии и графического переноса травления. Некоторые из наиболее часто обрабатываемых микрооптических элементов включают дифракционную оптику с расщеплением луча, дифракционные элементы, формирующие луч, дифракционную оптику для рассеивания или равномерного распределения света, дифракционные линзы и массивы линз, преломляющие микролинзы и массивы микролинз (MLA), и другую фазово-модулированную оптику. Эта функциональная микрооптика была изготовлена на различных материалах подложки для применения в электромагнитном спектре, а также микрооптика для применения в спектре оптического излучения, начиная от глубокого ультрафиолета (DUV) при длине волны 157 нм до длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR) при длине волны 14 мкм. LWIR).

Литография в градациях серого достигается путем создания фотомаски таким образом, что интенсивность светового излучения, проходящего через маску, изменяется в зависимости от пространственного расположения. Для этого существует несколько методов, включая фотомаски с пространственно изменяющейся оптической плотностью, фотомаски с пространственно изменяющимся поглощением света и использование микроструктурированных масок переменного размера для изменения количества светового потока, проходящего локально в пределах маски. В технике обработки серых оттенков применяется один процесс реакции фотолитографии для травления желаемой микрооптической трехмерной структуры на фоточувствительном полимере.

Использование серошкальной фотолитографии дает разработчикам большую свободу в решении микрооптических задач путем комбинирования положительных (выпуклых) и отрицательных (вогнутых) поверхностей в одном оптическом элементе. Фоторезисты, сформированные из серых градаций, могут создавать анаморфные объективы или линзы "седловидной" формы с положительной или отрицательной кривизной вдоль ортогональной оси, что позволяет формировать седловидные преломляющие поверхности для коррекции волновых фронтов рассеяния изображения. Асферические объективы и параболические линзы, а также микрооптические элементы, выполняющие несколько функций на одной оптической поверхности, такие как фокусировка и расщепление луча, могут быть очень легко изготовлены с помощью обработки серой шкалы. Применение серошкальной литографии уже позволило получить нетрадиционные оптические элементы, среди которых микрооптические линзы с фазовой поверхностью, такие как зеркала с фазовой диффузией, интеграторы луча (или интеграторы пучка), решетки или генераторы пятен.

Примеры некоторых распространенных микрооптических структур, изготовленных методом серой литографии, показаны на рис. 1.1 и включают: гладкие дифракционные линзы Кайно (фазовые голографические), микрооптические элементы с фокусировкой и расщеплением луча на одной оптической поверхности, а также положительные и отрицательные МЛА с высоким коэффициентом заполнения. Методы реактивного ионного травления (RIE) могут применяться для постоянного переноса характерных контуров литографических рисунков на поверхность подложки. Методы реактивного травления для переноса рисунка могут использовать устройства травления с емкостной связью или плазменные устройства высокой плотности, включая индуктивно-связанные плаз-маторы (ICP). В области микроэлектроники предпочтительный метод плазменного травления был модифицирован для успешного травления пластин, включающих функциональные микрооптические устройства, а стандартный промышленный процесс плазменного травления, используемый для оксидных материалов, кремния и сложных полупроводников, был усовершенствован, чтобы сделать его пригодным для обработки микрооптических структур для переноса на различные материалы подложек, упомянутые выше.

Рисунок 1.1 СЭМ-изображение типичного микрооптического элемента, обработанного с помощью процесса обработки в сером масштабе (включая дифракционные линзы, микрооптические элементы с функциями фокусировки и разделения луча, а также выпуклые и вогнутые массивы микролинз).