• Elemente optice difractive

S-au realizat structuri demonstrative de elemente optice difractive (DOE) cu functionare prin reflexie: lentile Fresnel si element optic difractiv generator de configuratii.
Pentru realizarea demonstratoarelor au fost necesare realizarea unor programe de simulare-proiectare (programe home-made cuplate cu programe comerciale), elaborarea si optimizarea unor procese tehnologice noi, precum si a unor tehnici de caracterizare specializate.

• Lentile Fresnel de tip difractiv

Aceste tipuri de lentile pot fi realizate fara aberatii spre deosebire de lentilele obisnuite sferice si au un pret de fabricatie  mult mai scazut decat lentilele asferice de tip refractiv.
S-au proiectat simulat si realizat lentile Fresnel difractive cu distante focale de 3, 4, 5, 6 si respectiv 7 , cm pentru o radiatie incidenta cu lungimea de unda 630 nm. Cipurile au dimensiunea de 5x5 mm2, lentila propriu-zisa avand diametrul de 4 mm.
Geometria lentilelor cu doua nivele este de forma celei din fig.1 si sectiune prin structura este data in fig. 2. Structura consta din inele concentrice de latime descrescatoare de la centru spre margine. Structurile cu 4 nivele aproximeaza mai bine lentilele Fresnel sferice (sectiunea data in fig. 3). Detaliul minim (latimea ultimului inel) pentru lentilele cu 2 nivele este ~5 mm. Structura consta din inele concentrice de latime descrescatoare de la centru spre margine., iar pentru cele cu 4 nivele este ~2.5mm (pentru lentilele cu distanta focala 3 cm). Structura consta din inele concentrice de latime descrescatoare de la centru spre margine –fig.1.

Fig. 1. Imagine de ansamblu- masca  pentru lentila cu distanta focala 50 mm.

Fig. 2 Sectiune prin structura lentilelor Fresnel cu 2 nivele.

Fig. 3   Sectiune prin structura lentilelor Fresnel cu 2 nivele

Lentilele au fost proiectate pentru functionale la lungimea de unda 630 nm. Adancimea de corodare pentru elementele difractive cu 2 nivele este aprox. 150-160 nm (l/4). In cazul celor cu 4 nivele diferenta intre 2 nivele este ~75- 80 nm ((l/8).

Procesul tehnologic consta in etape de fotolitografie si corodare in plasma. Structurile sunt realizate intr-un strat de SiO2 depus pe substrat de siliciu. Procesul de corodare in plasma a fost optimizat pentru a obtine adancimile dorite. Pentru obtinerea elementelor difractive cu 4 nivele a fost necesara alinierea celor doua masti cu o precizie mai buna de 2 µm. Structurile obtinute au fost metalizate (Au-40 nm) pentru a imbunatati proprietatile de reflexie.

Imagini ale structurilor obtinute sunt date in fig. 5 (imagini optice) si 5 (imagini SEM). Imaginile SEM ale structurilor cu 2 si 4 nivele (fig. 2.23 si respectiv 2.24) indica o corodare uniforma, margini bine delimitate, fara defecte. Structuri cu 4 nivele si detalii micronice sunt obtinute pentru prima data in Romania.

Fig. 4 a. Imagine optica a unei lentrile Fresnel cu 2 nivele,
distanta focala (inainte de metalizare)- zona centrala

Fig. 4..a Imagine optica a lentilei cu 4 nivele, distanta focala 6 cm, dupa depunere Au (zona centrala)

Fig. 5a . Imagine SEM (detaliu) – lentila Fresnel cu 2 nivele

Fig. 5b. Imagine SEM (detaliu) - lentila Fresnel cu 4 nivele.

Adancimea de corodare s-a determinat cu profilometru tactil (numai la DOE cu 2 nivele)  si cu profilometru optic. De asemenea s-a facut o estimare a adancimii lde corodare din imaginile SEM obtinute pentru probele in pozitie inclinata.
Profilometrul tactil a indicat pentru prima etapa de corodare o adancime de 140-150  nm. Imaginile SEM indica o adancime in jur de 150 nm (fig. 6).
Pentru structurile cu 4 nivele profilometria optica (fig. 7) a indicat diferente intre doua nivelede aprox.  ~ 70 nm nm si astfel nivelel sunt 0, 70 nm, 140 nm si 200 nm).

Fig. 6. Imagine SEM pentru o lentila cu doua nivele - estimarea adancimii de corodare .

Fig. 7. Rezultate profilometrie optica pentru structuri cu 4 nivele
(se observa diferenta dintre niv. 4 si 1 este de 200 nm si dintre nivelul 3 si 1 de 140 nm;
rezulta ca diferenta dintre nivelele 3 si 4 este de 60 nm)

Functionarea a fost verificata prim masurarea distantei focale. S-au obtinut rezultate in concordanta cu proietul: 3, 4, 5, 6 si respectiv 7 cm

In fig. 8 se dau doua imagini ale spotului din focar. Se observa o buna focalizare atat pentru structura cu 4 nivele, cat si pentru cea cu 2 nivele.

 
a)                                            b)
Fig. 8. Imagine a spotului in focarul unei structuri cu 4 nivele (fig. a),
si respectiv a unei structuri cu 2 nivele (fig. b)

Element optic difractitv tip generator de configuratii care permite obtinerea logo-ului IMT.

S-a proiectat un element optic difractiv complex cu functionare in reflexie cu dimensiunea de 1024 µm ×1024 µm si cu latura pixelului sub 1 µm. Acest element optic permite reconstructia in camp indepartat a logo-ului „IMT”. Pentru proiectarea elementului optic difractiv s-a folosit softul 3Lith existent in cadrul Institutului de Microtehnologie Bucuresti.  Elementrul difractiv este cu 2 nivele. Lungimea de unda de lucru este de 635 nm.
Geometria elementului optic difractiv este data in fig. 9. Elementul optic difractiv a fost realizat prin scrierea directa cu fascicul de electroni itr-un strat de PMMA de 160 nm grosime. Pixelul este de 1 1 mm Dupa expunere polimerul se developeaza (zonele expuse se indeprteaza) si apoi se depune un strat de Au (~ 20nm) cu rol de reflectant.

Fig. 9 Imaginea elementului optic difractiv.

Fig. 10. Imagine SEM- detaliu al elemntului difractiv (unitatea de masura- 2 mm).

Se observa ca dimensiunea pixelului este de aprox. 1000nm. Se observa ca pixelul este patrat, cu colturile nerotunjite, ceea ce indica faptul ca doza de expunere a fost cea corecta.

Imaginea reconstituita de acest DOE obtinuta este data in fig. 11

Fig. 11. Imaginea reconstruita in camp indepratat