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Atividade Financiada

Litografia por interferência laser para fabrico de sistemas nanooptoeletromecânicos e ótica difrativa

Laser Interference Lithography setup for NOEMS and diffactive optics fabrication

Referência
2023.14854.PEX
Data de Início do Projeto
2025-02-03
Data de Fim do Projeto
2026-08-02
Investigador Principal
Área Científica
Ciências da engenharia e tecnologias
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos Exploratórios em Todos os Domínios Científicos 2023

Resumo

Moduladores óticos são components essenciais em telecomunicações, espetroscopia e microfabricação. Moduladores externos atuam no feixe do laser após a sua geração, em guias de onda, fibras óticas, ou em espaço livre, e dependem tipicamente na propagação da luz através de materiais óticos não lineares para alterar localmente o índice de refração ou absorção do material, permitindo a modulação da amplitude, fase, polarização ou direção de um feixe contínuo ou pulsado. Apesar destes moduladores apresentarem elevada resposta em frequência (até MHz e GHz), requerem elevadas tensões de modulação, têm estreita largura de banda espetral, e têm uma resposta com forte dependência do comprimento de onda. Moduladores mecânicos de espaço livre, como choppers, ou espelhos ou gratings MEMS, oferecem uma modulaçao de intensidade agnóstica ao comprimento de onda com elevados taxa de extinção até algumas dezenas de kHz, e modulaçoes de baixo sinal até algumas centenas de kHz. Recentemente o INL demonstrou um modulador ótico MEMS baseado em gratings com uma abertura de 100x100 µm2 e operação a 290 kHz, apresnetando uma cobertura do obturador de 35%, limitado pelo deslocamento da atuação e o passo de 2 µm do grating. Para alcançar a operação a 1 MHz com elevadas taxas de extinção (cobertura completa do obturador), um grating periódico com passo submicrométrico tem de ser alcançado. Sistemas nano-opto-eletro-mecânicos (NOEMS) juntam a nanofotónica e a optomecânica para confinar campos eletromagnéticos e de deselocamento à nanoescala. O fabrico destes dispostiivos depende nos avanços dos métodos de nanofabricação alavancados pelas tecnologias de CMOS e ao nível de foundry. Os requisitos de alinhamento de das características dos dispositivos NOEMS variam entre a escala nano (ótico) e centenas de microns (eletromecânico), e dependem de litografia por feixe de eletrões (e-beam) ou por stepper para produção. A litografia de e-beam é uma técnica sem máscara que permite resoluções até 10 nm mas requer o deslocamento de um feixe focado no resist para definir as estruturas, limitando o throughput. A fotolitografia por stepper utiliza radiação ultravioleta profunda (?~248-193 nm) ou extrema (?~13 nm) e máscaras pré-fabricadas de elevado custo para expor nanoestruturas no photoresist. Os avanços na magnificação e multipla padronização permitiram alcançar dimensões até 8 nm. Dispositivos nanofotónicos consistem em nanoestruturas periódicas para alcançar as suas funções óticas. A combinação de NOEMS com gratings periódicos e metamateriais sub-comprimento de onda permitiram alcancar o ajuste dinâmico de algumas destas propriedades óticas. A litografia por interferência de laser (LIL) é uma técnica flexível e poderosa para produzir nanoestruturas periódicas de elevada resolução em áreas grandes sem recorrer a máscaras. O LIL tira proveito da interferência que ocorre na região de sobreposição entre múltiplos feixes coerentes, onde a periodicidade (?) é dependente do comprimento de onda (?) e o ângulo entre o feixe e o susbtrato. A intensidade do padrão de interferêcnia e a curva de contraste do photoresist define o duty cycle e a nitidez das nanoestruturas, permiindo a definiçao de linhas-espaços assimétricos, onde as dimensões podem ser mais pequenas que metade do período de interferência. O LIL tipicamente requer a exposição de áreas tão largas como a sobreposição de múltiplos pontos do feixe, resultando em distorções nas suas periferias, que devem ser tipoicamente removidas em passos do processo subsequentes par adefinir a região ótica ou abertura do dispositivo. No entanto, o LIL pode ser combinado com outros métodos de litografia no mesmo photoresist para maior flexibilidade na definição das estruturas. Recentemente, uma exposição LIL combinada com uma litografia de greyscale secundária foi demontrada para produzir nanogratings com a mesma periodicidade e largura de linha variável (larguras entre 110-250 nm, ?=600 nm, ?=405 nm). Duma forma semelhante, passo adicional de exposição utilizando uma máscara de abertura pode ser empregue para elimnar as nanoestruturas periódicas fora da região de interesse. O projeto proposto LIL4NOEMS tira partido da experiência prévia da equipa do INL no desenvolvimento de processos de litografia e microfabricação, no desenvolvimento de MEMS e NEMS eoticos, e em ótica não linear e desenho de sistemas óticos. O objetivo do projeto LIL4NOEMS é desenvolver e explorar um novo método para definir estruturas fotónicas e metasuperfeicies sub-micrométricas na área ótica ativa de um dispositivo NOEMS juntamente com a definição das estruturas eletromecânicas à microescala, sem recorrer a litografia de e-beam ou stepper. Neste conceito, um setup LIL multi feixe será desenvolvido e combinado com métodos de litografia secundária para permitir a definição de estruturas periódicas à micro e nano escala até 200 nm, com o objetivo de aplicação de um modulador ótico obturador NOEMS com elevada taxa de extinção a operar até 1 MHz.

Instituições

Instituições Principais

  • International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL)

Financiamento 49.998,75 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

49.998,75 €