CRLs producidas mediante el proceso LIGA

El proceso LIGA (abreviación de litografía, galvanización y conformado, del alemán) es adecuado para lograr microestructuras de alta relación de aspecto en plásticos o metales. Permite la elaboración de microestructuras de unos milímetros de alto con una relación de aspecto de hasta 100. Las estructuras tienen paredes laterales paralelas con una rugosidad superficial en el orden de los 15 nm. Hay cierta libertad en la elección de la geometría de dichas estructuras (hechas mediante la exposición de las máscaras de absorción de rayos X a un haz de electrones).

Se pueden distinguir los siguientes tipos de lentes refractivas de rayos X:

Lentes refractivas de rayos X parabólicas, con foco lineal o puntual compound refractive lenses (CRLs)

Para evitar la aberración esférica, las superficies refractantes deben tener una forma parabólica, paralela a los rayos X incidentes. Las lentes con foco lineal son perpendiculares al sustrato (Fig. 1, aquí denominado tipo A). Las lentes con foco puntual están compuestas por lentes con foco lineal horizontal y lentes con foco lineal vertical, cuyos planos focales coinciden para formar un foco puntual. Para eso se elaboran lentes con foco lineal a ±45° sobre el sustrato. Básicamente hay dos posibilidades: las lentes con foco lineal horizontal y vertical se encuentran divididas, primero unas y después las otras (imagen 1, tipo B), o se encuentran alternadas (Fig. 1, tipo C). El tipo B tiene la ventaja de que los elementos del objetivo se pueden separar fácilmente de los extremos para ampliar la distancia focal hasta la longitud deseada. Además, la fabricación es más sencilla que con el tipo C. Con el tipo B, la media lente que está más cerca del foco debe tener una distancia focal más corta y, por tanto, contener más elementos de lente que la otra media lente. Sin embargo, en comparación con el tipo C, el tipo B es fuertemente astigmático si se cambia la energía de fotones E. Esto se debe a que las distancias focales de ambas semilentes cambian proporcionalmente a E2, pero la distancia entre los centros de las dos semilentes permanece invariable. Con el tipo C, los centros de las semilentes pueden situarse en el mismo plano, lo que reduce considerablemente el astigmatismo. La exposición oblicua a ±45° presenta algunas desventajas (véanse las exposiciones oblicuas en el proceso LIGA), por lo que actualmente sólo se fabrican CRL de tipo D (Fig. 1, tipo D). Como esta disposición no se puede exponer directamente, las medias lentes se exponen por separado perpendicularmente al sustrato y después se posicionan manualmente una con respecto a la otra y se unen entre sí. En el tipo D, los elementos de la lente se colocan con una separación, lo que facilita la separación de los elementos de la lente antes de montar las medias lentes.

Fig. 1: Focalización de rayos X con lentes refractivas: foco lineal (A), foco puntual (B a D)

La figura 2 muestra una plaqueta de lentes real con 25 lentes con foco lineal (tipo A), elaborada en el Instituto de Ingeniería Microestructural (“Institut für Mikrostrukturtechnik” o IMT), en el Centro de Investigación de Karlsruhe GmbH [Naz 2004]. El número de lentes individuales en cada fila de lentes varía entre 3 y 128.

Fig. 2: Ejemplo de una plaqueta de lentes con 25 lentes refractivas de rayos X (LIGA) con foco lineal (izquierda ) y detalle de las lentes y su reflejo en el sustrato (derecha, ©01)

La figura 3 muestra una vista macro de una plaqueta de lentes de silicio con 16 lentes refractivas de rayos X (IMT) con foco puntual (tipo B). Cada fila tiene una cantidad distinta de lentes con distintos radios de curvatura. Para cada fila de lentes se puede ajustar la distancia focal de acuerdo a la energía de los fotones, al remover una cierta cantidad de lentes. De esta forma se pueden ajustar las distancias focales horizontal y vertical independientemente. Mediante este método, la distancia focal sólo se puede aumentar y es naturalmente irreversible. Los elementos innecesarios son retirados primeramente a mano con una aguja, y posteriormente soplando con nitrógeno gaseoso (Fig. 4). En el centro de la plaqueta de lentes se encuentran las estructuras que permiten la orientación de la trayectoria de los rayos X. La resolución de imagen alcanzada con estas lentes en microscopía de campo completo en 2017 fue de 180 nm por par de líneas.

Fig. 3: Ejemplo de una plaqueta de lentes con 16 lentes refractivas de rayos X (LIGA) con foco puntual (izquierda )  y detalle con algunas lentes removidas (derecha, ©01)

Fig. 4: Proceso de retirada manual de los elementos innecesarios  en una placa de lentes con 16 CRLs, fabricada usando la tecnología LIGA, ©01

La figura 5 muestra un CRL de enfoque puntual (tipo C) producido por dos exposiciones a ±45° y el enfoque resultante. La apertura utilizable del CRL se encuentra en la zona de intersección de las superficies parabólicas, marcada en rojo en la figura 5.

Fig. 5: CRL procesado a ±45° con enfoque puntual (izquierda) y enfoque puntual de una lente en el haz, la apertura real del CRL está marcada en rojo (derecha), ©01

La figura 6 muestra una placa de silicio serrada con siete filas de lentes de rayos X. Para el proceso de serrado, la oblea de silicio está pegada a una película adhesiva azul, que se retira posteriormente. Las medias lentes ya están dispuestas en la disposición para que puedan combinarse directamente.

Fig. 6: Placa de silicio aserrada con siete filas de lentes de rayos X

Sensores Hartmann-Shack y multi-CRL

El proceso de fabricación litográfica permite elegir libremente la geometría de las superficies refractivas. La figura 7 muestra una disposición de CRL paralelos de 18 x 18 (análogos al tipo D), estructurados como bloques contiguos. Los rayos X paralelos incidentes generan una rejilla de 18 x 18 puntos focales detrás de la óptica conocida como «sensor Hartmann-Shack». Si una muestra que debe analizarse se introduce en el haz cerca de la óptica, las fluctuaciones del índice de refracción de la muestra provocan un ligero desplazamiento de la posición de estos puntos focales. A partir del desplazamiento local de los puntos focales puede calcularse una imagen de la muestra.

Abb. 7: Sensor Hartmann-Shack, una disposición de 18 x 18 CRL paralelos, ©01

Una disposición muy similar se muestra en la Figura 8, donde 9 x 9 CRLs están dispuestos de manera que todos los CRLs están alineados a un punto a la izquierda del CRL multifoco. Si una muestra se encuentra en este punto común, el CRL multifoco genera 9 x 9 imágenes de la muestra en un detector situado a la derecha de la óptica. Esto significa que se utiliza una proporción mayor de la radiación incidente para la obtención de imágenes que si se utilizara un solo CRL. A continuación, las 81 imágenes individuales pueden combinarse en una única imagen mucho más brillante.

Abb. 8: CRL multifocal con 9 x 9 CRLs, ©01

Lentes de Fresnel

Como la longitud del camino óptico a través del material de la lente para los rayos de borde en los perfiles parabólicos aumenta en proporción al cuadrado de la abertura de la lente, la abertura máxima utilizable suele limitarse a unos cientos de micrómetros debido a la absorción del material. El efecto de refracción utilizado para la función de las lentes tiene lugar en la superficie de los elementos de la lente. Por tanto, es posible obtener aberturas mayores si se elimina el material del interior de las lentes, como en las denominadas lentes Fresnel (Fig. 9).

Fig. 9: La formación de lentes de Fresnel: a) perfil parabólico, b+c) material que puede ser retirado sin cambiar significativamente las propiedades ópticas, d) diseño más compacto mediante el desplazamiento de los elementos restantes, e) Abatimiento de uno de cada dos elementos, para que el solvente pueda penetrar más fácilmente (©01) 

Las micro-lentes de Fresnel son técnicamente difíciles de elaborar debido a que las estructuras, prácticamente triangulares y muy delgadas (Fig. 10), se curvan en los bordes en la exposición a rayos X o se deforman en el desarrollo de la estructura. Estos efectos disminuyen la efectividad de las lentes en los bordes y restringen nuevamente la apertura máxima utilizable.

Fig. 10: Lente de Fresnel con foco lineal galvanizada de níquel para fotones de alta energía (©01)

Para crear un foco puntual, se colocan dos CRL Fresnel de foco lineal, uno detrás del otro, girados 90° alrededor del eje óptico. Las figuras 11 y 12 muestran tales CRL Fresnel (correspondientes al tipo D de la figura 1).

Fig. 11: Imagen de microscopio electrónico de un CRL Fresnel de polímero, ©01

Fig. 12: Foto de un Fresnel CRL de polímero, ©01

Lentes-mosaicos

Otro concepto para lentes de gran apertura son las llamadas lentes-mosaicos. En este caso se retira material de tal forma que sólo quedan pequeñas partes, de forma casi triangular, del perfil parabólico original (Fig. 13).

Fig. 13: Lentes-mosaicos con gran apertura y foco puntual; el sustrato de silicio refleja fuertemente las microestructuras (©01)

Lentes-Clessidra y lentes prismáticas refractivas

Las llamadas lentes de Clessidra también permiten grandes aperturas (Fig. 14, [Jar 2008]). La forma externa de estas lentes recuerda a un reloj de arena. La palabra italiana para reloj de arena, «clessidra», dio nombre a las lentes. Cerca del eje óptico, los rayos X chocan contra unos prismas refractores y se desvían hacia el foco. Cuanto más lejos del eje óptico inciden los rayos X en la lente, más prismas atraviesan y mayor es el cambio de dirección.

Fig. 14: Esquema de una lente-Clessidra

Las mayores aperturas con la mayor transmisión media se consiguen con las lentes prismáticas refractivas (inglés: X-ray refractive prism lenses, XPL) [Sim 2008]. Estas lentes están compuestas por decenas de miles de prismas, cuyas bases son triángulos equiláteros. Los prismas están ordenados en una geometría distinta a la de las lentes-Clessidra, para lograr una mayor transmisión (imagen 15). Cada prisma desvía la dirección de los rayos en un ángulo muy pequeño. Como la distancia entre los prismas en cada fila es constante, la trayectoria de los rayos X a través del sector con prismas es casi circular. Cada prisma debe colocarse exactamente en la trayectoria curva de la luz de radiación a través de la lente, por lo que los prismas también se giran ligeramente de acuerdo con la trayectoria circular.

Fig. 15: Esquema de una lente prismática refractiva y detalles de la superficie de los prismas

La imagen 16 muestra la distribución de intensidad simulada a varias distancias detrás de un modelo de una lente prismática refractiva con sólo 170 prismas. El ancho de la línea focal brillante (roja) en el 5to plano corresponde aproximadamente con el ancho de de los prismas. Las líneas secundarias provienen de luz que se encontró entre dos filas de lentes o que fue reflejada completamente en una de las caras, levemente desviadas del eje óptico, de los prismas. Las franjas celestes en los bordes izquierdo y derecho de cada plano se forman con luz que no atravesó los prismas. La escala de colores corresponde al brillo que habría en el plano correspondiente sin lentes.

Fig. 17: Distribución de intensidad simulada detras de un modelo de una lente prismática refractiva de rayos X

Si se desea generar un foco puntual con una lente prismática de este tipo, se colocan dos de las lentes prismáticas fabricadas litográficamente para rayos X, una detrás de la otra, giradas 90° alrededor de la dirección del haz. Para aprovechar al máximo la abertura de entrada, la anchura de la óptica perpendicular a la dirección del haz debe coincidir con la altura de los prismas. Con una abertura de 1 mm x 1 mm, por ejemplo, se obtienen prismas de 1 mm de altura. Los prismas con una longitud de arista de 20 µm siguen siendo técnicamente viables para la litografía en profundidad con rayos X. De este modo, los prismas tienen una relación de aspecto de 1:50. Como las estructuras se desarrollan químicamente en húmedo después de la exposición, a continuación deben secarse. En este paso, se producen fuerzas capilares entre los prismas, lo que hace que se deformen y se peguen entre sí, dando lugar a un rendimiento óptico deficiente. Este efecto puede reducirse mediante la liofilización. Se consigue una mejora adicional utilizando planos de soporte de 10 µm a 20 µm de grosor, que se exponen en un ángulo de 45° con respecto a los prismas (Fig. 18). Los prismas están fijados por ambos lados en los planos vecinos (excepto en la capa superior) para que puedan soportar las fuerzas capilares. En esta primera versión de las lentes prismáticas de rayos X, los rayos X incidentes atraviesan todos los planos de soporte. Por un lado, esto provoca absorción. Un segundo inconveniente es que algunos fotones, que entran en el prisma por la izquierda en la figura 16, no salen por la parte posterior del prisma, sino por el plano de apoyo y, por tanto, no sólo se desvían en la dirección deseada, sino también hacia abajo. Esto aumenta considerablemente la proporción de radiación dispersa detrás de la óptica.

Fig. 18: Lente prismática de enfoque lineal con prismas de 20 µm y planos de soporte de 45°. Foto izquierda: en la mitad izquierda de la imagen con planos de soporte, los prismas están colocados ordenadamente; en la mitad derecha de la imagen, faltan los planos de soporte y los prismas están colocados desordenadamente. Imagen MEB derecha de los planos de soporte, ©01

Para reducir los inconvenientes de la disposición de los planos de soporte de la figura 16, los planos de soporte de la versión XPL actual (figuras 18 y 19) están cruzados a ±45° y paralelos al eje óptico. Los fotones que chocan contra las caras extremas de los planos de soporte son absorbidos. Todos los demás fotones atraviesan las filas de prismas sin interferencia de los planos de soporte.

Fig. 18: Lente prismática de rayos X con planos de soporte paralelos al eje óptico a ±45°; al pasar el ratón por Fig. 18, la figura marca la dirección del haz en amarillo, los planos de soporte en azul y la zona con la parte superior de los prismas en naranja. ©01

Fig. 19: Lente prismática de rayos X con planos de soporte, vista en la dirección del haz ©01