ナノスフェア自己組織化と従来のフォトリソグラフィーを組み合わせたブロードバンド金属平面マイクロレンズとそのアレイのバッチ製造

背景

マイクロ/ナノスケールで光を操作および集束することを目的とした、最も普及している光学部品のクラスとしてのマイクロレンズには、ディスプレイ技術[1]、レーザービームコリメーション[2]、分子検出[3]、光学などの重要な用途があります。情報ストレージ[4]。屈折マイクロレンズは、光学スループットの高い商用デバイスで広く使用されていますが、必然的に、かさばるサイズ、色収差、球面収差の影響を受けます[5]。一方、回折マイクロレンズは収差が少なくなりますが、その物理的サイズと複雑な3次元（3D）表面プロファイルにより、小型化された高スケールのデバイスではあまり有用ではありません。さらに、それらの製造には、複数のリソグラフィプロセス中に正確な位置合わせが必要であり、高度に統合されたマイクロ/ナノ光学デバイスでの採用も制限されます[6、7]。

ナノメートルの長さのスケールで光をルーティングおよび操作する独自の機能により、近年、プラズモニクスの探索に多大な努力が注がれています[8、9、10]。プラズモンデバイスの重要なカテゴリーとして、ナノ構造の薄い金属膜に基づくプラズモンレンズが提案され、開発されました[11、12、13、14、15、16、17]。金属フィルム上の表面プラズモン（SP）は、入射光とレンズの入口表面の電荷振動との相互作用によって励起され、ナノアパーチャに押し込まれます。特定の導波路モードで金属膜全体を通過した後、SPは再び伝搬波に変化します。すべてのナノアパーチャから送信されるサブ波は互いに干渉し、レンズの出口面から一定の距離で最大強度の光スポットを形成します。これは、集束スポットおよび焦点面とも呼ばれます。その結果、ナノアパーチャアレイで構成される金属平面マイクロレンズは、従来の誘電体ベースの屈折レンズの潜在的な候補であり、サブ波長でありながら広帯域の集束を実現し、全光学的または光電子的シングルチップ統合を可能にします。ただし、ナノ構造で構成されるすべてのマイクロレンズには、電子ビームリソグラフィー（EBL）や集束イオンビーム（FIB）ミリングなどの高精度のナノファブリケーション技術が必要です。これらはマイクロレンズのプロトタイピング用の強力なツールですが、これらのプロセスは費用と時間がかかり、大面積の並列製造には適していません。

最近、可視スペクトルのすべての波長を単一のスポットに集束させることができるナノホールに基づく一種のマイクロレンズが、ソフト干渉リソグラフィー（SIL）のバッチ製造法とそれに続くナノパターニング手順を採用することによって報告されました[18]。残念ながら、この方法はマイクロレンズには理想的ではありません。周辺のナノホールは中央のナノホールよりも直径が大幅に小さく、一部はブロックされており、焦点距離が設計から大きくずれているためです。したがって、マイクロレンズの多用途で大面積の製造技術を開発することは、それらの実際のアプリケーションにとって非常に重要です。それにもかかわらず、現在のトップダウンまたはボトムアップのアプローチを使用する効果的な方法は、依然として大きな課題です。さらに、フォーカシング性能と隣接するマイクロレンズ間の結合効果に関するランダムな欠陥を調査することは価値があります。

フォトリソグラフィー、レーザー干渉リソグラフィー（LIL）、ナノスフェアリソグラフィー（NSL）などの有望な大面積製造方法により、さまざまなナノ構造の作成が可能になります。フォトリソグラフィーは、集積回路（IC）を製造するためにマイクロエレクトロニクスで広く使用されています。深紫外線（DUV）や極紫外線（EUV）などの短波長光源と、液浸リソグラフィーや位相シフトマスクなどの革新的な技術の組み合わせにより、フィーチャサイズがナノメートルスケールにまで押し上げられました[19、20]。従来のマスクベースの光リソグラフィーは十分に確立されており、IC業界で広く使用されていますが、セットアップと操作の両方に非常に費用がかかります。はるかに単純で安価なスケール手法として、LILは複数のコヒーレントレーザービームの干渉に基づいており、特徴の寸法が20 nmに近い1次元（1D）、2次元（2D）、および3Dの周期的構造を生成できます[21]。 。しかし、技術の制限に悩まされているため、LILはセンチメートルスケールでパターンを作成することは困難です[22]。 NSLは典型的なコロイド自己組織化技術であり、高度に平行でウェーハスケールの安価な方法で効果的なナノファブリケーションを満たし、主にポリスチレン（PS）またはシリカの六角形の最密充填ナノスフェアをフォトリソグラフィー、蒸発、堆積、エッチング、インプリンティングなど[23、24]。ナノスフェアの六角形の最密配置のため、これはナノ構造の同様の配列をもたらします。さらに、そのような構造は、一般に表面プラズモンポラリトン（SPP）の励起の結果として、例えば、ナノホールアレイの異常な光透過（EOT）性能などの格子効果を示す可能性があります[25]。これは、表面増強ラマン散乱（SERS）、赤外線（IR）振動の検出の強化、太陽電池、蛍光の強化など、多くの可能なアプリケーションにとって特に重要です[26、27、28、29]。

この作業では、私たちのアプローチは、変更されたNSLの利点（たとえば、大面積で低コストの製造）を従来のフォトリソグラフィー技術と組み合わせて、オドムの「パッチ」に類似した目的の金属平面マイクロレンズを製造します。実証されたように実現されたマイクロレンズは、可視スペクトル全体にわたって単一波長の光と、発散を最小限に抑えた広帯域白色光に焦点を合わせることができます。さらに、シミュレーションと実験的検証により、ナノホールアレイ内のナノスフェアの自己組織化手順中に一般的に存在するランダムな欠陥は、マイクロレンズの集束性能に劇的な影響を与えないことを明らかにします。同一の横方向の寸法で、レイリー回折限界に近づいています。ここで紹介する金属ナノホールベースのマイクロレンズとそのように開発されたNSL法は、小型化された透過型平面マイクロ/ナノ光学デバイス用の新しいタイプのマイクロレンズを設計および製造するための扉を開く可能性があります。

メソッド

サブ波長ナノホールを形成するための単純で低コストのルートとしての誘電体PSナノスフェアのボトムアップ自己組織化は、転位、多層、および点または領域の空孔などの深刻な欠陥に悩まされることがよくあります。これらの問題に対処するために、4インチ全体で形成された自己組織化アレイの品質について、回転速度、加速、サスペンションのプロポーショニング、基板表面の親水性修飾など、スピンコーティングパラメータの実験的研究を行います。 。ガラスウエハー。最適化されたパラメータを採用して、主要な欠陥（空孔と多層）を減らし、パターン転送によって対応するナノホールアレイを作成しますが、一部の転位と空孔は依然として避けられず、最終的なナノホール構造にシフトします。

図1は、マイクロレンズとそのアレイを低コストで並列製造するためのボトムアップ（PSナノスフェアのスピンコーティング自己組織化）とトップダウン技術（フォトリソグラフィー）の組み合わせを示しています。まず、PSナノスフェア（microParticles GmbH製）をガラス基板上にスピンコーティングし、六角形の格子を持つナノスフェアの単層マスクを形成します（図1a）。ナノスフェアの堆積後、平行平板反応器（プラズマ反応器、0.75 Pa、O ₂ ）内の酸素プラズマを介してそれらのサイズが変更されます。 図1bに示すように、100 sccm、80 W）。次のステップでは、厚さ100 nmの金の層を単層のPSナノスフェアにスパッタします（図1c）。その後、テトラヒドロフラン（THF）での超音波洗浄によりリフトオフ処理が行われ、大規模なナノホールアレイが実現します（図1d）。次に、クロム（Cr）フィルムが最初の穴あき金フィルムにスパッタされ（図1e）、フォトリソグラフィーによって目的のマイクロレンズとそのアレイでパターン化されます（図1f）。これは、最終的に達成されるマイクロレンズの集束性能を支配します。次に、開口部によって露出されたCr層が除去され、入射光を透過するための穴の開いた金のナノホールが残ります（図1g）。残りのフォトレジストを洗浄した後、設計されたマイクロレンズとそのアレイが実現されます（図1h）。

マイクロレンズとそのアレイを製造するための主なプロセスステップの概略図。 a 単層PSナノスフェアのスピンコーティング。 b PSナノスフェアのサイズ収縮。 c 金の堆積。 d PSナノスフェアの除去。 e Crの堆積。 f マイクロレンズパターンのフォトレジストへの転写。 g ウェットエッチング。 h フォトレジストの除去

図2は、格子間隔が P のPSナノスフェアのさまざまな自己組織化形態を表示する代表的な走査型電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。 =900 nm、つまり、使用するPSナノスフェアの直径。 PSナノスフェアの自己組織化単分子膜は、図2a、dのガラス基板上に六角形の格子状に整然と詰め込まれています。ただし、粒子間の静電反発力[30]や点空孔により、「亀裂」として示される転位は依然として存在します。図2b、cは、スピンコーティングパラメータが最適化または乱されていない場合に制御性が低い特定の領域に分布する、領域の空孔、多層、およびランダムにパックされた欠陥を示しています。

a のSEM画像が表示されます 直径900nmの自己組織化された整然とパックされた単層PSナノスフェア（ b ）O ₂ によるPSサイズの縮小 空孔と多層の欠陥を含むプラズマ（ c ）ランダムにパックされたPSナノスフェア、および（ d ）六角形にパックされたPSユニットの拡大図

図3は、4インチのナノスフェアマスクとデジタルカメラの写真での可視光回折の結果を示しています。ウェーハと、マイクロレンズのさまざまなセルを備えた10mm×10mmのチップ。個々のマイクロレンズとそのアレイを図3dに示します。この図では、下にあるナノホールと分離したマイクロレンズがはっきりと観察されています。また、単一のマイクロレンズに存在するランダムな欠陥も明らかになります。

a 作製した4インチの回折像。ウェーハレベルの単層ナノスフェアマスク。 （ b のガラス基板上に作製されたマイクロレンズとそのアレイの写真 ）ウェーハレベルと（ c ）チップレベル。 d 8μmマイクロレンズとその5×5アレイ間隔4μmの光学顕微鏡画像

達成されたマイクロレンズの集束性能を調査するために、3D有限差分時間領域（FDTD）シミュレーション結果を実験的テストと比較します。図4に示すように、主な操作プラットフォームとしてNikon倒立光学顕微鏡を使用した実験セットアップを使用して、マイクロレンズに入射する平面波から生成された光場をマッピングします。マイクロレンズを介して送信した後、高品質の油浸顕微鏡対物レンズ（100x、NA =1.49）がスペックルパターンをCCDカメラに画像化し、E-816ピエゾコントローラー（Physik Instrumente（PI））によってステッピングで駆動されます長さは100nmです。何百もの2Dライトスライスを収集した後、マイクロレンズの伝播軸に沿った3D光学フィールドを構築できます。

マイクロレンズとそのアレイの光学的集束性能を特徴づけるための実験装置。 532 nmの連続波（CW）レーザーは、均一なビームを得るために望遠鏡で拡大されます。マイクロレンズを通過すると、透過したスペックルパターンが顕微鏡の対物レンズによって収集され、CCDによって測定されます

結果と考察

1. 私。

   マイクロレンズのフォーカシング性能

直径 d のマイクロレンズの3Dモデル 六角形の格子に配置された円形のナノホールを持つことは、FDTD法を使用することによって確立されます。コリメートされた x -動作波長532nmの偏光が照射され、 x に明確な焦点（最大強度の位置）が観察されます。 - z 平面（ y と同じ - z 電磁界は4μmのマイクロレンズの中心を介して対称的に分布しているため、平面であり、焦点面のスポットの半値全幅（FWHM）は1.25μmであり（図5a）、これは近接しています。 0.61 λによって計算された0.912μmのレイリー回折限界まで / NA [31]。さらに、遠視野光学パターンは522および900 nmの格子間隔でシミュレートされ、532および633nmの動作波長が選択されます。シミュレートされた焦点距離は、λの4μmマイクロレンズで12および10.4μmです。 =532および633nmであり、λの8μmマイクロレンズの値は46μmに増加します。 =532 nm、図5a、cに示すように。それらの集束効果は波面工学の結果ではないため、522または900 nmの格子間隔を持つ4μmマイクロレンズはほぼ同一の焦点スポットを持ち、焦点距離が主にレンズサイズと動作波長に依存することを検証します。

a a1λのシミュレートされたケースの4μmマイクロレンズの光学フィールドマッピング =633 nm、 P =522 nm; a2λ =532 nm、 P =522 nm; a3λ =532 nm、 P =900 nm;および a4 λの測定結果 =532 nm、 P =900nm。 b d の設計されたマイクロレンズの計算されたR-S積分、FDTDシミュレーション、および光学測定の軸方向光強度 =4μm。 c c1 の電界強度の差 シミュレートされた c2 d 時の測定結果 =λで8μm =532 nm、 P =900nm。 d d のマイクロレンズの軸方向強度 =8μm。 y-z に沿った強度フィールド 平面は x-z と同じように分布します 飛行機

遠方場の集束はエバネッセント場の回復[32]または超振動[33]に起因しないため、焦点は古典的なレイリー回折限界の影響を受けます。したがって、焦点距離の動作波長への依存性は、リーマン・スティルフェルト（R-S）積分から導出された関係によって表すことができます[18]。図5b、dから、R-S積分によって計算された光場分布は、両方の場合のFDTDシミュレーション結果と非常によく一致していることがわかります。ただし、測定結果は、製造手順と光学測定中に導入されたさまざまなエラーのためにわずかな違いを示しています。注目に値するのは、4μmの場合、シミュレーションとは対照的な測定偏差が8.3％であるのに対し、8μmの場合は1.1％であるということです。言い換えれば、直径が大きいマイクロレンズは、通常のエラーの影響を受けにくくなります。

集束性能は波面工学とは無関係であるため、焦点の光スループットは、サブ波長アパーチャを通過するSPで強化された透過率に依存します[18]。図6の結果をさまざまなマイクロレンズの透過スペクトルと比較すると、格子間隔に応じて、さまざまな波長で強化された透過と抑制された透過が存在します。以前の報告[34]によると、選択的スペクトル応答は、金属/誘電体界面で持続する伝播表面プラズモン共鳴（PSPR）とナノホール周辺の局在表面プラズモン共鳴（LSPR）の複合効果に起因することが発見されました。図6cに見られるように、円で示されているように、トランスミッションのディップの位置は、 x に沿って赤方偏移を起こします。 -格子間隔が増加するにつれて軸を調整するため、透過ピークになります。これにより、マイクロレンズに特定の波長での光スループットを制御する異常な機能が付与され、マイクロレンズを高効率のフォーカシングで簡単に設計できるようになります。図6a、bは、 P の場合の4μmマイクロレンズの電界分布を示しています。 =581nmのディップ波長と681nmのピーク波長でそれぞれ400nm。波長の増加によって焦点距離が短くなることを除けば、681nmの波長の焦点距離はλのほぼ100倍です。 =581nm。

a 、 b P 時の4μmマイクロレンズの電界パターンのシミュレーション結果 =λの動作波長で400nm =581 nm（透過ディップ）と681 nm（ピーク）。 c 格子間隔 P に対応するマイクロレンズのシミュレートされた全透過率スペクトル =400〜800nmの周波数範囲で400、530、600 nm、および挿入図 は、4μmマイクロレンズのモデルを示しています。透過率の低下とピークは、円によってフラグが付けられます および三角形 、それぞれ

1. II。

   ランダムな欠陥の影響

NSLは、マイクロレンズとそのアレイに大面積のナノホールアレイを作成するための高度に並列化された製造方法であるという事実にもかかわらず、この手法で認識される問題の1つは、欠陥がマイクロレンズのナノホール層全体にランダムに分布することです。欠陥は、ナノスフェアの自己組織化プロセス中にほぼ避けられません。これは通常、光学的方法の分解能と侵入深さを根本的に制限すると考えられています。しかし、欠陥が光を操作するための従来の周期構造に代わる珍しい代替手段を提供することは驚くべきことです。いくつかのランダムな欠陥は、特定の光学実験で焦点の鮮明さを低下させるのではなく、改善することが実証されています[35、36]。したがって、ここで研究したマイクロレンズの集束性能に対する製造プロセスから発生した欠陥の影響は、実際のアプリケーションとランダムフォトニック結晶に関するさらなる研究にとって不可欠です。

ナノスフェアの自己組織化手順から生成される上記の空孔、転位、および多層欠陥とは別に、ナノホールの形状変形は、不均衡なO <の結果として、PS収縮およびPS除去中に最終的なマイクロレンズにも存在する可能性があります。 sub> 2 プラズマエッチング。したがって、私たちが検討したこれらの欠陥は、形状および位置の欠陥として分類できます。マイクロレンズの集束性能に対する形状欠陥の影響を実証するために、さまざまな真円度のないマイクロレンズを提示しますσ 一般的な曲線因子が0.33の場合のナノホールで、対応する光学焦点画像を図7aに示します。明らかに、σの場合のこれらのフォーカシングパターン =0.4およびσ =0.7は、焦点強度のわずかな変動を除いてほぼ同じです。より明確に、図7aに見られるように、a1、a2、およびa3の同様の焦点パターンは、変形の程度の増加と変形方向の変化がマイクロレンズの集束特性にほとんど影響を与えないことを示しています。

a マイクロレンズからの焦点スポットは、真円度の誤差σとは無関係です。 ナノホールの。 σの場合、フォーカシングプロパティは明確な変化を示しません 図5の=0（丸みを帯びたナノホール）はa1σに増加します =0.4、a2σ =0.7、水平方向に歪んだ方向、およびa3σ =0.7、垂直に歪んだ方向。 b ナノホールの位置への空間ランダム性の導入。偏差の方向は穴ごとにランダムに異なりますが、偏差の長さδ 穴ごとに一定に保たれます。偏差長b1δの場合も同じ集束パターンが得られます。 =0、b2δ =50 nm、およびb3δ =100 nm

位置欠陥の影響を調べるために、ナノホールの位置を長さδのさまざまな方向にずらします。 。各穴の偏差方向は穴ごとにランダムに分布し、δごとに一定に保たれます。 （図7bを参照）。 δの増加に伴い 、ナノホールは完全に最密状態から逸脱し、「よりランダム」になります。ナノホールの異なるランダム位置に関するマイクロレンズの3つの類似した集束パターンδ =0、50、および100nmが得られます。さらに、焦点強度のわずかな減少が、よりランダムなナノホールアレイを備えたフィールドプロファイルに現れることが観察されます。とりわけ、マイクロレンズ内の形状と位置の欠陥は、集束性能にほとんど影響を与えず、ほとんどの場合、焦点強度を変調するだけであることを示しています。

1. III。

   マイクロレンズアレイのフォーカシングパフォーマンス

図8は、さまざまな間隔で製造された3×3マイクロレンズアレイと、λで実験的に測定された光学パターンを示しています。 =532 nm、およびブロードバンド照明。アレイ内の転位が多いマイクロレンズの焦点は、図8bの他のマイクロレンズの焦点よりも弱いことに注意してください。これは、転位欠陥が光干渉パターンに寄与するナノホールの数を効果的に減らすためです。さらに、結果は、欠陥が主に焦点強度に影響を与えるというFDTDシミュレーションによって得られた結果との優れた一致を示しています。さらに、マイクロレンズは、色収差が最小限であるため、広帯域白色光を集束させることができます（図8（a2）、および（b2））。白色光照明下の焦点は、単一波長下の焦点と同様の横方向の寸法を持っていますが、広帯域焦点距離は、SPで強化された波長での焦点距離のほぼ平均です。さらに、以前の研究[37]で分析したマイクロレンズアレイの集束結合効果は、図8（b1）および（b2）でフラグが立てられた領域C、D、およびEとして、得られた集束パターンに現れます。

a d の場合に8μm間隔で製造された3×3マイクロレンズアレイの光学顕微鏡画像 =8μmおよび測定された光学パターン（ A – A ）（a1）の下 λの単一波長 =532 nmおよび（a2） ブロードバンド照明。個々のマイクロレンズからの同一の焦点が観察されます。 b 実験結果（ B – B ）（b1）の下で4μm間隔の3×3マイクロレンズアレイの場合 λの単一波長 =532 nmおよび（b2） ブロードバンド照明。領域 C で示される、2つの隣接するマイクロレンズ間の結合効果 、 D 、および E 、観察することができます

結論

要約すると、高並列で低コストの方法としてのNSL技術を使用して、可視スペクトル全体で機能する金属平面マイクロレンズを製造できることを初めて実証しました。シミュレーションと実験の結果に裏付けられたマイクロレンズの集束特性は、光学干渉と表面プラズモン効果の両方の組み合わせによって説明できます。ナノホールの格子間隔と直径を考慮して、マイクロレンズを調整して、特定の波長で高い透過率を提供することができます。完全な状態から欠陥のある状態までのマイクロレンズの集束性能は、FDTD法によって活用されます。シミュレーションと実験の両方で、ナノホールアレイのランダムな欠陥がマイクロレンズの集束効率に影響を与えるだけであり、予測どおりの集束結合効果が単一波長照明と広帯域照明の両方で発生することが明らかになっています。ブロードバンドフォーカシング機能、小型化されたサイズ、および用途の広い製造技術はすべて、太陽光発電[26]、カラーフィルター[38]、屈折率センシング[39]などのコンパクトで安価な全光学またはオプトエレクトロニクスデバイスの大きな可能性を開きます。 。

略語

3D：

三次元

CCD：

電荷結合デバイス

FDTD：

有限差分時間領域

FWHM：

半値全幅

LIL：

レーザー干渉リソグラフィー

NA：

開口数

NSL：

ナノスフェアリソグラフィー

PS：

ポリスチレン

SEM：

走査型電子顕微鏡