Низкозатратное пакетное изготовление широкополосных металлических планарных микролинз через наносферную литографию и фотолитографию

Аннотация

Демонстрирован новый низкозатратный метод пакетного изготовления, комбинирующий спин-коутинг наносферной литографии (НСЛ) с обычной фотолитографией, для эффективного производства металлических планарных микролинз и их массивов. Разработанные микролинзы состоят из субдлинноволновых нанодирек и эффективно фокусируют свет во всем видимом спектре, с размерами фокуса, близкими к дифракционному пределу Рэлея. Изменяя расстояние и диаметр нанодирек, можно настраивать фокусирующую эффективность. Хотя случайные дефекты обычно существуют при самосборке наносфер, основные фокусирующие характеристики — фокальное расстояние, глубина фокуса (ГФ), ширина на полувысоте (ШПВ) — остаются практически неизменными. Исследование предоставляет дешевый способ реализации интегрированных нанофотонных устройств на уровне wafers.

Введение

Микролинзы как класс наиболее повсеместных оптических компонентов, направленных на манипулирование и фокусировку света на микро-/наноуровне, имеют важные применения: дисплейные технологии, коллимация лазерных пучков, молекулярное детектирование, оптическое хранение информации. Хотя рефрактивные микролинзы широко используются в коммерческих устройствах с высокой оптической пропускной способностью, они неизбежно страдают от громоздкого размера, хроматических и сферических аберраций. Дифрактивные микролинзы имеют меньшие аберрации, но их физический размер и сложные трехмерные профили поверхностей делают их менее полезными в миниатюризированных и высокоинтегрированных устройствах. Кроме того, их изготовление требует точной выравнивания при множественных литографических процессах, что также ограничивает их внедрение в высокоинтегрированные микро-/нанооптические устройства.

Значительные усилия посвящены исследованию плазмоники в последние годы благодаря уникальной способности маршрутизировать и манипулировать светом на нанометровой длине. Как важная категория плазмонных устройств, плазмонные линзы на основе тонких наноструктурированных металлических пленок были предложены и разработаны. Поверхностные плазмоны (ПП) на металлических пленках возбуждаются взаимодействием падающего света с зарядовыми колебаниями на входной поверхности линзы и сжимаются в наноапертуры. Проходя через всю металлическую пленку в специфических волноводных модах, ПП снова преобразуются в распространяющиеся волны. Субволны, проходящие через все наноапертуры, интерферируют друг с другом и формируют световое пятно с максимальной интенсивностью на определенном расстоянии от выходной поверхности линзы — фокусирующее пятно и фокальная плоскость. Следовательно, металлические планарные микролинзы, состоящие из массивов наноапертур, являются потенциальными кандидатами для замены обычных диэлектрических рефрактивных линз, обеспечивая субдлинноволновую, но широкополосную фокусировку и позволяя всеоптическую или оптоэлектронную одночиповую интеграцию. Однако все микролинзы из наноструктур требуют высокоточных нанофабрикационных техник, таких как электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) и ионно-лучевая фрезеровка (ФИБ). Хотя они мощные инструменты для прототипирования, эти процессы дороги, затратны по времени и не подходят для крупномасштабного параллельного производства.

Недавно сообщали о микролинзе на основе нанодирек, способной фокусировать все длины волн видимого спектра в одну точку, используя пакетный метод мягкой интерференционной литографии (СИЛ) с последующей нанопаттернировкой. К сожалению, этот метод не идеален для микролинз, так как нанодирки по периферии имеют значительно меньший диаметр, чем центральные, и некоторые даже заблокированы, вызывая большое отклонение фокального расстояния от расчетного. Поэтому разработка универсального и крупномасштабного метода изготовления микролинз критична для их практического применения; тем не менее, эффективный метод с текущими сверху-вниз или снизу-вверх подходами остается большой задачей. Также стоит исследовать влияние случайных дефектов на фокусирующую производительность и эффект связи между соседними микролинзами.

Перспективные крупномасштабные методы изготовления: фотолитография, лазерная интерференционная литография (ЛИЛ), наносферная литография (НСЛ) позволяют создавать различные наноструктуры. Фотолитография широко используется в микроэлектронике для производства интегральных схем. Комбинация источников коротковолнового света (DUV, EUV) и инноваций (погружение, фазовые маски) протолкнули размер признака в наномасштаб. Хотя традиционная масковая оптическая литография хорошо установлена и широко используется в IC индустрии, она очень дорога в настройке и эксплуатации. Как гораздо более простая и дешевая методология, ЛИЛ основана на интерференции нескольких когерентных лазерных пучков и может производить 1D, 2D и 3D периодические структуры с признаками до 20 нм. Но из-за технологических ограничений ЛИЛ трудно производить паттерны на сантиметровом масштабе. НСЛ — типичная коллоидная техника самосборки, обеспечивающая эффективную нанофабрикацию высокопараллельным, wafer-масштабным, недорогим способом, используя гексагонально-упакованные наносферы в основном из полистирола (ПС) или силикага как маски или шаблоны для фотолитографии, испарения, осаждения, травления, импринтинга и т.д. Из-за гексагонально-упакованного расположения наносфер получается похожий массив наноструктур. Такие структуры могут демонстрировать решеточные эффекты, например, необычную оптическую передачу (ЕОТ) массивов нанодирек, как результат возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов (ППП). Это важно для многих применений: поверхностно-усиленное Рамановское рассеяние (SERS), усиленное детектирование ИК-вибраций, солнечные батареи, усиленная флюоресценция.

В данной работе подход объединяет преимущества модифицированной НСЛ — крупномасштабное и низкозатратное изготовление — с обычной фотолитографической техникой для производства желаемых металлических планарных микролинз, похожих на «патчи» Одом. Реализованные микролинзы фокусируют отдельные длины волн по всему видимому спектру и широкополосный белый свет с минимальной дивергенцией. Кроме того, через симуляцию и экспериментальную верификацию, случайные дефекты, обычно существующие при самосборке наносфер в массивах нанодирек, не оказывают драматического влияния на фокусирующую производительность микролинз, что означает, что фокальные пятна от разных микролинз на одном wafer имеют идентичные боковые размеры, близкие к дифракционному пределу Рэлея. Металлические нанодирки-базированные микролинзы и разработанный НСЛ метод могут открыть дверь для проектирования и изготовления нового типа микролинз для миниатюризированных проницающих планарных микро-/нанооптических устройств.

Методы

Низу-вверх самосборка диэлектрических ПС наносфер как простой и дешевый путь к формированию субдлинноволновых нанодирек часто страдает от серьезных дефектов: дислокации, многослойность, точечные или площадные вакансии. Для решения этих проблем провели экспериментальные исследования параметров спин-коутинга: скорость вращения, ускорение, пропорция суспензии, гидрофильная модификация поверхностей подложек — на качестве самособранных массивов на всем 4-дюймовом стеклянном wafer. Хотя оптимизированные параметры приняты для уменьшения основных дефектов (вакансии и многослойность) и создания соответствующих массивов нанодирек через перенос паттерна, некоторые дислокации и вакансии все еще неизбежны и переносятся в итоговые нанодирки.

Рис. 1 иллюстрирует комбинацию снизу-вверх (спин-коутинг самосборки ПС наносфер) и сверху-вниз (фотолитография) для низкозатратного параллельного изготовления микролинз и их массивов. Сначала ПС наносферы (microParticles GmbH) спин-коутингом на стеклянные подложки, формируя монослойную маску наносфер с гексагональной решеткой (рис. 1a). После осаждения наносфер их размер модифицируют кислородной плазмой в реакторе с параллельными пластинами (0,75 Па, O₂ 100 sccm, 80 Вт) (рис. 1b). Далее 100-нм слой золота спуттерингом на монослой ПС наносфер (рис. 1c). После lift-off ультразвуковой очисткой в тетрагидрофуране (ТГФ) достигают крупномасштабный массив нанодирек (рис. 1e). Затем хром (Cr) пленка спуттерингом на первую дырявую золотую пленку (рис. 1e) и паттернируется желаемыми микролинзами и их массивами фотолитографией (рис. 1f), что доминирует в фокусирующей производительности итоговых микролинз. Далее Cr слой, экспонированный открытыми областями, удаляется, оставляя дырявые золотые нанодирки для прохождения падающего света (рис. 1g). После очистки остаточного фоторезиста реализованы спроектированные микролинзы и их массивы (рис. 1h).

Рис. 2 показывает репрезентативные SEM изображения различных самособранных морфологий ПС наносфер с решетчатым интервалом P = 900 нм (диаметр ПС наносфер). Самособранные монослои ПС наносфер упорядоченно упакованы в гексагональную решетку на стеклянных подложках на рис. 2a, d. Однако дислокации, показанные как «трещины», все еще присутствуют из-за электростатического отталкивания частиц, а также точечные вакансии. Рис. 2b, c иллюстрируют площадные вакансии, многослойность и случайно упакованные дефекты, распределенные в определенных регионах с плохой контролируемостью при неоптимизированных или нарушенных параметрах спин-коутинга.

Рис. 3 показывает результат видимой дифракции на маске наносфер и фото 4-дюймового wafer и 10×10 мм чипа с различными ячейками микролинз. Индивидуальная микролинза и ее массив показаны на рис. 3d, где базовые нанодирки и отдельные микролинзы четко видны. Также раскрываются существующие случайные дефекты в отдельных микролинзах.

Для изучения фокусирующей производительности достигнутой микролинз сравнивают результаты 3D FDTD симуляции с экспериментальными тестами. Экспериментальная установка (рис. 4), использующая инвертированный оптический микроскоп Nikon как основную платформу, применяется для картирования оптических полей, генерируемых плоской волной, падающей на микролинзу. После прохождения через микролинзу, высококачественный масляной иммерсионный микроскопический объектив (100×, NA=1,49) изображает спековые паттерны на CCD камеру и управляется пьезоконтроллером E-816 (Physik Instrumente) с шагом 100 нм. Собрав сотни 2D срезов света, 3D оптическое поле вдоль оси распространения микролинзы может быть построено.

Результаты и обсуждение

1. Фокусирующая производительность микролинз

3D модель микролинзы диаметра d с круговыми нанодирками в гексагональной решетке построена методом FDTD. Коллимированный, x-поляризованный свет с рабочей длиной волны 532 нм освещает, хорошо определенное фокальное пятно (место максимальной интенсивности) наблюдается в x-z плоскости (та же, что y-z из-за симметрии ЭМ поля) через центр 4-мм микролинз, и полная ширина на полувысоте (ШПВ) пятна на фокальной плоскости 1,25 мкм (рис. 5a), близко к дифракционному пределу Рэлея 0,912 мкм по формуле 0,61λ/NA. Дальнейшие оптические паттерны смоделированы с решетчатыми интервалами 522 и 900 нм, рабочие длины волн 532 и 633 нм. Смоделированные фокальные расстояния: 12 и 10,4 мкм для 4-мм микролинзы при λ=532 и 633 нм, значение увеличивается до 46 мкм для 8-мм микролинзы при λ=532 нм (рис. 5a, c). Поскольку их фокусирующий эффект не является следствием волнового фронта, 4-мм микролинзы с 522- или 900-нм интервалом имеют почти идентичные фокальные пятна, что подтверждает, что фокальное расстояние зависит преимущественно от размера линзы и рабочей длины волны.

Фокальное пятно подчиняется классическому дифракционному пределу Рэлея, так как дальняя фокусировка не исходит от восстановления эванесцентного поля или суперосцилляций. Зависимость фокального расстояния от рабочей длины волны выражается отношением, выведенным из Рэлея-Зоммерфельд (Р-З) интеграла. На рис. 5b, d видно, что рассчитанные оптические поля Р-З интеграла очень хорошо согласуются с FDTD симуляцией для обоих случаев. Однако результаты измерений показывают незначительную разницу из-за различных ошибок, вводимых при изготовлении и оптическим измерении. Стоит отметить, что для 4-мм случая отклонение измерения от симуляции 8,3%, по сравнению с 1,1% для 8-мм случая. Другими словами, микролинзы с большим диаметром менее чувствительны к нормальным ошибкам.

Поскольку фокусирующая производительность не связана с инженерией волнового фронта, оптическая пропускная способность фокального пятна зависит от ПП-усиленной передачи через субдлинноволновые апертуры. Сравнивая результаты рис. 6 с спектрами передачи разных микролинз, усиленные и подавленные передачи присутствуют на разных длинах волн в зависимости от решетчатого интервала. По предыдущим отчетам, селективный спектральный ответ обусловлен комбинированным эффектом распространяющегося поверхностного плазмонного резонанса (ППР) на металл/диэлектрик интерфейсе и локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛПР) вокруг нанодирек. Наблюдается на рис. 6c, что положения провалов передачи, обозначенные кругами, испытывают красный сдвиг вдоль x-координаты с увеличением решетчатого интервала, так же и пики передачи. Это наделяет микролинзы необычными способностями контролировать оптическую пропускную способность на конкретных длинах волн и обеспечивает легкое проектирование микролинз с высокой фокусирующей эффективностью. Рис. 6a, b дают распределения поля 4-мм микролинзы для P=400 нм при длине волны провала 581 нм и пика 681 нм. За исключением уменьшения фокального расстояния из-за увеличения длины волны, интенсивность фокального пятна для 681 нм почти в 100 раз больше, чем для λ=581 нм.

1. Влияние случайных дефектов

Несмотря на то, что НСЛ — высокопараллельный метод изготовления крупномасштабных массивов нанодирек в микролинзах и их массивах, одна воспринимаемая проблема — дефекты случайно распределены по нанодирковому слою микролинз. Дефекты почти неизбежны при самосборке наносфер, которые обычно считаются фундаментально ограничивающими разрешение и глубину проникновения оптических методов. Однако удивительно, что дефекты предлагают необычную альтернативу обычным периодическим структурам для манипулирования светом. Некоторые случайные дефекты демонстрируют улучшение, а не ухудшение остроты фокуса в специфических оптических экспериментах. Поэтому влияние дефектов нашего процесса изготовления на фокусирующую производительность микролинз, изучаемых здесь, существенно для практических применений и дальнейших исследований случайных фотонных кристаллов.

Помимо упомянутых вакансий, дислокаций и дефектов многослойности от самосборки наносфер, деформация формы нанодирек также может существовать в итоговых микролинзах при сужении ПС и удалении ПС из-за несбалансированного О₂ плазменного травления. Поэтому рассматриваемые дефекты можно классифицировать как дефекты формы и позиции. Для демонстрации влияния дефектов формы на фокусирующую производительность представляют микролинзы с разной выкруглостью σ в нанодирках при общем коэффициенте заполнения 0,33 и соответствующие оптические фокусирующие изображения на рис. 7a. Очевидно, эти фокусирующие паттерны для σ=0,4 и σ=0,7 почти одинаковы за исключением легкой вариации интенсивности фокусов. Еще очевиднее, как видно на рис. 7a, похожие фокальные паттерны в a1, a2, a3 указывают, что увеличенная степень деформации и изменение направления деформации оказывают пренебрежимо малое влияние на фокусирующие свойства микролинз.

Для изучения влияния дефектов позиции отклоняют позиции нанодирек в разные направления с длиной δ. Направление отклонения каждой дырок случайно распределено от дырок к дырок и постоянно для каждого δ (см. рис. 7b). С ростом δ нанодирки отклоняются от идеального плотного состояния и становятся «более случайными». Получены три похожих фокусирующих паттерна микролинз для разных случайных позиций нанодирек: δ=0, 50, 100 нм. Кроме того, наблюдается легкое снижение интенсивности фокусов на профиле поля с более случайным массивом нанодирек. Прежде всего, раскрывается, что дефекты формы и позиции внутри микролинз играют малую роль в фокусирующей производительности и в основном просто модулируют интенсивность фокусов.

1. Фокусирующая производительность массивов микролинз

Рис. 8 показывает изготовленный 3×3 массив микролинз с разными интервалами и экспериментально измеренные оптические паттерны под λ=532 нм и широкополосным освещением. Обратите внимание, что фокальные пятна от микролинз с большим количеством дислокаций в массиве слабее, чем от других микролинз на рис. 8b. Это потому, что дефекты дислокаций эффективно уменьшают число нанодирек, вносящих вклад в оптический интерференционный паттерн. Далее, результаты показывают отличное согласование с FDTD симуляцией: дефекты в основном влияют на интенсивность фокусов. Кроме того, микролинзы могут фокусировать широкополосный белый свет (рис. 8 a2, b2) благодаря минимальной хроматической аберрации. Фокальные пятна под белым светом имеют похожие боковые размеры, как под одночастотным освещением, тогда как широкополосное фокальное расстояние примерно равно среднему фокальных расстояний на ПП-усиленных длинах волн. Также эффект связи в массиве микролинз, анализировавшийся в предыдущем исследовании, проявляется в полученных фокусирующих паттернах как области C, D, E, обозначенные на рис. 8 (b1) и (b2).

Заключения

Подводя итог, впервые продемонстрировано, что техника НСЛ как высокопараллельный и низкозатратный метод может использоваться для изготовления металлических планарных микролинз, функционирующих по всему видимому спектру. Подтвержденное симуляцией и экспериментом, фокусирующие свойства микролинз объясняются комбинацией оптической интерференции и поверхностно-плазмонных эффектов. Учитывая решетчатый интервал и диаметр нанодирек, микролинзы можно адаптировать для высокой передачи на конкретных длинах волн. Фокусирующая производительность микролинз от идеального до дефектного состояния изучена методом FDTD. И симуляции, и эксперименты проясняют, что случайные дефекты в массивах нанодирек просто влияют на фокусирующую эффективность микролинз, и эффект связи фокусировки, как предсказывалось, происходит под одночастотным и широкополосным освещением. Широкополосная фокусирующая способность, миниатюрный размер и универсальная техника изготовления вместе открывают большой потенциал для компактных и недорогих всеоптических или оптоэлектронных устройств: фотоэлектрика, цветовые фильтры, рефрактометрическое сенсирование.

Аббревиатуры

3D:

Three-dimensional — трехмерный

CCD:

Charge-coupled device — зарядо-сцепленное устройство

FDTD:

Finite-difference time-domain — конечно-разностная временная область

FWHM:

Full-width at half-maximum — полная ширина на полувысоте

LIL:

Laser interference lithography — лазерная интерференционная литография

NA:

Numerical aperture — числовая апертура

NSL:

Nanosphere lithography — наносферная литография

PS:

Polystyrene — полистирол

SEM:

Scanning electron microscope — сканирующий электронный микроскоп