Fabricação em lote de microlentes planas metálicas de banda larga e suas matrizes combinando automontagem de nanosfera com fotolitografia convencional
Resumo
Um novo método de fabricação em lote de baixo custo combinando a litografia de nanosfera de revestimento por rotação (NSL) com a técnica fotolitográfica convencional é demonstrado para produzir com eficiência as microlentes planas metálicas e seus arranjos. As microlentes desenvolvidas são compostas de nanofuros de comprimento de onda e podem focar a luz de forma eficaz em todo o espectro visível, com os tamanhos dos focos próximos ao limite de difração de Rayleigh. Ao alterar o espaçamento e o diâmetro dos nanoholes, a eficiência de foco pode ser ajustada. Embora os defeitos aleatórios existam comumente durante a automontagem de nanoesferas, o desempenho de foco principal, por exemplo, comprimento focal, profundidade de foco (DOF) e largura total na metade do máximo (FWHM), mantém-se quase invariável. Esta pesquisa fornece uma maneira barata de realizar os dispositivos nanofotônicos integrados no nível do wafer.
Histórico
As microlentes como uma classe dos componentes ópticos mais ubíquos, com o objetivo de manipular e focar a luz na escala micro / nano, têm aplicações importantes, como tecnologia de exibição [1], colimação de feixe de laser [2], detecção molecular [3] e óptica armazenamento de informações [4]. Embora as microlentes refrativas sejam amplamente utilizadas em dispositivos comerciais com alto rendimento óptico, elas inevitavelmente sofrem de aberrações cromáticas, esféricas e de tamanho volumoso [5]. Por outro lado, as microlentes difrativas exibem menos aberrações, mas seu tamanho físico e perfis de superfície tridimensionais complexos (3D) as tornam menos úteis em dispositivos miniaturizados e em alta escala. Além disso, sua fabricação requer alinhamento preciso durante múltiplos processos litográficos, o que também limita sua adoção em dispositivos micro / nano-ópticos altamente integrados [6, 7].
Esforços substanciais têm sido dedicados à exploração da plasmônica nos últimos anos [8,9,10], devido à capacidade única de rotear e manipular luz na escala de comprimento nanométrico. Como uma importante categoria de dispositivos plasmônicos, lentes plasmônicas baseadas em filmes metálicos nanoestruturados finos foram propostas e desenvolvidas [11,12,13,14,15,16,17]. Plasmons de superfície (SPs) em filmes metálicos são excitados pela interação da luz incidente com as oscilações de carga na superfície de entrada da lente e são espremidos nas nanoaberturas. Depois de passar por todos os filmes metálicos em modos de guia de onda específicos, os SPs mudam para as ondas de propagação novamente. As sub-ondas transmitindo de todas as nanoaberturas irão interferir umas nas outras e formar um ponto de luz com a intensidade máxima a uma certa distância da superfície de saída da lente, que também são chamados de ponto de foco e plano focal. Consequentemente, microlentes planas metálicas compreendendo matrizes de nanoaberturas são candidatos potenciais para lentes refrativas convencionais baseadas em dielétricos, trazendo comprimento de onda sub-onda, mas com foco em banda larga e permitindo integração de chip único totalmente óptico ou optoeletrônico. No entanto, todas as microlentes compostas de nanoestruturas requerem as técnicas de nanofabricação de alta precisão, como litografia por feixe de elétrons (EBL) e moagem por feixe de íons focado (FIB). Embora sejam ferramentas poderosas para a prototipagem de microlentes, esses processos são caros, demorados e não adequados para a fabricação paralela de grandes áreas.
Recentemente, um tipo de microlente baseada em nanoholes capaz de focar todos os comprimentos de onda no espectro visível para um único ponto foi relatado empregando um método de fabricação em lote de litografia de interferência suave (SIL) seguido por um procedimento de nanopadronização [18]. Infelizmente, esse método não é ideal para microlentes porque os nanofuros ao redor da periferia apresentam diâmetro significativamente menor do que os centrais, e alguns estão até bloqueados, causando um grande desvio do comprimento focal do projeto. Portanto, o desenvolvimento de uma técnica de fabricação versátil e de grande área para microlentes é crucial para suas aplicações práticas; no entanto, o método eficaz usando as abordagens atuais de cima para baixo ou de baixo para cima ainda permanece um grande desafio. Além disso, vale a pena investigar os defeitos aleatórios no desempenho de foco e no efeito de acoplamento entre microlentes adjacentes.
Os métodos de fabricação de grandes áreas promissores, como fotolitografia, litografia de interferência a laser (LIL) e litografia de nanosfera (NSL), permitem a criação de várias nanoestruturas. A fotolitografia é amplamente utilizada em microeletrônica para fabricar circuitos integrados (ICs). A combinação de fontes de luz de comprimento de onda curto, incluindo ultravioleta profundo (DUV) e ultravioleta extremo (EUV), e inovações, como litografia de imersão e máscaras de deslocamento de fase, empurraram o tamanho do recurso bem para a escala nanométrica [19, 20]. Embora a litografia óptica baseada em máscara tradicional seja bem estabelecida e amplamente utilizada na indústria de IC, também é muito cara tanto para configurar quanto para operar. Como uma metodologia de escala muito mais simples e barata, LIL é baseada na interferência de vários feixes de laser coerentes e pode produzir estruturas periódicas unidimensionais (1D), bidimensionais (2D) e 3D com dimensões de recursos que se aproximam de 20 nm [21] . Mas sofrendo com a restrição da tecnologia, LIL é difícil de produzir os padrões em escala centimétrica [22]. NSL é uma técnica típica de automontagem coloidal, que atende a nanofabricação eficaz de uma forma altamente paralela, em escala de wafer e barata e usa nanoesferas hexagonais de poliestireno (PS) ou sílica como máscaras ou modelos para fotolitografia, evaporação, deposição, gravação, impressão, etc. [23, 24]. Por causa do arranjo hexagonal compactado das nanoesferas, isso resulta em uma matriz semelhante de nanoestruturas. Além disso, tais estruturas podem exibir os efeitos de grade, por exemplo, o desempenho extraordinário de transmissão óptica (EOT) de matrizes de nano furos, geralmente como resultado da excitação de polaritons de plasmon de superfície (SPPs) [25]. Isso é especificamente importante para muitas aplicações possíveis, como espalhamento Raman aprimorado pela superfície (SERS), detecção aprimorada de vibrações infravermelhas (IR), células solares e fluorescência aprimorada [26,27,28,29].
Neste trabalho, nossa abordagem combina as vantagens do NSL modificado, por exemplo, fabricação de grande área e baixo custo, com a técnica fotolitográfica convencional para produzir as microlentes planas metálicas desejadas que são semelhantes aos "patches" de Odom. As microlentes realizadas, conforme demonstrado, podem focalizar comprimentos de onda únicos de luz em todo o espectro visível, bem como a luz branca de banda larga com divergência mínima. Além disso, por meio da simulação e verificação experimental, os defeitos aleatórios comumente existentes durante o procedimento de automontagem de nanoesferas em matrizes de nano furos não revelam influências dramáticas no desempenho de focalização das microlentes, o que significa que os pontos focais de diferentes microlentes no mesmo wafer têm o dimensões laterais idênticas, aproximando-se do limite de difração de Rayleigh. As microlentes metálicas baseadas em nanofuros e o método NSL desenvolvido aqui apresentado podem abrir uma porta para projetar e fabricar um novo tipo de microlentes para dispositivos micro / nano-ópticos planares transmissivos miniaturizados.
Métodos
A automontagem de baixo para cima de nanoesferas dielétricas PS como uma rota simples e de baixo custo para formar nanofuros de sub-onda muitas vezes sofre de defeitos graves, por exemplo, deslocamentos, multicamadas e espaços vazios de ponto ou área. Para resolver esses problemas, realizamos estudos experimentais dos parâmetros de revestimento de rotação, incluindo a velocidade de rotação, aceleração, proporção de suspensão e a modificação hidrofílica de superfícies de substrato, na qualidade das matrizes automontadas formadas ao longo de todo o 4-in . wafer de vidro. Embora os parâmetros otimizados sejam adotados para reduzir os principais defeitos (vazios e multicamadas) e criar as matrizes de nano furos correspondentes por meio da transferência de padrão, alguns deslocamentos e vazios ainda são inevitáveis e deslocados para as estruturas finais dos nano furos.
A Figura 1 ilustra a combinação de uma técnica de baixo para cima (auto-montagem de revestimento por rotação de nanoesferas de PS) e uma técnica de cima para baixo (fotolitografia) para fabricação paralela de baixo custo de microlentes e seus arranjos. Em primeiro lugar, as nanoesferas PS (da microParticles GmbH) são revestidas por rotação em substratos de vidro, formando uma máscara de monocamada de nanoesferas com a rede hexagonal (Fig. 1a). Após a deposição das nanoesferas, seu tamanho é modificado através do plasma de oxigênio em um reator de placas paralelas (Plasma Reactor, 0,75 Pa, O 2 100 sccm, 80 W), como mostrado na Fig. 1b. Na próxima etapa, uma camada de ouro de 100 nm de espessura é pulverizada sobre as nanoesferas PS monocamada (Fig. 1c). Depois disso, o processo de lift-off é realizado pela limpeza ultrassônica em tetrahidrofurano (THF), e uma matriz de nanofuros em grande escala é alcançada (Fig. 1d). Em seguida, o filme de cromo (Cr) é pulverizado sobre o primeiro filme de ouro holey (Fig. 1e) e padronizado com as microlentes desejadas e suas matrizes por fotolitografia (Fig. 1f), que domina o desempenho de foco das microlentes finalmente alcançadas. Em seguida, a camada de Cr exposta pelas áreas de abertura é removida, deixando os nano-furos de ouro furados para transmitir a luz incidente (Fig. 1g). Após a limpeza do fotorresiste residual, as microlentes projetadas e seus arranjos são realizados (Fig. 1h).
Esquema das principais etapas do processo de fabricação das microlentes e seus arranjos. a Revestimento giratório de nanoesferas PS em monocamada. b redução do tamanho das nanoesferas PS. c Deposição de Au. d remoção de nanoesferas PS. e Deposição de Cr. f transferência de padrões de microlentes para fotorresiste. g gravura úmida. h remoção de fotorresiste
A Figura 2 mostra as imagens representativas do microscópio eletrônico de varredura (SEM) exibindo várias morfologias automontadas de nanoesferas de PS com o espaçamento de rede P =900 nm, isto é, o diâmetro das nanoesferas PS utilizadas. As monocamadas automontadas de nanoesferas PS são ordenadamente embaladas em uma rede hexagonal nos substratos de vidro na Fig. 2a, d. No entanto, deslocamentos que se apresentam como “fissuras” ainda estão presentes, devido à repulsão eletrostática entre as partículas [30], bem como aos espaços vazios. A Figura 2b, c ilustra as vacâncias de área, multicamadas e defeitos empacotados aleatoriamente, que são distribuídos em certas regiões com uma controlabilidade pobre quando os parâmetros de revestimento por rotação não são otimizados ou perturbados.
Imagens SEM são mostradas para a nanoesferas PS de monocamada compactada ordenadamente auto-montadas de 900 nm de diâmetro, ( b ) Redução do tamanho do PS em O 2 plasma contendo os defeitos de vacâncias e multicamadas, ( c ) nanoesferas PS empacotadas aleatoriamente e ( d ) uma visão ampliada de uma unidade PS embalada hexagonalmente
A Figura 3 mostra o resultado da difração de luz visível na máscara das nanoesferas e fotos da câmera digital do 4-in. wafer e um chip de 10 mm × 10 mm com várias células de microlentes. As microlentes individuais e sua matriz são ilustradas na Fig. 3d, na qual os nanoholes subjacentes e as microlentes destacadas são claramente observados. Também revela os defeitos aleatórios existentes nas microlentes individuais.
a Imagem de difração do fabricado de 4 pol. máscara de nanosfera de monocamada de nível de wafer. Fotografias das microlentes fabricadas e suas matrizes em um substrato de vidro em ( b ) o nível de wafer e ( c ) o nível do chip. d Imagem do microscópio óptico das microlentes de 8 μm e sua matriz 5 × 5 com espaçamento de 4 μm
A fim de explorar o desempenho de foco das microlentes obtidas, comparamos os resultados da simulação 3D no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD) com os testes experimentais. Nossa configuração experimental, conforme descrito na Fig. 4, empregando o microscópio óptico invertido da Nikon como a plataforma operacional principal, é usada para mapear os campos ópticos gerados a partir do incidente de onda plana nas microlentes. Depois de transmitir através das microlentes, uma objetiva de microscópio de imersão em óleo de alta qualidade (100 ×, NA =1,49) exibe padrões de manchas em uma câmera CCD e é conduzida pelo controlador piezoelétrico E-816 (Physik Instrumente (PI)) com um degrau comprimento de 100 nm. Depois de coletar centenas de fatias de luz 2D, o campo óptico 3D ao longo do eixo de propagação das microlentes pode ser construído.
Configuração experimental para caracterizar o desempenho de foco óptico de microlentes e seus arranjos. Um laser de onda contínua (CW) de 532 nm é expandido por meio de um telescópio para obter um feixe homogêneo. Passando pelas microlentes, o padrão de manchas transmitido é coletado por uma objetiva de microscópio e medido por um CCD
Resultados e discussão
- I.
Desempenho de foco de microlentes
O modelo 3D de microlentes com o diâmetro de d tendo nanoholes circulares dispostos em uma rede hexagonal é estabelecido usando o método FDTD. O colimado, x -luz polarizada com um comprimento de onda operacional de 532 nm é iluminada, um ponto focal bem definido (local de intensidade máxima) é observado no x - z plano (o mesmo que y - z plano, uma vez que o campo eletromagnético é distribuído simetricamente) através do centro das microlentes de 4 μm, e a largura total na metade do máximo (FWHM) do ponto no plano focal é 1,25 μm (Fig. 5a), que é próximo ao limite de difração de Rayleigh de 0,912 μm calculado por 0,61 λ / NA [31]. Além disso, os padrões ópticos de campo distante são simulados com espaçamentos de rede de 522 e 900 nm, e os comprimentos de onda de operação de 532 e 633 nm são selecionados. As distâncias focais simuladas são 12 e 10,4 μm para as microlentes de 4 μm em λ =532 e 633 nm, respectivamente, e o valor aumenta para 46 μm para as microlentes de 8 μm em λ =532 nm, como mostrado na Fig. 5a, c. Como seus efeitos de foco não são consequência da engenharia da frente de onda, microlentes de 4 μm com espaçamento de rede de 522 ou 900 nm têm pontos focais quase idênticos, o que valida que o comprimento focal depende principalmente do tamanho da lente e do comprimento de onda de trabalho.
a Mapeamentos de campo óptico das microlentes de 4 μm para os casos simulados de a1 λ =633 nm, P =522 nm; a2 λ =532 nm, P =522 nm; a3 λ =532 nm, P =900 nm; e a4 o resultado medido de λ =532 nm, P =900 nm. b A intensidade de luz axial da integral R-S calculada, simulação de FDTD e medição óptica para as microlentes projetadas de d =4 μm. c A diferença de intensidade de campo para o c1 simulado e c2 resultados medidos quando d =8 μm em λ =532 nm, P =900 nm. d A intensidade axial para as microlentes de d =8 μm. Os campos de intensidade ao longo do y-z os planos são distribuídos de forma idêntica como x-z aviões
O ponto focal está sujeito ao limite de difração de Rayleigh clássico porque o foco de campo distante não se origina da recuperação de campo evanescente [32] ou super-oscilações [33]. Portanto, a dependência do comprimento focal no comprimento de onda operacional pode ser expressa por uma relação derivada da integral de Rayleigh-Sommerfeld (R-S) [18]. Da Fig. 5b, d, podemos ver que as distribuições do campo óptico calculado pela integral R-S concordam muito bem com os resultados da simulação FDTD para ambos os casos. No entanto, os resultados da medição mostram uma ligeira diferença devido aos vários erros introduzidos durante o procedimento de fabricação e medição óptica. É importante notar que para o caso de 4 μm, o desvio de medição em contraste com a simulação é de 8,3%, em comparação com 1,1% para o caso de 8 μm. Ou seja, as microlentes de maior diâmetro são mais insensíveis aos erros normais.
Uma vez que o desempenho da focagem é irrelevante para a engenharia da frente de onda, a taxa de transferência óptica do ponto focal depende da transmissão aprimorada por SP através das aberturas de sub comprimento de onda [18]. Quando os resultados da Fig. 6 são comparados com os espectros de transmissão das diferentes microlentes, as transmissões aumentadas e as transmissões suprimidas estão presentes em diferentes comprimentos de onda, dependendo do espaçamento da rede. De acordo com relatórios anteriores [34], a resposta espectral seletiva foi descoberta como decorrente do efeito combinado da ressonância de plasmon de superfície de propagação (PSPR) sustentada na interface metal / dielétrica e a ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR) em torno dos nano furos. Conforme observado na Fig. 6c, as localizações das quedas de transmissão, conforme sugerido pelos círculos, aparecem com um desvio para o vermelho ao longo do x - eixo coordenado conforme o espaçamento da rede aumenta, o mesmo ocorre com os picos de transmissão. Isso confere às microlentes habilidades incomuns para controlar o rendimento ótico em comprimentos de onda específicos e garante que as microlentes sejam facilmente projetadas com uma focagem de alta eficiência. A Figura 6a, b fornece as distribuições de campo de microlentes de 4 μm para o caso de P =400 nm no comprimento de onda de mergulho de 581 nm e o pico de 681 nm, respectivamente. Exceto por uma diminuição na distância focal introduzida pelo aumento do comprimento de onda, a intensidade do ponto focal para o comprimento de onda de 681 nm é quase 100 vezes mais do que λ =581 nm.
a , b Resultados da simulação dos padrões de campo elétrico das microlentes de 4 μm quando P =400 nm no comprimento de onda de trabalho de λ =581 nm (mergulho de transmissão) e 681 nm (pico), respectivamente. c Espectros de transmitância total simulada para as microlentes correspondentes aos espaçamentos da rede P =400, 530 e 600 nm na faixa de frequência de 400 ~ 800 nm, e a inserção mostra o modelo de microlentes de 4 μm. As quedas e picos da transmissão são sinalizados por círculos e triângulo , respectivamente
- II.
Influências de defeitos aleatórios
Apesar do fato de que NSL é um método de fabricação altamente paralelo para criar matrizes de nano-furos de grande área nas microlentes e suas matrizes, um problema percebido desta técnica é que os defeitos são distribuídos aleatoriamente por toda a camada de nano-furos das microlentes. Os defeitos são quase inevitáveis durante o processo de automontagem das nanoesferas, que normalmente são consideradas como limitando fundamentalmente a resolução e a profundidade de penetração dos métodos ópticos. No entanto, é surpreendente que os defeitos ofereçam uma alternativa incomum às estruturas periódicas convencionais para manipular a luz. Demonstrou-se que alguns defeitos aleatórios melhoram, ao invés de deteriorar a nitidez do foco em um experimento óptico específico [35, 36]. Portanto, a influência dos defeitos gerados em nosso processo de fabricação no desempenho de focalização das microlentes aqui estudadas é essencial para aplicações práticas e futuras pesquisas sobre cristais fotônicos aleatórios.
Além das vacâncias, deslocamentos e defeitos de multicamadas mencionados acima que são gerados a partir do procedimento de automontagem de nanoesferas, a deformação de forma de nanoholes também pode existir nas microlentes finais durante o encolhimento de PS e remoção de PS como resultado do O
a Os pontos focais das microlentes são independentes do erro de circularidade σ de nanoholes. As propriedades de foco não mostram uma mudança clara quando σ =0 (nanoholes arredondados) na Fig. 5 é aumentado para a1 σ =0,4, a2 σ =0,7 com uma direção distorcida horizontal, e a3 σ =0,7 com uma direção distorcida perpendicular. b Introdução da aleatoriedade espacial nas posições dos nanoholes. As direções de desvio são aleatoriamente diferentes de furo para furo, mas o comprimento do desvio δ é mantido constante para cada furo. Os mesmos padrões de foco são obtidos quando o comprimento do desvio b1 δ =0, b2 δ =50 nm, e b3 δ =100 nm
Para explorar as influências dos defeitos de posição, desviamos as posições dos nanoholes para diferentes direções com um comprimento δ . A direção do desvio de cada furo é distribuída aleatoriamente de furo a furo e mantida constante para cada δ (ver Fig. 7b). Com o aumento de δ , os nanoholes se desviam do estado perfeitamente compactado e se tornam "mais aleatórios". Três padrões de focagem semelhantes de microlentes em relação a diferentes posições aleatórias de nanoholes, δ =0, 50 e 100 nm, são obtidos. Além disso, observa-se que uma ligeira diminuição na intensidade dos focos aparece no perfil do campo com uma matriz de nano furos mais aleatória. Acima de tudo, revela que os defeitos de forma e posição dentro das microlentes afetam pouco o desempenho do foco e, na maioria das vezes, apenas modulam a intensidade do foco.
- III.
Foco no desempenho de matrizes de microlentes
A Figura 8 mostra a matriz fabricada de 3 x 3 microlentes com diferentes espaçamentos e os padrões ópticos medidos experimentalmente sob λ =532 nm, assim como a iluminação de banda larga. Observe que os pontos focais de microlentes com mais deslocamentos na matriz são mais fracos do que aqueles de outras microlentes na Fig. 8b. É porque os defeitos de deslocamento reduzem efetivamente o número de nanofuros que contribuem para o padrão de interferência óptica. Além disso, os resultados mostram excelente concordância com aqueles obtidos pelas simulações de FDTD de que os defeitos afetam principalmente a intensidade dos focos. Além disso, as microlentes podem focalizar a luz branca de banda larga (Fig. 8 (a2) e (b2)) devido à aberração cromática mínima. Os pontos focais sob a iluminação de luz branca têm as dimensões laterais semelhantes àquelas sob um único comprimento de onda, enquanto a distância focal de banda larga é aproximadamente a média das distâncias focais nos comprimentos de onda aprimorados com SP. Além disso, o efeito de acoplamento de foco na matriz de microlentes que analisamos em nossa pesquisa anterior [37] emerge nos padrões de foco obtidos como as regiões C, D e E sinalizadas na Fig. 8 (b1) e (b2).
a Imagens de microscópio óptico para a matriz fabricada de 3 × 3 microlentes com espaçamento de 8 μm quando d =8 μm e os padrões ópticos medidos ( A - A ) em (a1) o comprimento de onda único de λ =532 nm e (a2) a iluminação de banda larga. Focos idênticos de microlentes individuais são observados. b Resultados experimentais ( B - B ) para o espaçamento da matriz de 3 × 3 microlentes 4 μm em (b1) o comprimento de onda único de λ =532 nm e (b2) a iluminação de banda larga. O efeito de acoplamento entre duas microlentes adjacentes, conforme denotado pelas regiões C , D , e E , pode ser observado
Conclusões
Em suma, demonstramos pela primeira vez que a técnica NSL como um método altamente paralelo e de baixo custo pode ser usada para fabricar as microlentes planas metálicas funcionando em todo o espectro visível. Com o suporte dos resultados simulados e experimentais, as propriedades de foco das microlentes podem ser explicadas por uma combinação de interferência óptica e efeitos de plasmon de superfície. Levando em consideração o espaçamento da rede e o diâmetro dos nano-furos, as microlentes podem ser adaptadas para fornecer alta transmissão em comprimentos de onda específicos. O desempenho de foco das microlentes do estado perfeito ao defeituoso é explorado pelo método FDTD. Ambas as simulações e experimentos esclarecem que os defeitos aleatórios em matrizes de nano furos simplesmente afetam a eficiência de foco de microlentes e o efeito de acoplamento de foco, conforme previsto, ocorre sob o comprimento de onda único e iluminação de banda larga. A capacidade de foco de banda larga, tamanho miniaturizado e técnica de fabricação versátil, todos juntos, abrem um grande potencial para dispositivos totalmente ópticos ou optoeletrônicos compactos e baratos, como fotovoltaicos [26], filtros de cores [38] e detecção de índice de refração [39] .
Abreviações
- 3D:
-
Tridimensional
- CCD:
-
Dispositivo de carga acoplada
- FDTD:
-
Domínio do tempo de diferença finita
- FWHM:
-
Largura total na metade do máximo
- LIL:
-
Litografia de interferência a laser
- NA:
-
Abertura numerica
- NSL:
-
Litografia de nanosfera
- PS:
-
Poliestireno
- SEM:
-
Microscópio eletrônico de varredura
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