Fabricación en Lote de Bajo Costo de Microlentes Planares Metálicos de Banda Ancha mediante Litografía de Nanoesferas y Fotolitografía

Resumen

Se demuestra un novedoso método de fabricación en lote de bajo costo que combina litografía de nanoesferas por spin-coating (NSL) con técnica fotolitográfica convencional para producir eficientemente microlentes planares metálicos y sus arrays. Los microlentes desarrollados están compuestos de nanoagujeros sublongitud de onda y pueden enfocar luz efectivamente en todo el espectro visible, con tamaños de foco cercanos al límite de difracción Rayleigh. Cambiando el espaciado y diámetro de nanoagujeros, la eficiencia de enfoque puede ajustarse. Aunque defectos aleatorios existen comúnmente durante el auto-ensamblaje de nanoesferas, el rendimiento principal de enfoque, ej. distancia focal, profundidad de foco (DOF) y ancho a media altura (FWHM), se mantiene casi invariable. Esta investigación proporciona una vía barata para realizar dispositivos nanofotónicos integrados a nivel de wafer.

Antecedentes

Los microlentes como clase de componentes ópticos más ubicuos, que buscan manipular y enfocar luz a micro/nanoescala, tienen importantes aplicaciones, como tecnología de visualización, colimación de haz láser, detección molecular y almacenamiento óptico de información. Aunque microlentes refractivos se usan extensamente en dispositivos comerciales con alto rendimiento óptico, inevitablemente sufren tamaño voluminoso, aberraciones cromáticas y esféricas. Por otro lado, microlentes difractivos exhiben menos aberración, pero su tamaño físico y perfiles superficiales tridimensionales (3D) complejos los hacen menos útiles en dispositivos miniaturizados y altamente escalados. Además, su fabricación requiere alineación precisa durante múltiples procesos litográficos, lo que también limita su adopción en dispositivos micro/nano-ópticos altamente integrados.

Se han dedicado esfuerzos sustanciales a explorar plasmónica en años recientes, debido a la capacidad única de enrutar y manipular luz a escala nanométrica. Como categoría importante de dispositivos plasmónicos, lentes plasmónicas basadas en películas metálicas nanoestructuradas delgadas fueron propuestas y desarrolladas. Los plasmones de superficie (SP) en películas metálicas son excitados por interacción de luz incidente con oscilaciones de carga en la superficie de entrada de la lente y son comprimidos en los nanoorificios. Tras pasar a través de toda la película metálica en modos de guía de onda específicos, los SP cambian a ondas propagativas nuevamente. Las sub-ondas transmitidas desde todos los nanoorificios interferirán entre sí y formarán un punto de luz con intensidad máxima a cierta distancia de la superficie de salida de la lente, denominados punto de enfoque y plano focal. Consecuentemente, microlentes planares metálicos compuestos de arrays de nanoorificios son candidatos potenciales para lentes refractivos dieléctricos convencionales, proporcionando enfoque sublongitud de onda pero de banda ancha y permitiendo integración en chip todo-óptico u optoelectrónico. Sin embargo, todos los microlentes compuestos de nanoestructuras requieren técnicas de nanofabricación de alta precisión, como litografía de haz de electrones (EBL) y fresado por haz de iones enfocado (FIB). Aunque son herramientas poderosas para prototipar microlentes, estos procesos son costosos, lentos y no adecuados para fabricación paralela de gran área.

Recientemente, se reportó un tipo de microlente basado en nanoagujeros capaz de enfocar todas las longitudes de onda en espectro visible a un solo punto empleando método de fabricación en lote de litografía de interferencia suave (SIL) seguido de procedimiento de nanopatronado. Desafortunadamente, este método no es ideal para microlentes porque los nanoagujeros alrededor de la periferia muestran diámetro significativamente menor que los centrales, y algunos incluso están bloqueados, causando gran desviación de la distancia focal del diseño. Por tanto, desarrollar técnica de fabricación versátil y de gran área para microlentes es crucial para sus aplicaciones prácticas; no obstante, el método efectivo usando enfoques top-down o bottom-up actuales sigue siendo un gran desafío. Además, vale la pena investigar los defectos aleatorios en el rendimiento de enfoque y el efecto de acoplamiento entre microlentes adyacentes.

Los prometedores métodos de fabricación de gran área, como fotolitografía, litografía de interferencia láser (LIL) y litografía de nanoesferas (NSL), permiten creación de diversas nanoestructuras. La fotolitografía se usa ampliamente en microelectrónica para fabricar circuitos integrados (CI). La combinación de fuentes de luz de longitud de onda corta, incluyendo ultravioleta profundo (DUV) y ultravioleta extremo (EUV), e innovaciones como litografía por inmersión y máscaras de desplazamiento de fase, han llevado el tamaño de característica bien a escala nanométrica. Aunque la litografía óptica basada en máscaras tradicional está bien establecida y ampliamente usada en industria CI, también es muy costosa tanto para instalar como para operar. Como metodología de escala mucho más simple y barata, LIL se basa en interferencia de varios haces láser coherentes y puede producir estructuras periódicas unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D) con dimensiones de característica acercándose a 20 nm. Pero sufriendo restricciones tecnológicas, LIL es difícil de producir patrones a escala centimétrica. NSL es una técnica típica de auto-ensamblaje coloidal, que cumple nanofabricación efectiva de manera altamente paralela, a escala de wafer, económica y usa nanoesferas de empaquetamiento hexagonal compacto principalmente de poliestireno (PS) o sílice como máscaras o plantillas para fotolitografía, evaporación, deposición, grabado, imprenta, etc. Debido al arreglo de empaquetamiento hexagonal compacto de nanoesferas, esto resulta en un array similar de nanoestructuras. Además, tales estructuras pueden exhibir efectos de red, por ejemplo, transmisión óptica extraordinaria (EOT) de arrays de nanoagujeros, generalmente como resultado de excitación de polaritones de plasmones de superficie (SPP). Esto es específicamente importante para muchas aplicaciones posibles como dispersión Raman mejorada en superficie (SERS), detección mejorada de vibraciones infrarrojas (IR), celdas solares y fluorescencia mejorada.

En este trabajo, nuestro enfoque combina las ventajas de NSL modificada, ej. fabricación de gran área y bajo costo, con técnica fotolitográfica convencional para producir los microlentes planares metálicos deseados que son similares a los "parches" de Odom. Los microlentes realizados como se demuestra pueden enfocar longitudes de onda simples de luz a lo largo de todo el espectro visible así como luz blanca de banda ancha con divergencia mínima. Además, mediante simulación y verificación experimental, los defectos aleatorios comúnmente existentes durante el procedimiento de auto-ensamblaje de nanoesferas en arrays de nanoagujeros revelan no tener influencias dramáticas en el rendimiento de enfoque de microlentes, lo que significa que los puntos focales de diferentes microlentes en el mismo wafer tienen dimensiones laterales idénticas, cercanas al límite de difracción Rayleigh. Los microlentes basados en nanoagujeros metálicos y el método NSL desarrollado aquí pueden abrir una puerta para diseñar y fabricar un nuevo tipo de microlentes para dispositivos micro/nano-ópticos planares transmisivos miniaturizados.

Métodos

El auto-ensamblaje bottom-up de nanoesferas dieléctricas PS como ruta simple y de bajo costo para formar nanoagujeros sublongitud de onda a menudo sufre defectos severos, ej. dislocaciones, multicapa y vacancias puntuales o de área. Para abordar estos problemas, emprendimos estudios experimentales de parámetros spin-coating, incluyendo velocidad de giro, aceleración, proporción suspensión e hidrofílica modificación de superficies de sustratos, sobre calidad de arrays auto-ensamblados sobre todo wafer de vidrio 4 pulg. Aunque parámetros optimizados se adoptan para reducir defectos mayores (vacancias y multicapa) y crear arrays de nanoagujeros correspondientes mediante transferencia de patrón, algunas dislocaciones y vacancias son aún inevitables y se transfieren a las estructuras finales de nanoagujeros.

La Fig. 1 ilustra la combinación de técnica bottom-up (auto-ensamblaje por spin-coating de nanoesferas PS) y top-down (fotolitografía) para fabricación paralela de bajo costo de microlentes y sus arrays. Primero, nanoesferas PS (de microParticles GmbH) se depositan por spin-coating sobre sustratos de vidrio, formando monocapa de máscara de nanoesferas con red hexagonal (Fig. 1a). Tras deposición de nanoesferas, su tamaño se modifica vía plasma de oxígeno en reactor de placas paralelas (Reactor Plasma, 0,75 Pa, O₂ 100 sccm, 80 W), como se muestra en Fig. 1b. En siguiente paso, capa de oro de 100 nm se deposita por sputtering sobre monocapa de nanoesferas PS (Fig. 1c). Después, proceso lift-off se realiza por limpieza ultrasónica en tetrahidrofurano (THF), y así se logra array de nanoagujeros a gran escala (Fig. 1d). Luego, película de cromo (Cr) se deposita por sputtering sobre primera película de oro agujereada (Fig. 1e) y se patrona con los microlentes y arrays deseados por fotolitografía (Fig. 1f), que domina el rendimiento de enfoque de los microlentes finalmente logrados. A continuación, la capa Cr expuesta por áreas de apertura se remueve, dejando los nanoagujeros de oro agujereado para transmitir luz incidente (Fig. 1g). Tras limpiar fotorresistente residual, los microlentes diseñados y sus arrays se realizan (Fig. 1h).

La Fig. 2 muestra imágenes representativas de microscopio electrónico de barrido (SEM) mostrando diversas morfologías auto-ensambladas de nanoesferas PS con espaciado de red P = 900 nm, ej. diámetro de nanoesferas PS empleadas. Las monocapas auto-ensambladas de nanoesferas PS están ordenadamente empaquetadas en red hexagonal sobre sustratos de vidrio en Fig. 2a, d. Sin embargo, dislocaciones mostradas como "grietas" aún están presentes, debido a repulsión electrostática entre partículas, así como vacancias puntuales. Fig. 2b, c ilustran vacancias de área, multicapa y defectos empaquetados aleatoriamente, distribuidos en ciertas regiones con pobre controlabilidad cuando parámetros spin-coating no están optimizados o se perturban.

La Fig. 3 muestra resultado de difracción luz visible en máscara de nanoesferas y fotos de cámara digital de wafer 4 pulg. y chip 10 mm × 10 mm con varias celdas de microlentes. El microlente individual y su array se ilustran en Fig. 3d, en los que los nanoagujeros subyacentes y los microlentes desprendidos se observan claramente. También revela los defectos aleatorios existentes en los microlentes individuales.

Para explorar el rendimiento de enfoque de los microlentes logrados, comparamos resultados de simulación 3D de diferencias finitas en dominio temporal (FDTD) con pruebas experimentales. Nuestro setup experimental, como se describe en Fig. 4, empleando microscopio óptico invertido Nikon como plataforma principal de operación, se usa para mapear campos ópticos generados desde onda plana incidente en el microlente. Tras transmitir a través del microlente, un objetivo de microscopio de inmersión en aceite de alta calidad (100×, NA = 1,49) imagen patrones speckle sobre cámara CCD y es accionado por controlador piezo E-816 (Physik Instrumente (PI)) con longitud de paso 100 nm. Tras colectar cientos de rebanadas 2D de luz, el campo óptico 3D a lo largo del eje de propagación del microlente puede construirse así.

Resultados y Discusión

1. I.

   Rendimiento de enfoque de microlentes

El modelo 3D de microlente con diámetro d teniendo nanoagujeros circulares dispuestos en red hexagonal se establece usando método FDTD. Luz colimada, polarizada en x, con longitud de onda operación 532 nm se ilumina, observándose un punto focal bien definido (ubicación de intensidad máxima) en plano x-z (igual que plano y-z ya que campo electromagnético se distribuye simétricamente) a través del centro de microlentes 4 μm, y el ancho a media altura (FWHM) del punto en el plano focal es 1,25 μm (Fig. 5a), cercano al límite de difracción Rayleigh de 0,912 μm calculado por 0,61λ/NA. Además, patrones ópticos de campo lejano se simulan con espaciados de red 522 y 900 nm, y longitudes de onda operación 532 y 633 nm seleccionadas. Las distancias focales simuladas son 12 y 10,4 μm para microlente 4 μm a λ = 532 y 633 nm, respectivamente, y el valor aumenta a 46 μm para microlente 8 μm a λ = 532 nm, como se muestra en Fig. 5a, c. Como sus efectos de enfoque no son consecuencia de ingeniería de frente de onda, microlentes 4 μm con espaciado de red 522 o 900 nm tienen puntos focales casi idénticos, validando que la distancia focal depende principalmente del tamaño de lente y longitud de onda de trabajo.

El punto focal está sujeto al límite clásico de difracción Rayleigh porque el enfoque de campo lejano no origina de recuperación de campo evanescente o super-oscilaciones. Por tanto, la dependencia de distancia focal en longitud de onda operación puede expresarse por relación derivada de integral Rayleigh-Sommerfeld (R-S). De Fig. 5b, d, vemos que distribuciones campo óptico calculadas por integral R-S concuerdan muy bien con resultados simulación FDTD para ambos casos. Sin embargo, resultados medición muestran ligera diferencia debido a varios errores introducidos durante procedimiento fabricación y medición óptica. Vale notar que para caso 4 μm, desviación medición respecto a simulación es 8,3 %, comparado con 1,1 % para caso 8 μm. En otras palabras, microlentes con diámetro mayor son más insensibles a errores normales.

Puesto que el rendimiento de enfoque es irrelevante a ingeniería de frente de onda, el rendimiento óptico del punto focal depende de la transmisión mejorada por SP a través de aberturas sublongitud de onda. Cuando resultados de Fig. 6 se comparan con espectros transmisión de diferentes microlentes, transmisiones mejoradas y suprimidas están presentes en diferentes longitudes de onda dependiendo del espaciado de red. Según reportes previos, la respuesta espectral selectiva se descubrió que proviene del efecto combinado de resonancia de plasmón de superficie propagativo (PSPR) sostenido en interfaz metal/dieléctrico y resonancia de plasmón de superficie localizada (LSPR) alrededor de nanoagujeros. Como se observa en Fig. 6c, las ubicaciones de los valles de transmisión, como implican los círculos, presentan un corrimiento rojo a lo largo del eje x-coordenada a medida que aumenta el espaciado de red, y lo mismo ocurre con los picos de transmisión. Esto dota a los microlentes de habilidades inusuales para controlar el rendimiento óptico en longitudes de onda específicas y asegura microlentes fácilmente diseñables con enfoque de alta eficiencia. Fig. 6a, b dan distribuciones de campo de microlente 4 μm para caso P = 400 nm en longitud de onda valle 581 nm y pico 681 nm, respectivamente. Excepto por disminución en distancia focal introducida por longitud de onda aumentada, la intensidad del punto focal para longitud de onda 681 nm es casi 100 veces mayor que λ = 581 nm.

1. II.

   Influencias de defectos aleatorios

A pesar de que NSL es método de fabricación altamente paralelo para crear arrays de nanoagujeros de gran área en microlentes y sus arrays, un problema percibido de esta técnica es que los defectos se distribuyen aleatoriamente a través de la capa de nanoagujeros de los microlentes. Los defectos son casi inevitables durante el proceso de auto-ensamblaje de nanoesferas, que normalmente se piensan que limitan fundamentalmente la resolución y profundidad de penetración de métodos ópticos. Sin embargo, es asombroso que los defectos ofrezcan una alternativa inusual a estructuras periódicas convencionales para manipular luz. Algunos defectos aleatorios se demostraron que mejoran, en lugar de deteriorar, la nitidez del enfoque en un experimento óptico específico. Por tanto, la influencia de defectos generados de nuestro proceso de fabricación en el rendimiento de enfoque de microlentes estudiados aquí es esencial para aplicaciones prácticas y futura investigación sobre cristales fotónicos aleatorios.

Aparte de las vacancias, dislocaciones y defectos multicapa mencionados que se generan del procedimiento de auto-ensamblaje de nanoesferas, la deformación de forma de nanoagujeros también puede existir en los microlentes finales durante la contracción PS y remoción PS como resultado de grabado de plasma O₂ desequilibrado. Por tanto, estos defectos que consideramos pueden clasificarse como defectos de forma y posición. Para demostrar impacto de defectos de forma en rendimiento de enfoque de microlentes, presentamos microlentes con diferentes fuera-de-redondez σ en los nanoagujeros cuando su factor de llenado común es 0,33 y las correspondientes imágenes de enfoque óptico se dan en Fig. 7a. Obviamente, estos patrones de enfoque para casos σ = 0,4 y σ = 0,7 son casi iguales excepto ligera variación de intensidad de focos. Más obviamente, como se ve en Fig. 7a, los patrones de focos similares en a1, a2 y a3 indican que el grado aumentado de deformación y cambio de dirección de deformación imponen influencia despreciable en las propiedades de enfoque de microlentes.

Para explorar influencias de defectos de posición, desviamos las posiciones de nanoagujeros a diferentes direcciones con longitud δ. La dirección de desviación de cada agujero se distribuye aleatoriamente de agujero a agujero y se mantiene constante para cada δ (ver Fig. 7b). Con aumento de δ, los nanoagujeros se desvían del estado compacto perfecto y se vuelven "más aleatorios". Se obtienen tres patrones de enfoque similares de microlentes respecto a diferentes posiciones aleatorias de nanoagujeros, δ = 0, 50 y 100 nm. Además, se observa que una ligera disminución en intensidad de focos aparece en el perfil de campo con array de nanoagujeros más aleatorio. Ante todo, revela que los defectos de forma y posición dentro de microlentes juegan poco efecto en el rendimiento de enfoque y mayormente solo modulan la intensidad de focos.

1. III.

   Rendimiento de enfoque de arrays de microlentes

La Fig. 8 muestra el array fabricado 3×3 de microlentes con diferentes espaciados y los patrones ópticos medidos experimentalmente bajo λ = 532 nm, así como iluminación de banda ancha. Nótese que los puntos focales de microlentes con más dislocaciones en el array son más débiles que los de otros microlentes en Fig. 8b. Es porque los defectos de dislocación reducen efectivamente el número de nanoagujeros contribuyendo al patrón de interferencia óptica. Además, los resultados muestran excelente concordancia con los obtenidos por simulaciones FDTD que los defectos afectan principalmente la intensidad de focos. Adicionalmente, los microlentes pueden enfocar luz blanca de banda ancha (Fig. 8 a2, b2) debido a aberración cromática mínima. Los puntos focales bajo iluminación luz blanca tienen dimensiones laterales similares a los bajo longitud de onda única, mientras la distancia focal de banda ancha es aproximadamente el promedio de las distancias focales en longitudes de onda con transmisión mejorada por SP. Además, el efecto de acoplamiento de enfoque en array de microlentes que analizamos en investigación previa emerge en los patrones de enfoque obtenidos como las regiones C, D y E marcadas en Fig. 8 (b1) y (b2).

Conclusiones

En resumen, hemos demostrado por primera vez que la técnica NSL como método altamente paralelo y de bajo costo puede usarse para fabricar microlentes planares metálicos funcionando sobre todo el espectro visible. Apoyados por resultados simulados y experimentales, las propiedades de enfoque de microlentes pueden explicarse por combinación de interferencia óptica y efectos de plasmones de superficie. Tomando en consideración el espaciado de red y diámetro de nanoagujeros, los microlentes pueden adaptarse para proporcionar alta transmisión en longitudes de onda específicas. El rendimiento de enfoque de microlentes desde estado perfecto a defectuoso es explotado por método FDTD. Tanto simulaciones como experimentos clarifican que los defectos aleatorios en arrays de nanoagujeros simplemente afectan la eficiencia de enfoque de microlentes y el efecto de acoplamiento de enfoque como se predijo ocurre bajo tanto longitud de onda única como iluminación de banda ancha. La capacidad de enfoque de banda ancha, tamaño miniaturizado y técnica de fabricación versátil todos juntos abren gran potencial para dispositivos todo-ópticos u optoelectrónicos compactos e inexpensivos como fotovoltaicos, filtros de color y sensado de índice de refracción.

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

CCD:

Dispositivo de carga acoplada

FDTD:

Diferencias finitas en dominio temporal

FWHM:

Ancho a media altura

LIL:

Litografía de interferencia láser

NA:

Apertura numérica

NSL:

Litografía de nanoesferas

PS:

Poliestireno

SEM:

Microscopio electrónico de barrido