Fabrication en série à faible coût de microlentilles planes métalliques à large bande par lithographie aux nanosphères et photolithographie

Résumé

Une nouvelle méthode de fabrication en série à faible coût combinant la lithographie aux nanosphères par centrifugage (NSL) avec la technique photolithographique conventionnelle est démontrée pour produire efficacement des microlentilles planes métalliques et leurs réseaux. Les microlentilles développées sont composées de nanotrous sous-longueur d'onde et peuvent focaliser la lumière efficacement dans l'ensemble du spectre visible, avec des tailles de foyers proches de la limite de diffraction de Rayleigh. En modifiant l'espacement et le diamètre des nanotrous, l'efficacité de focalisation peut être ajustée. Bien que des défauts aléatoires existent couramment lors de l'auto-assemblage des nanosphères, les principales performances de focalisation, par exemple la distance focale, la profondeur de champ (DOF) et la largeur à mi-hauteur (FWHM), restent presque invariables. Cette recherche fournit un moyen bon marché de réaliser des dispositifs nanophotoniques intégrés au niveau du wafer.

Contexte

Les microlentilles en tant que classe de composants optiques les plus ubiquistes, visant à manipuler et focaliser la lumière à l'échelle micro-/nano-, ont d'importantes applications, telles que la technologie d'affichage, le collimation de faisceau laser, la détection moléculaire et le stockage d'information optique. Bien que les microlentilles réfractives soient largement utilisées dans les dispositifs commerciaux avec un haut débit optique, elles souffrent inévitablement de taille encombrante, d'aberrations chromatiques et sphériques. D'autre part, les microlentilles diffractives présentent moins d'aberration, mais leur taille physique et leurs profils de surface tridimensionnels (3D) complexes les rendent moins utiles dans les dispositifs miniaturisés et hautement intégrés. De plus, leur fabrication nécessite un alignement précis lors de multiples processus lithographiques, ce qui limite aussi leur adoption dans les dispositifs micro-/nano-optiques hautement intégrés.

Des efforts substantiels ont été consacrés à l'exploration du plasmonique ces dernières années, en raison de la capacité unique à router et manipuler la lumière à l'échelle nanométrique. En tant que catégorie importante de dispositifs plasmoniques, les lentilles plasmoniques basées sur des films métalliques nanostructurés minces ont été proposées et développées. Les plasmons de surface (PS) sur les films métalliques sont excités par l'interaction de la lumière incidente avec les oscillations de charge sur la surface d'entrée de la lentille et sont comprimés dans les nano-ouvertures. Après avoir traversé tout le film métallique en modes de guide d'ondes spécifiques, les PS se transforment à nouveau en ondes propagatives. Les sous-ondes transmises depuis toutes les nano-ouvertures interfèrent entre elles et forment un spot lumineux avec l'intensité maximale à une certaine distance de la surface de sortie de la lentille, qui sont également nommés spot focal et plan focal. Par conséquent, les microlentilles planes métalliques composées de réseaux de nano-ouvertures sont des candidats potentiels pour les lentilles réfractives conventionnelles à base de diélectrique, apportant une focalisation sous-longueur d'onde mais à large bande et permettant l'intégration monocircuit tout-optique ou opto-électronique. Cependant, toutes les microlentilles composées de nanostructures nécessitent des techniques de nanofabrication de haute précision, telles que la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et le fraisage par faisceau d'ions focalisés (FIB). Bien qu'elles soient des outils puissants pour le prototypage de microlentilles, ces procédés sont coûteux, chronophages et non adaptés à la fabrication parallèle sur grande surface.

Récemment, un type de microlentille basé sur des nanotrous capable de focaliser toutes les longueurs d'onde dans le spectre visible en un seul spot a été rapporté en employant une méthode de fabrication en série de lithographie par interférence souple (SIL) suivie d'une procédure de nanopatterning. Malheureusement, cette méthode n'est pas idéale pour les microlentilles car les nanotrous autour de la périphérie montrent un diamètre significativement plus petit que ceux du centre, et certains sont même bloqués, causant une grande déviation de la distance focale par rapport au design. Par conséquent, développer une technique de fabrication polyvalente et sur grande surface pour les microlentilles est crucial pour leurs applications pratiques ; néanmoins, la méthode efficace utilisant les approches actuelles top-down ou bottom-up reste un grand défi. De plus, il est utile d'étudier l'influence des défauts aléatoires sur la performance de focalisation et l'effet de couplage entre microlentilles adjacentes.

Les méthodes de fabrication sur grande surface prometteuses, telles que la photolithographie, la lithographie par interférence laser (LIL) et la lithographie aux nanosphères (NSL), permettent la création de diverses nanostructures. La photolithographie est largement utilisée dans la microélectronique pour fabriquer des circuits intégrés (CI). La combinaison de sources lumineuses à courte longueur d'onde, incluant l'ultraviolet profond (DUV) et l'ultraviolet extrême (EUV), et d'innovations, telles que la lithographie par immersion et les masques à décalage de phase, ont repoussé la taille des caractéristiques bien dans l'échelle nanométrique. Bien que la lithographie optique traditionnelle à base de masque soit bien établie et largement utilisée dans l'industrie des CI, elle est aussi très coûteuse à mettre en place et à exploiter. En tant que méthodologie d'échelle beaucoup plus simple et moins chère, la LIL est basée sur l'interférence de plusieurs faisceaux laser cohérents et peut produire des structures périodiques unidimensionnelles (1D), bidimensionnelles (2D) et tridimensionnelles (3D) avec des dimensions de caractéristiques approchant 20 nm. Mais souffrant de la restriction de la technologie, la LIL est difficile à produire des motifs à l'échelle du centimètre. La NSL est une technique typique d'auto-assemblage colloïdal, qui répond à la nanofabrication efficace d'une manière hautement parallèle, à l'échelle du wafer, peu coûteuse et utilise des nanosphères d'empilement compact hexagonal principalement de polystyrène (PS) ou de silice comme masques ou templates pour la photolithographie, l'évaporation, le dépôt, la gravure, l'empreinte, etc. En raison de l'arrangement compact hexagonal des nanosphères, cela résulte en un réseau similaire de nanostructures. De plus, de telles structures peuvent exhiber des effets de réseau, par exemple, la transmission optique extraordinaire (EOT) des réseaux de nanotrous, généralement comme résultat de l'excitation de polaritons de plasmons de surface (SPP). Ceci est spécifiquement important pour de nombreuses applications possibles telles que la diffusion Raman amplifiée en surface (SERS), la détection amplifiée de vibrations infrarouges (IR), les cellules solaires, et la fluorescence amplifiée.

Dans ce travail, notre approche combine les avantages de la NSL modifiée, par exemple, fabrication sur grande surface et à faible coût, avec la technique photolithographique conventionnelle pour produire les microlentilles planes métalliques désirées qui sont similaires aux « patches » d'Odom. Les microlentilles réalisées comme démontré peuvent focaliser des longueurs d'onde uniques de lumière à travers tout le spectre visible ainsi que la lumière blanche à large bande avec une divergence minimale. De plus, via la simulation et la vérification expérimentale, les défauts aléatoires communément existants pendant la procédure d'auto-assemblage des nanosphères dans les réseaux de nanotrous ne révèlent pas d'influences dramatiques sur la performance de focalisation des microlentilles, ce qui signifie que les spots focaux de différentes microlentilles sur le même wafer ont les mêmes dimensions latérales, se rapprochant de la limite de diffraction de Rayleigh. Les microlentilles basées sur des nanotrous métalliques et la méthode NSL ainsi développée présentées ici peuvent ouvrir la voie à la conception et fabrication d'un nouveau type de microlentilles pour les dispositifs micro-/nano-optiques plans transmissifs miniaturisés.

Méthodes

L'auto-assemblage bottom-up de nanosphères diélectriques PS comme voie simple et peu coûteuse pour former des nanotrous sous-longueur d'onde souffre souvent de défauts sévères, par exemple, dislocations, multicouches, et vacances ponctuelles ou de surface. Pour adresser ces problèmes, nous entreprenons des études expérimentales des paramètres de centrifugage, incluant la vitesse de rotation, l'accélération, le proportionnement de la suspension, et la modification hydrophile des surfaces de substrat, sur la qualité des réseaux auto-assemblés formés sur l'ensemble du wafer de verre 4 pouces. Bien que les paramètres optimisés soient adoptés pour réduire les défauts majeurs (vacances et multicouches) et créer les réseaux de nanotrous correspondants par transfert de pattern, certaines dislocations et vacances sont encore inévitables et transférées aux structures finales de nanotrous.

La Figure 1 illustre la combinaison d'une technique bottom-up (auto-assemblage par centrifugage de nanosphères PS) et d'une technique top-down (photolithographie) pour la fabrication parallèle à faible coût de microlentilles et leurs réseaux. Premièrement, les nanosphères PS (de microParticles GmbH) sont centrifugées sur des substrats de verre, formant un masque monocouche de nanosphères avec un réseau hexagonal (Fig. 1a). Après dépôt des nanosphères, leur taille est modifiée via le plasma d'oxygène dans un réacteur à plaques parallèles (Réacteur Plasma, 0,75 Pa, O₂ 100 sccm, 80 W), comme montré en Fig. 1b. À l'étape suivante, une couche d'or de 100 nm est pulvérisée sur la monocouche de nanosphères PS (Fig. 1c). Après cela, le processus de lift-off est effectué par nettoyage ultrasonique dans le tétrahydrofurane (THF), et un réseau de nanotrous à grande échelle est ainsi obtenu (Fig. 1d). Ensuite, le film de chrome (Cr) est pulvérisé sur le premier film d'or troué (Fig. 1e) et patterné avec les microlentilles désirées et leurs réseaux par photolithographie (Fig. 1f), qui domine la performance de focalisation des microlentilles ultimement obtenues. Ensuite, la couche Cr exposée par les zones d'ouverture est enlevée, laissant les nanotrous d'or troués transmettre la lumière incidente (Fig. 1g). Après nettoyage du photorésidu résiduel, les microlentilles et leurs réseaux conçus sont réalisés (Fig. 1h).

La Figure 2 montre les images représentatives de microscopie électronique à balayage (MEB) affichant diverses morphologies auto-assemblées de nanosphères PS avec l'espacement de réseau P = 900 nm, c.-à-d., le diamètre des nanosphères PS employées. Les monocouches auto-assemblées de nanosphères PS sont ordonnément empilées dans un réseau hexagonal sur les substrats de verre en Fig. 2a, d. Cependant, des dislocations qui apparaissent comme des « fissures » sont encore présentes, dues à la répulsion électrostatique entre les particules, ainsi que les vacances ponctuelles. La Figure 2b, c illustre les vacances de surface, multicouches, et défauts empilés aléatoirement, qui sont distribués dans certaines régions avec une contrôlabilité pauvre lorsque les paramètres de centrifugage ne sont pas optimisés ou perturbés.

La Figure 3 montre le résultat de la diffraction de lumière visible sur le masque de nanosphères et les photos de caméra numérique du wafer 4 pouces et d'une puce 10 mm × 10 mm avec diverses cellules de microlentilles. La microlentille individuelle et son réseau sont illustrés en Fig. 3d, dans laquelle les nanotrous sous-jacents et les microlentilles détachées sont clairement observés. Elle révèle aussi les défauts aléatoires existants dans les microlentilles individuelles.

Afin d'explorer la performance de focalisation des microlentilles obtenues, nous comparons les résultats de simulation 3D par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) avec les tests expérimentaux. Notre dispositif expérimental, comme décrit en Fig. 4, employant le microscope optique inversé Nikon comme plateforme opérationnelle principale, est utilisé pour cartographier les champs optiques générés à partir de l'onde plane incidente sur la microlentille. Après transmission à travers la microlentille, un objectif de microscope à immersion d'huile de haute qualité (100×, NA = 1,49) image les motifs de speckle sur une caméra CCD et est piloté par le contrôleur piézo E-816 (Physik Instrumente (PI)) avec une longueur de pas de 100 nm. Après collecte de centaines de tranches 2D de lumière, le champ optique 3D le long de l'axe de propagation de la microlentille peut être ainsi construit.

Résultats et discussion

1. I.

   Performance de focalisation des microlentilles

Le modèle 3D de microlentille avec un diamètre d ayant des nanotrous circulaires arrangés dans un réseau hexagonal est établi en utilisant la méthode FDTD. La lumière collimatée, polarisée en x, avec une longueur d'onde de fonctionnement de 532 nm est illuminée, un spot focal bien défini (localisation de l'intensité maximale) est observé dans le plan x-z (le même que le plan y-z puisque le champ électromagnétique est distribué symétriquement) à travers le centre des microlentilles de 4 μm, et la largeur à mi-hauteur (FWHM) du spot au plan focal est de 1,25 μm (Fig. 5a), ce qui est proche de la limite de diffraction de Rayleigh de 0,912 μm calculée par 0,61λ/NA. De plus, les motifs optiques en champ lointain sont simulés avec les espacements de réseau de 522 et 900 nm, et les longueurs d'onde de fonctionnement de 532 et 633 nm sont sélectionnées. Les distances focales simulées sont de 12 et 10,4 μm pour la microlentille de 4 μm à λ = 532 et 633 nm, respectivement, et la valeur augmente à 46 μm pour la microlentille de 8 μm à λ = 532 nm, comme montré en Fig. 5a, c. Parce que leurs effets de focalisation ne sont pas la conséquence de l'ingénierie de front d'onde, les microlentilles de 4 μm avec espacement de réseau de 522 ou 900 nm ont des spots focaux presque identiques, ce qui valide que la distance focale dépend principalement de la taille de la lentille et de la longueur d'onde de fonctionnement.

Le spot focal est soumis à la limite de diffraction de Rayleigh classique car la focalisation en champ lointain n'origine pas de la récupération de champ évanescent ou de super-oscillations. Donc, la dépendance de la distance focale par rapport à la longueur d'onde de fonctionnement peut être exprimée par une relation dérivée de l'intégrale de Rayleigh-Sommerfeld (R-S). De la Fig. 5b, d, on peut voir que les distributions de champ optique calculées par l'intégrale R-S s'accordent très bien avec les résultats de simulation FDTD pour les deux cas. Cependant, les résultats de mesure montrent une légère différence due aux diverses erreurs introduites pendant la procédure de fabrication et la mesure optique. Il est à noter que pour le cas 4 μm, l'écart de mesure par rapport à la simulation est de 8,3 %, comparé à 1,1 % pour le cas 8 μm. En d'autres termes, les microlentilles avec un diamètre plus grand sont plus insensibles aux erreurs normales.

Puisque la performance de focalisation est sans rapport avec l'ingénierie de front d'onde, le débit optique du spot focal dépend de la transmission amplifiée par SP à travers les ouvertures sous-longueur d'onde. Lorsque les résultats de la Fig. 6 sont comparés avec les spectres de transmission des différentes microlentilles, les transmissions amplifiées et les transmissions supprimées sont présentes à différentes longueurs d'onde selon l'espacement de réseau. Selon des rapports précédents, la réponse spectrale sélective a été découverte comme provenant de l'effet combiné de la résonance de plasmon de surface propagatif (PSPR) soutenue à l'interface métal/diélectrique et de la résonance de plasmon de surface localisée (LSPR) autour des nanotrous. Comme observé en Fig. 6c, les emplacements des creux de transmission, comme impliqués par les cercles, apparaissent avec un décalage vers le rouge le long de l'axe des x-coordonnées à mesure que l'espacement de réseau augmente, il en va de même pour les pics de transmission. Cela confère aux microlentilles des capacités inhabituelles de contrôler le débit optique à des longueurs d'onde spécifiques et assure que les microlentilles peuvent être facilement conçues avec une focalisation à haute efficacité. La Fig. 6a, b donne les distributions de champ d'une microlentille de 4 μm pour le cas de P = 400 nm à la longueur d'onde de creux de 581 nm et celle de pic de 681 nm, respectivement. Excepté une diminution de la distance focale introduite par la longueur d'onde augmentée, l'intensité du spot focal pour la longueur d'onde de 681 nm est presque 100 fois plus que celle de λ = 581 nm.

1. II.

   Influences des défauts aléatoires

Malgré le fait que la NSL est une méthode de fabrication hautement parallèle pour créer des réseaux de nanotrous sur grande surface dans les microlentilles et leurs réseaux, un problème perçu de cette technique est que les défauts sont aléatoirement distribués à travers la couche de nanotrous des microlentilles. Les défauts sont presque inévitables pendant le processus d'auto-assemblage des nanosphères, qui sont normalement pensés pour limiter fondamentalement la résolution et la profondeur de pénétration des méthodes optiques. Cependant, il est étonnant que les défauts offrent une alternative inhabituelle aux structures périodiques conventionnelles pour manipuler la lumière. Certains défauts aléatoires sont démontrés pour améliorer, plutôt que détériorer, la netteté du foyer dans une expérience optique spécifique. Par conséquent, l'influence des défauts engendrés par notre processus de fabrication sur la performance de focalisation des microlentilles étudiées ici est essentielle pour les applications pratiques et la recherche future sur les cristaux photoniques aléatoires.

Outre les vacances, dislocations et défauts multicouches mentionnés ci-dessus qui sont générés à partir de la procédure d'auto-assemblage des nanosphères, la déformation de forme des nanotrous peut aussi exister dans les microlentilles ultimes pendant le rétrécissement PS et l'enlèvement PS comme résultat de la gravure plasma O₂ déséquilibrée. Par conséquent, ces défauts que nous considérons peuvent être classés comme défauts de forme et de position. Pour démontrer l'impact des défauts de forme sur la performance de focalisation des microlentilles, nous présentons les microlentilles avec différentes excentricités σ dans les nanotrous quand leur facteur de remplissage commun est 0,33 et les images de focalisation optique correspondantes sont données en Fig. 7a. Évidemment, ces motifs de focalisation pour les cas de σ = 0,4 et σ = 0,7 sont presque les mêmes excepté la légère variation d'intensité des foyers. Plus évidemment, comme vu en Fig. 7a, les motifs de foyers similaires en a1, a2 et a3 indiquent que le degré accru de déformation et le changement de direction de déformation imposent une influence négligeable sur les propriétés de focalisation des microlentilles.

Pour explorer les influences des défauts de position, nous déviions les positions des nanotrous dans différentes directions avec une longueur δ. La direction de déviation de chaque trou est aléatoirement distribuée de trou en trou et gardée constante pour chaque δ (voir Fig. 7b). Avec l'augmentation de δ, les nanotrous dévient de l'état compact parfait et deviennent « plus aléatoires ». Trois motifs de focalisation similaires de microlentilles concernant différentes positions aléatoires des nanotrous, δ = 0, 50 et 100 nm, sont obtenus. De plus, on observe une légère diminution de l'intensité des foyers sur le profil de champ avec un réseau de nanotrous plus aléatoire. Au-dessus de tout, cela révèle que les défauts de forme et de position dans les microlentilles jouent peu d'effet sur la performance de focalisation et modulent principalement l'intensité des foyers.

1. III.

   Performance de focalisation des réseaux de microlentilles

La Figure 8 montre les réseaux de microlentilles 3 × 3 fabriqués avec différents espacements et les motifs optiques mesurés expérimentalement sous λ = 532 nm, ainsi que l'illumination à large bande. Notez que les spots focaux des microlentilles avec plus de dislocations dans le réseau sont plus faibles que ceux des autres microlentilles en Fig. 8b. C'est parce que les défauts de dislocation réduisent efficacement le nombre de nanotrous contribuant au motif d'interférence optique. De plus, les résultats montrent un excellent accord avec ceux obtenus par les simulations FDTD que les défauts affectent principalement l'intensité des foyers. En outre, les microlentilles peuvent focaliser la lumière blanche à large bande (Fig. 8 (a2), et (b2)) en raison de l'aberration chromatique minimale. Les spots focaux sous l'illumination de lumière blanche ont des dimensions latérales similaires à celles sous une longueur d'onde unique, tandis que la distance focale à large bande est approximativement la moyenne des distances focales aux longueurs d'onde amplifiées par SP. En outre, l'effet de couplage de focalisation dans le réseau de microlentilles que nous avions analysé dans notre recherche précédente émerge dans les motifs de focalisation obtenus comme les régions C, D et E signalées en Fig. 8 (b1) et (b2).

Conclusions

En résumé, nous avons démontré pour la première fois que la technique NSL en tant que méthode hautement parallèle et à faible coût peut être utilisée pour fabriquer des microlentilles planes métalliques fonctionnant sur l'ensemble du spectre visible. Soutenus par les résultats simulés et expérimentaux, les propriétés de focalisation des microlentilles peuvent être expliquées par une combinaison d'interférence optique et d'effets de plasmon de surface. En tenant compte de l'espacement de réseau et du diamètre des nanotrous, les microlentilles peuvent être adaptées pour fournir une transmission élevée à des longueurs d'onde spécifiques. La performance de focalisation des microlentilles de l'état parfait à l'état défectueux est exploitée par la méthode FDTD. Les simulations et expériences clarifient que les défauts aléatoires dans les réseaux de nanotrous affectent simplement l'efficacité de focalisation des microlentilles et l'effet de couplage de focalisation comme prédit se produit sous les deux illuminations à longueur d'onde unique et à large bande. La capacité de focalisation à large bande, la taille miniaturisée et la technique de fabrication polyvalente ensemble ouvrent un grand potentiel pour des dispositifs tout-optique ou opto-électroniques compacts et peu coûteux tels que le photovoltaïque, les filtres de couleur, et la détection d'indice de réfraction.

Abréviations

3D:

Tridimensionnel

CCD:

Dispositif à couplage de charge

FDTD:

Différences finies dans le domaine temporel

FWHM:

Largeur à mi-hauteur

LIL:

Lithographie par interférence laser

NA:

Ouverture numérique

NSL:

Lithographie aux nanosphères

PS:

Polystyrène

SEM:

Microscope électronique à balayage