纳米球光刻与光刻结合的低成本批量制造宽带金属平面微透镜

摘要

演示了一种结合旋涂纳米球光刻(NSL)与常规光刻技术的新型低成本批量制造方法，高效生产金属平面微透镜及其阵列。所制微透镜由亚波长纳米孔组成，可在整个可见光谱有效聚焦光线，焦点尺寸接近瑞利衍射极限。通过改变纳米孔间距和直径可调节聚焦效率。尽管纳米球自组装过程中常存在随机缺陷，但主要聚焦性能(焦距、景深DOF、半高全宽FWHM)基本保持不变。研究为在晶圆级实现集成纳米光子器件提供廉价途径。

研究背景

微透镜作为最普遍光学元件，旨在微纳尺度操控聚焦光，在显示技术、激光束准直、分子检测、光学信息存储等有重要应用。折射微透镜虽广泛用于商业器件且光通量高，但不可避免存在体积庞大、色差、球差。衍射微透镜像差较小，但物理尺寸和复杂三维表面轮廓使其在微型化高度集成器件中实用性降低。此外，制造需多步光刻精密对准，也限制其在高集成微纳光器件采用。

近年因表面等离子体(SPs)在金属薄膜上能将光限制在纳米长度尺度路由操控，等离子体学研究投入巨大。作为重要等离子体器件类别，基于薄纳米结构金属薄膜等离子体透镜被提出开发。金属薄膜SPs由入射光与透镜入射面电荷振荡相互作用激发，挤压入纳米孔。穿过整个金属薄膜特定波导模式后，SPs重新变为传播波。来自所有纳米孔子波相互干涉在透镜出射面一定距离形成最大强度光斑，即聚焦光斑和焦平面。因此，纳米孔阵列构成的金属平面微透镜是传统介质基折射透镜潜在替代品，带来亚波长宽带聚焦，允许全光或光电单芯片集成。然而，所有纳米结构微透镜需高精度纳米制造技术如电子束光刻(EBL)和聚焦离子束(FIB)铣削。虽为微透镜原型强大工具，但昂贵、耗时、不适合大面积并行制造。

近期采用软干涉光刻(SIL)批量制造后经纳米图案化工艺，报道一种基于纳米孔可将可见光全波长聚焦至单点微透镜。遗憾的是，此法不理想因微透镜周边纳米孔直径显著小于中心孔甚至堵塞，导致焦距偏离设计大幅偏差。因此开发通用大面积微透镜制造技术对实际应用至关重要；尽管如此，自上而下或自下而上现有有效方法仍是巨大挑战。此外，研究纳米球自组装过程随机缺陷对聚焦性能影响及相邻微透镜耦合效应也很有价值。

光刻、激光干涉光刻(LIL)、纳米球光刻(NSL)等大面积制造方法可创建各种纳米结构。光刻广泛用于微电子制造集成电路(ICs)。结合深紫外(DUV)、极紫外(EUV)短波长光源及浸没光刻、移相掩膜创新，特征尺寸推进至纳米尺度。传统掩膜光刻虽成熟广泛用于IC产业，但建立运行成本极高。作为更简单廉价规模方法，LIL基于多束相干激光干涉可产生特征尺寸逼近20 nm一维、二维、三维周期结构。但受技术限制难产生厘米尺度图案。NSL为典型胶体自组装技术，以高度并行、晶圆级、廉价方式实现有效纳米制造，主要用聚苯乙烯(PS)或二氧化硅六方密堆积纳米球作掩膜/模板用于光刻、蒸发、沉积、刻蚀、压印等。因纳米球六方密堆积排列，产生相似纳米结构阵列。此类结构可呈现光栅效应，如纳米孔阵列非寻常光透射(EOT)性能，通常源于表面等离子体极化子(SPPs)激发。这对表面增强拉曼散射(SERS)、红外振动增强检测、太阳能电池、增强荧光等应用特别重要。

本工作结合改进NSL(大面积低成本制造)与常规光刻技术优势，生产类似Odom"补丁"的金属平面微透镜。实现微透镜可聚焦整个可见光谱单波长及宽带白光且发散极小。通过仿真实验验证，纳米球自组装过程中常见随机缺陷对微透镜聚焦性能无显著影响，同一晶圆上不同微透镜焦点横向尺寸一致，接近瑞利衍射极限。本文金属纳米孔基微透镜及开发NSL方法可为微型化透射平面微纳光器件设计制造新型微透镜打开大门。

实验方法

介电PS纳米球自下而上自组装作为形成亚波长纳米孔简单低成本路径，常遭受严重缺陷：位错、多层、点/面空位。为解决这些问题，对整个4英寸玻璃晶圆上形成自组装阵列质量影响的旋涂参数(旋转速度、加速度、悬浮液比例、衬底表面亲水改性)进行实验研究。虽采用优化参数减少主要缺陷(空位、多层)并通过图案转移创建相应纳米孔阵列，但一些位错和空位仍不可避免转移至最终纳米孔结构。

图1示意自下而上(旋涂PS纳米球自组装)与自上而下(光刻)结合低成本并行制造微透镜及阵列。首先，PS纳米球(德国microParticles GmbH)旋涂于玻璃衬底形成六方晶格单层纳米球掩膜(图1a)。沉积后纳米球经平行板反应器氧等离子体(0.75 Pa, O₂ 100 sccm, 80 W)修饰尺寸(图1b)。随后溅射100 nm金层于单层PS纳米球上(图1c)。超声清洗四氢呋喃(THF)剥离工艺获得大面积纳米孔阵列(图1d)。然后溅射铬(Cr)膜于第一多孔金膜上(图1e)并经光刻转移所需微透镜及阵列图案(图1f)，主导最终微透镜聚焦性能。接着去除开口区域暴露Cr层，保留多孔金纳米孔透射入射光(图1g)。清洗残留光刻胶后实现设计微透镜及阵列(图1h)。

图2展示不同PS纳米球自组装形貌代表性SEM图，晶格间距P=900 nm(即所用PS纳米球直径)。图2a,d有序六方密堆积单层PS纳米球。但静电排斥导致"裂缝"形式位错仍存在，以及点空位。图2b,c显示面空位、多层、随机堆积缺陷，旋涂参数未优化或受干扰时分布在特定区域且可控性差。

图3显示纳米球掩膜可见光衍射图像及4英寸晶圆、10mm×10mm芯片各微透镜单元数码照片。单个微透镜及阵列图解(图3d)清晰观察到底层纳米孔和分离微透镜，也显示单个微透镜现有随机缺陷。

为探究微透镜聚焦性能，对比3D有限差分时域(FDTD)仿真结果与实验测试。实验装置(图4)以尼康倒置光学显微镜为主平台，测绘平面波入射微透镜产生光场。透过微透镜后，高品质油浸显微镜物镜(100×, NA=1.49)将散斑成像至CCD相机，由E-816压电控制器(Physik Instrumente)驱动，步长100 nm。采集数百2D光切片，构建微透镜传播轴向3D光场。

结果与讨论

1. I.

   微透镜聚焦性能

用FDTD法建立直径d、六方晶格圆形纳米孔微透镜3D模型。准直x偏振光、工作波长532 nm照射，在x-z平面(因电磁场对称分布同y-z平面)通过4 μm微透镜中心观察清晰聚焦光斑(最大强度位置)，焦平面半高全宽(FWHM)1.25 μm(图5a)，接近0.61λ/NA计算瑞利衍射极限0.912 μm。远场光学图案模拟晶格间距522和900 nm，工作波长532和633 nm。4 μm微透镜λ=532和633 nm模拟焦距分别12和10.4 μm，8 μm微透镜λ=532 nm焦距增至46 μm(图5a,c)。因聚焦效应非源于波前工程，522或900 nm晶格间距4 μm微透镜焦点近乎相同，验证焦距主要取决于透镜尺寸和工作波长。

焦点受经典瑞利衍射极限限制，因远场聚焦非源于倏逝场恢复或超振荡。故焦距对工作波长依赖可用瑞利-索末菲尔德(R-S)积分推导关系表达[18]。图5b,d显示R-S积分计算光场分布与FDTD仿真两情况吻合良好。但测量结果因制造和光学测量误差略有差异。值得注意的是4 μm情况测量偏离仿真8.3%，8 μm情况仅1.1%。即大直径微透镜对正常误差更不敏感。

因聚焦性能与波前工程无关，焦点光通量取决于亚波长孔表面等离子体增强透射[18]。对比图6结果与不同微透镜透射光谱，不同波长存在增强透射和抑制透射。据[34]报告，选择性光谱响应源于金属/介质界面传播表面等离子体共振(PSPR)和纳米孔周围局域表面等离子体共振(LSPR)耦合效应。图6c圆圈标示透射谷随晶格间距增大沿x轴红移，透射峰亦同。这赋予微透镜在特定波长控制光通量异常能力，确保易设计高效聚焦微透镜。图6a,b给出P=400 nm 4 μm微透镜谷波长581 nm和峰波长681 nm电场分布。除波长增加引起焦距减小外，681 nm波长焦点强度几乎比581 nm高100倍。

1. II.

   随机缺陷影响

尽管NSL是制造微透镜及阵列大面积纳米孔阵列高度并行方法，但感知问题为缺陷随机分布贯穿微透镜纳米孔层。缺陷在纳米球自组装过程中近乎不可避免，通常被认为根本限制光学方法分辨率和穿透深度。然而惊人发现缺陷为操控光提供非常规周期结构替代方案。特定光学实验证明某些随机缺陷改善而非恶化聚焦锐度。因此研究源自制造工艺缺陷对微透镜聚焦性能影响对实际应用和随机光子晶体进一步研究至关重要。

除上述纳米球自组装产生空位、位错、多层缺陷，PS收缩和去除过程中因不平衡O₂等离子刻蚀，纳米孔形变也可能存在最终微透镜中。因此考虑缺陷可分类为形状和位置缺陷。为展示形状缺陷对微透镜聚焦性能影响，呈现共同填充因子0.33下纳米孔不同圆度偏差σ微透镜及对应光学聚焦图像(图7a)。显然σ=0.4和0.7情况聚焦图案除焦点强度轻微变化外几乎相同。更明显地，图7a中a1、a2、a3相似焦点图案表明纳米孔变形程度增加和变形方向改变对微透镜聚焦性质影响可忽略。

为探究位置缺陷影响，以长度δ偏离纳米孔位置至不同方向。每个孔偏离方向随机分布但每δ保持恒定(图7b)。随δ增加，纳米孔偏离完美密堆积态变"更随机"。获得δ=0、50、100 nm不同随机位置纳米孔微透镜三相似聚焦图案。进一步观察到随机性更强纳米孔阵列场分布焦点强度轻微下降。总体揭示微透镜内形状和位置缺陷对聚焦性能影响微弱，主要仅调制焦点强度。

1. III.

   微透镜阵列聚焦性能

图8展示制造不同间距3×3微透镜阵列及λ=532 nm实验测光学图案、宽带照明。图8b中阵列中位错较多微透镜焦点较弱，因位错缺陷有效减少贡献光学干涉图案纳米孔数。结果与FDTD仿真吻合良好：缺陷主要影响焦点强度。此外，微透镜可聚焦宽带白光(图8a2、b2)因极小色差。白光照明焦点横向尺寸与单波长相似，宽带焦距约为SP增强波长焦距平均值。此外，前研究分析微透镜阵列聚焦耦合效应[37]在获得聚焦图案中显现为图8(b1)(b2)标记C、D、E区域。

结论

总之，首次证明NSL技术作为高度并行低成本方法可制造全可见光谱工作金属平面微透镜。仿真实验结果支持，微透镜聚焦性质可用光学干涉和表面等离子体效应结合解释。考虑晶格间距和纳米孔直径，微透镜可定制特定波长高透射。利用FDTD方法探究微透镜从完美到缺陷态聚焦性能。仿真实验阐明纳米孔阵列随机缺陷仅影响微透镜聚焦效率，预测耦合效应在单波长和宽带照明下均发生。宽带聚焦能力、微型化尺寸、通用制造技术共同为光伏、彩色滤波器、折射率传感等紧凑廉价全光或光电器件开辟巨大潜力。