将纳米球自组装与传统光刻相结合的宽带金属平面微透镜及其阵列的批量制造

背景

微透镜作为一类最普遍的光学元件，旨在在微/纳米尺度上操纵和聚焦光，具有重要的应用，如显示技术 [1]、激光束准直 [2]、分子检测 [3] 和光学信息存储[4]。尽管折射微透镜广泛用于具有高光通量的商业设备，但它们不可避免地受到体积庞大、色差和球面像差的影响 [5]。另一方面，衍射微透镜的像差较小，但它们的物理尺寸和复杂的三维 (3D) 表面轮廓使它们在小型化和高度缩放的设备中不太有用。此外，它们的制造需要在多次光刻过程中精确对准，这也限制了它们在高度集成的微/纳米光学器件中的应用[6, 7]。

由于在纳米长度尺度上路由和操纵光的独特能力，近年来人们对探索等离子体激元做出了大量努力 [8,9,10]。作为等离子体器件的重要类别，提出并开发了基于薄纳米结构金属膜的等离子体透镜 [11,12,13,14,15,16,17]。金属薄膜上的表面等离子体 (SP) 被入射光与透镜入口表面上的电荷振荡的相互作用激发，并被挤压到纳米孔中。在以特定的波导模式穿过整个金属薄膜后，SP 再次变为传播波。从所有纳米孔径发射出来的子波会相互干扰，在距透镜出射面一定距离处形成强度最大的光斑，也称为聚焦光斑和焦平面。因此，由纳米孔径阵列组成的金属平面微透镜是传统的基于电介质的折射透镜的潜在候选者，可产生亚波长、宽带聚焦并允许全光学或光电单芯片集成。然而，所有由纳米结构组成的微透镜都需要高精度的纳米制造技术，例如电子束光刻 (EBL) 和聚焦离子束 (FIB) 铣削。虽然它们是微透镜原型制作的强大工具，但这些工艺成本高、耗时长，不适合大面积平行制造。

最近，报道了一种基于纳米孔的微透镜，该微透镜能够将可见光谱中的所有波长聚焦到单个光点，通过采用软干涉光刻 (SIL) 的批量制造方法，然后进行纳米图案化程序 [18]。不幸的是，这种方法对于微透镜来说并不理想，因为外围的纳米孔的直径明显小于中心的纳米孔，有些甚至被阻挡，导致焦距与设计有很大的偏差。因此，开发一种通用的大面积微透镜制造技术对其实际应用至关重要。尽管如此，使用当前自上而下或自下而上的方法的有效方法仍然是一个很大的挑战。此外，对聚焦性能的随机缺陷和相邻微透镜之间的耦合效应进行研究也是值得的。

有前途的大面积制造方法，如光刻、激光干涉光刻 (LIL) 和纳米球光刻 (NSL)，能够创建各种纳米结构。光刻技术广泛用于微电子领域以制造集成电路 (IC)。包括深紫外 (DUV) 和极紫外 (EUV) 在内的短波长光源以及浸没式光刻和相移掩模等创新技术的结合，已将特征尺寸推向纳米级 [19, 20]。尽管传统的基于掩膜的光刻技术已经成熟并广泛应用于 IC 行业，但它的设置和操作也非常昂贵。作为一种更简单、更便宜的尺度方法，LIL 基于多个相干激光束的干涉，可以产生特征尺寸接近 20 nm 的一维 (1D)、二维 (2D) 和 3D 周期性结构 [21] .但受技术限制，LIL 难以制作厘米级以上的图案[22]。 NSL 是一种典型的胶体自组装技术，它以高度平行的、晶片级的、廉价的方式满足有效的纳米制造，并使用主要为聚苯乙烯 (PS) 或二氧化硅的六角密堆积纳米球作为光刻、蒸发、沉积、蚀刻、压印等 [23, 24]。由于纳米球的六边形紧密排列，这导致了类似的纳米结构阵列。此外，这种结构可以表现出光栅效应，例如，纳米孔阵列的非凡光学传输 (EOT) 性能，通常是表面等离子体激元 (SPP) 激发的结果 [25]。这对于许多可能的应用尤其重要，例如表面增强拉曼散射 (SERS)、红外 (IR) 振动的增强检测、太阳能电池和增强荧光 [26,27,28,29]。

在这项工作中，我们的方法结合了改进的 NSL 的优点，例如大面积和低成本的制造，以及传统的光刻技术，以生产出与 Odom 的“贴片”相似的所需金属平面微透镜。所实现的微透镜可以在整个可见光谱范围内聚焦单一波长的光以及具有最小发散度的宽带白光。此外，通过模拟和实验验证，纳米孔阵列中纳米球自组装过程中普遍存在的随机缺陷对微透镜的聚焦性能没有显着影响，这意味着同一晶片上不同微透镜的焦斑具有相同的横向尺寸，接近瑞利衍射极限。本文提出的基于金属纳米孔的微透镜和如此发展的 NSL 方法可能为设计和制造用于微型透射平面微/纳米光学器件的新型微透镜打开一扇大门。

方法

电介质 PS 纳米球的自下而上自组装作为一种简单且低成本的形成亚波长纳米孔的途径，通常存在严重的缺陷，例如位错、多层以及点或区域空位。为了解决这些问题，我们对旋涂参数进行了实验研究，包括旋转速度、加速度、悬浮液比例和基底表面的亲水改性，对整个 4 英寸自组装阵列的质量进行了实验研究。 .玻璃晶片。尽管采用优化的参数来减少主要缺陷（空位和多层）并通过图案转移创建相应的纳米孔阵列，但一些位错和空位仍然不可避免并转移到最终的纳米孔结构中。

图 1 说明了自下而上（PS 纳米球的旋涂自组装）和自上而下技术（光刻）的组合，用于低成本、并行制造微透镜及其阵列。首先，将 PS 纳米球（来自 microParticles GmbH）旋涂到玻璃基板上，形成具有六边形晶格的纳米球单层掩模（图 1a）。纳米球沉积后，通过平行板反应器（等离子体反应器，0.75 Pa，O2 100 sccm，80 W）中的氧等离子体改变它们的尺寸，如图 1b 所示。在下一步中，将 100 nm 厚的金层溅射到单层 PS 纳米球上（图 1c）。之后，通过四氢呋喃（THF）中的超声波清洗进行剥离过程，从而实现大规模纳米孔阵列（图 1d）。然后，将铬 (Cr) 膜溅射到第一个多孔金膜上（图 1e），并通过光刻法将所需的微透镜及其阵列图案化（图 1f），这决定了最终实现的微透镜的聚焦性能。接下来，去除开口区域暴露的 Cr 层，留下多孔金纳米孔以传输入射光（图 1g）。清除残留的光刻胶后，实现了设计的微透镜及其阵列（图1h）。

制造微透镜及其阵列的主要工艺步骤示意图。 一 单层 PS 纳米球的旋涂。 b PS纳米球的尺寸收缩。 c 金沉积。 d 去除 PS 纳米球。 e Cr 沉积。 f 将微透镜图案转移到光刻胶上。 g 湿蚀刻。 h 去除光刻胶

图 2 显示了具有代表性的扫描电子显微镜 (SEM) 图像，显示了具有晶格间距 P 的 PS 纳米球的各种自组装形态 =900 nm，即所用 PS 纳米球的直径。 PS 纳米球的自组装单层在图 2a、d 中的玻璃基板上有序地堆积在六边形晶格中。然而，由于粒子之间的静电排斥 [30] 以及点空位，显示为“裂缝”的位错仍然存在。图 2b、c 说明了在旋涂参数未优化或扰动时，区域空位、多层和随机堆积缺陷分布在某些区域的可控性较差。

SEM 图像显示为 a 自组装有序堆积的单层 PS 纳米球，直径为 900 nm，(b ) 含空位和多层缺陷的 O2 等离子体使 PS 尺寸收缩，(c ) 随机包装的 PS 纳米球，和 (d ) 六边形填充 PS 单元的放大图

图 3 显示了纳米球面罩上的可见光衍射结果和 4 英寸的数码相机照片。晶圆和 10 mm × 10 mm 芯片，带有各种微透镜单元。单个微透镜及其阵列如图 3d 所示，其中清楚地观察到下面的纳米孔和分离的微透镜。它还揭示了单个微透镜中存在的随机缺陷。

一 制造的 4 英寸的衍射图像。晶圆级单层纳米球掩模。 (b 中玻璃基板上制造的微透镜及其阵列的照片 ) 晶圆级和 (c ) 芯片级。 d 8-μm微透镜及其5 × 5阵列间距4μm的光学显微镜图像

为了探索所实现的微透镜的聚焦性能，我们将 3D 有限差分时域 (FDTD) 模拟结果与实验测试进行了比较。如图 4 所示，我们的实验装置采用尼康倒置光学显微镜作为主要操作平台，用于映射入射到微透镜上的平面波产生的光场。通过微透镜传输后，高质量油浸显微镜物镜（100×，NA =1.49）将散斑图案成像到 CCD 相机上，并由 E-816 压电控制器（Physik Instrumente (PI)）驱动，步进式100 纳米的长度。采集数百个二维光切片后，就可以构建出沿微透镜传播轴的3D光场。

用于表征微透镜及其阵列的光学聚焦性能的实验装置。 532 nm 连续波 (CW) 激光器通过望远镜进行扩展，以获得均匀的光束。通过微透镜，透射散斑图案被显微镜物镜收集并由CCD测量

结果与讨论

1. 我。

   微透镜的对焦性能

直径为d的微透镜3D模型 通过使用FDTD方法建立具有排列在六边形晶格中的圆形纳米孔。准直，x - 照射工作波长为 532 nm 的偏振光，在 x 中观察到一个明确的焦点（最大强度的位置） -z 平面（同 y -z 平面，因为电磁场对称分布）通过 4 微米微透镜的中心，焦平面上光斑的半高宽 (FWHM) 为 1.25 微米（图 5a），接近到由 0.61λ 计算的 0.912 μm 瑞利衍射极限 /NA [31]。此外，远场光学图案以 522 和 900 nm 的晶格间距进行模拟，并选择了 532 和 633 nm 的工作波长。对于 λ 处的 4 微米微透镜，模拟焦距分别为 12 和 10.4 微米 =532 和 633 纳米，并且在 λ 处，8 微米微透镜的值增加到 46 微米 =532 nm，如图 5a、c 所示。由于它们的聚焦效果不是波前工程的结果，具有 522 或 900 纳米晶格间距的 4 微米微透镜具有几乎相同的焦斑，这证明焦距主要取决于透镜尺寸和工作波长。

一 a1 λ 模拟情况下 4 μm 微透镜的光场映射 =633 纳米，P =522nm； a2 λ =532 纳米，P =522nm； a3 λ =532 纳米，P =900纳米；和 a4 λ的测量结果 =532 纳米，P =900nm。 b d设计的微透镜的R-S积分计算、FDTD模拟和光学测量的轴向光强 =4μm。 c c1 的场强差 模拟和c2 d 时的测量结果 在 λ 处 =8 μm =532 纳米，P =900nm。 d d 微透镜的轴向强度 =8μm。沿 y-z 的强度场 平面与 x-z 的分布相同 飞机

焦斑受经典瑞利衍射极限的约束，因为远场聚焦不是源自渐逝场 [32] 或超振荡 [33] 的恢复。因此，焦距对工作波长的依赖性可以通过从瑞利-索末菲 (R-S) 积分 [18] 导出的关系来表达。从图 5b、d 中，我们可以看到 R-S 积分计算的光场分布与两种情况下的 FDTD 模拟结果非常吻合。然而，由于制造过程和光学测量过程中引入的各种误差，测量结果显示出轻微的差异。值得注意的是，对于 4-μm 的情况，与模拟相比的测量偏差为 8.3%，而 8-μm 的情况为 1.1%。换句话说，直径越大的微透镜对法向误差越不敏感。

由于聚焦性能与波前工程无关，因此焦斑的光学吞吐量取决于通过亚波长孔径的 SP 增强传输 [18]。当图 6 的结果与来自不同微透镜的透射光谱进行比较时，根据晶格间距，增强的透射和抑制的透射出现在不同的波长上。根据之前的报告 [34]，发现选择性光谱响应源于金属/电介质界面处持续的传播表面等离子体共振 (PSPR) 和纳米孔周围的局部表面等离子体共振 (LSPR) 的综合效应。正如在图 6c 中所观察到的，传输下降的位置，如圆圈所示，沿着 x 出现红移 - 坐标轴随着晶格间距的增加而增加，因此它具有传输峰值。这赋予微透镜以不同寻常的能力来控制特定波长的光通量，并确保微透镜可以轻松设计为高效聚焦。图 6a、b 给出了 P 情况下 4 微米微透镜的场分布 分别在 581 nm 的倾角和 681 nm 的峰值处 =400 nm。除了波长增加导致焦距减小外，681 nm 波长的焦斑强度几乎是 λ 的 100 倍 =581 纳米。

一 , b P时4μm微透镜的电场图形模拟结果 =400 nm 在 λ 的工作波长下 =581 nm（透射下降）和 681 nm（峰值）。 c 对应于晶格间距 P 的微透镜的模拟总透射光谱 =400、530 和 600 nm 在 400~800 nm 的频率范围内，以及 插图 显示了 4-μm 微透镜的模型。透射波谷和峰值由圆圈标记 和三角形 , 分别

1. 二。

   随机缺陷的影响

尽管 NSL 是一种在微透镜及其阵列中创建大面积纳米孔阵列的高度并行制造方法，但该技术的一个明显问题是缺陷随机分布在微透镜的纳米孔层中。在纳米球的自组装过程中，缺陷几乎是不可避免的，这通常被认为从根本上限制了光学方法的分辨率和穿透深度。然而，令人惊讶的是，缺陷为操纵光的传统周期性结构提供了一种不同寻常的替代方案。在特定的光学实验中，一些随机缺陷被证明可以改善而不是恶化焦点的清晰度 [35, 36]。因此，我们制造过程中产生的缺陷对本文研究的微透镜聚焦性能的影响对于实际应用和随机光子晶体的进一步研究至关重要。

除了上述纳米球自组装过程中产生的空位、位错和多层缺陷外，由于不平衡的 O2 等离子体，在 PS 收缩和去除 PS 过程中，最终微透镜中也可能存在纳米孔的形状变形蚀刻。因此，我们考虑的这些缺陷可以归类为形式和位置缺陷。为了证明形状缺陷对微透镜聚焦性能的影响，我们展示了具有不同圆度σ的微透镜 当它们的共同填充因子为 0.33 时，在纳米孔中，相应的光学聚焦图像在图 7a 中给出。显然，对于 σ 的情况，这些聚焦模式 =0.4 和 σ =0.7 除了焦点强度略有变化外，几乎相同。更明显的是，如图 7a 所示，a1、a2 和 a3 中相似的焦点图案表明变形程度的增加和变形方向的变化对微透镜的聚焦特性的影响可以忽略不计。

一 微透镜的焦点与不圆度误差 σ 无关 纳米孔。当σ时聚焦特性没有明显变化 =0（圆形纳米孔）在图 5 中增加到 a1 σ =0.4, a2 σ =0.7 具有水平扭曲方向，并且 a3 σ​​ =0.7 垂直扭曲方向。 b 将空间随机性引入纳米孔的位置。孔与孔的偏差方向随机不同，但偏差长度δ 每个孔都保持不变。当偏差长度b1 δ =0, b2 δ =50 nm，和 b3 δ =100 纳米

为了探索位置缺陷的影响，我们将纳米孔的位置以δ的长度向不同的方向偏移 .每个孔的偏差方向从孔到孔随机分布，并且对于每个δ保持恒定 （见图 7b）。随着δ的增加 ，纳米孔偏离完美密堆积状态并变得“更加随机”。关于纳米孔的不同随机位置，微透镜的三种相似聚焦模式，δ 获得 =0、50 和 100 nm。此外，观察到在具有更随机的纳米孔阵列的场分布上出现焦点强度的轻微降低。最重要的是，它揭示了微透镜内的形状和位置缺陷对聚焦性能几乎没有影响，主要只是调节焦点强度。

1. 三．

   微透镜阵列的聚焦性能

图 8 显示了制作的具有不同间距的 3 × 3 微透镜阵列和在 λ 下实验测量的光学图案 =532 nm，以及宽带照明。请注意，阵列中具有更多位错的微透镜的焦点比图 8b 中其他微透镜的焦点弱。这是因为位错缺陷有效地减少了对光学干涉图有贡献的纳米孔的数量。此外，结果显示与 FDTD 模拟获得的结果非常吻合，即缺陷主要影响焦点强度。此外，由于色差最小，微透镜可以聚焦宽带白光（图 8（a2）和（b2））。白光照射下的焦斑与单波长下的焦斑具有相似的横向尺寸，而宽带焦距大约是 SP 增强波长下焦距的平均值。此外，我们在之前的研究 [37] 中分析的微透镜阵列中的聚焦耦合效应出现在获得的聚焦模式中，如图 8 (b1) 和 (b2) 中标记的区域 C、D 和 E。

一 当 d 时，制造的 3 × 3 微透镜阵列间距为 8 μm 的光学显微镜图像 =8 μm 和测量的光学图案 (A –A ) 在 (a1) 下 λ的单波长 =532 nm 和 (a2) 宽带照明。观察到来自单个微透镜的相同焦点。 b 实验结果 (B –B ) 对于 (b1) 下的 3 × 3 微透镜阵列间距 4 μm λ的单波长 =532 nm 和 (b2) 宽带照明。两个相邻微透镜之间的耦合效应，由区域 C 表示 , D , 和 E , 可以观察

结论

总而言之，我们首次证明了 NSL 技术作为一种高度并行和低成本的方法可用于制造在整个可见光谱范围内起作用的金属平面微透镜。在模拟和实验结果的支持下，微透镜的聚焦特性可以通过光学干涉和表面等离子体效应的组合来解释。考虑到纳米孔的晶格间距和直径，可以定制微透镜以在特定波长下提供高透射率。 FDTD 方法利用微透镜从完美状态到缺陷状态的聚焦性能。模拟和实验都表明，纳米孔阵列中的随机缺陷只会影响微透镜的聚焦效率，并且在单波长和宽带照明下都会发生预测的聚焦耦合效应。宽带聚焦能力、小型化尺寸和通用制造技术共同为紧凑且廉价的全光学或光电器件（如光伏器件 [26]、滤色器 [38] 和折射率传感 [39]）打开了巨大的潜力。 .

缩写

3D：

三维

CCD：

电荷耦合器件

FDTD：

有限差分时域

FWHM：

半高全宽

LIL：

激光干涉光刻

不适用：

数值孔径

NSL：

纳米球光刻

附注：

聚苯乙烯

SEM：

扫描电子显微镜