高解像度機能性フォトニックコンポーネントのためのUV-LED投影フォトリソグラフィ

アブストラクト 光学におけるマイクロおよびナノ構造技術の進歩は、フォトニックデバイスおよび集積システムの継続的な小型化と高い幾何学的精度の要求によって推進されています。ここでは、UV-LEDプロジェクションフォトリソグラフィーが、標準的な光学系のみを用いて高解像度かつ高精度の二次元光学マイクロおよびナノ構造を迅速に生成するための簡便かつ低コストな手法として実証されました。開発されたシステムは、基板上に1000倍の縮小投影で構造パターンを投影することを可能にします。ナノメートルからセンチメートルスケールまでの全体構造寸法と多様な幾何学的複雑さを持つ、剛性または柔軟な基板上のフォトニックデバイス（例：導波路やマイクロリング共振器）が成功裏に作製されました。特に、本手法により、特徴サイズが150 nmまで、周期が400 nmまでの高解像度グレーティングが初めて実現されました。ドープされたレーザー活性材料からなる導波路も作製され、その自発放射が検出されました。開発された手法の優れた性能は、フォトニクス、プラズモニクス、光学材料科学など、多岐にわたる分野での応用が期待されます。

はじめに生産の小型化およびコンパクトな統合の需要増加に駆動され、リソグラフィに基づく高度な製造技術は過去数十年にわたり広範に開発され、寸法を縮小し高精度な光学およびフォトニックデバイスの実現が可能となっている。現在までに、高精度なマイクロおよびナノ要素、例えば、導波路1–3、グレーティング4–6、リング共振器7–9、スプリッター10,11、および光スイッチ12–14など、先進的な集積回路やネットワークを構成するものは、二光子リソグラフィ15–17、電子ビームリソグラフィ18–20、イオンビームリソグラフィ21,22、またはナノインプリントリソグラフィ23,24により実験室規模で作製可能である。最初の三つの方法に基づく製造システムは、高品質かつ高解像度の構造形成において優れた性能を示すが、非常に高価であり、スループットが低いという制約がある。ナノインプリントリソグラフィは低コストかつ高スループットで高解像度の構造形成を可能にするが、複製に必要な精密な金型が柔軟性を制限し、追加の費用および時間の投資を必要とする25。別の技術である極端紫外線（EUV）リソグラフィは非常に高品質かつ高解像度の構造を生成する。最先端の最小特徴サイズは10 nm以下である26,27。しかし、この技術は主にマイクロエレクトロニクス集積チップの大量生産に用いられ、商用のEUVリソグラフィシステムは1億ユーロを超える費用がかかり、非常に高価である。実験室規模の光接触リソグラフィ28,29および投影フォトリソグラフィ30–33もマイクロおよびナノ構造形成のために開発されているが、これらの方法はこれまでのところマイクロメートルスケールの解像度しか達成していない。さらに、光接触リソグラフィは高価なコンタクトマスクアライナーの使用を必要とし、フォトマスク上のパターンの解像度と精度はターゲット構造上に転写されるパターンと同じであるため、パターンは直接転写される。

基板へのデマグニフィケーションなしの投影。現在利用可能な投影リソグラフィは通常、水銀ランプを光源として使用しており、その場合は大型の冷却システムが必要であり、コストが高くなります。マイクロおよびナノスケールでの光学投影リソグラフィの生産能力を向上させ、製造装置のコストとサイズを削減するために、標準的な顕微鏡対物レンズを用いてパターンを基板に転写する光を利用した製造手法であるUV-LED顕微鏡投影フォトリソグラフィ（MPP）を提案します。これは高品質なフォトニックコンポーネントの製造における強力な代替技術です。簡単で低コストなUV-LED MPPセットアップを開発し、その高解像度の2Dマイクロおよびナノ構造の迅速かつ精密な生成能力を実証しました。開発したMPPセットアップでは、チューブレンズを実装し、対物レンズと組み合わせて無限補正光学系を構築し、製造構造の品質に大きく影響する像収差を最小化しました。オートフォーカスおよびスティッチングプロセスを開発し、システムの自動化と大面積構造化を実現しました。この製造手法により、特徴サイズ150 nm、周期400 nmの高解像度回折格子を初めて実現しました。さらに、ミリメートルおよびセンチメートルスケールの大面積マイクロ構造、剛性および柔軟な基板上の要素、レーザー活性材料を埋め込んだフォトポリマー製のマイクロ構造など、これまで報告されていなかった構造も成功裏に製造されました。特に、レーザー活性材料をドープしたポリマーの使用は、さまざまな用途向けの新しい能動フォトニックデバイスの創出への道を開きます。得られた結果は、開発したMPP手法が迅速で柔軟かつ高解像度の光学製造における強力なツールであることを明確に示しています。 結果 開発したMPP手法を用いて、構造設計から基板上の構造製造までの手順をカバーする3つの主要なステップに従い、光学的なマイクロおよびナノ構造を実現しました。パターン化されたクロムフォトマスクの準備と目的の構造の製造のために、テッサー投影フォトリソグラフィ（TPP）とMPPの2つのセットアップを開発しました。両システムの詳細な説明と模式図は「材料と方法」セクションに記載しています。この手法の能力を示すために、さまざまな形状、寸法、基板、材料のマイクロおよびナノ構造を製造しました。 シングルモードの直線および交差型導波路 最初のステップでは、さまざまな幾何学的複雑さを持つシングルモード導波路を製造しました（図1）。これは、異なる形状と特徴サイズを持つシングルモード交差導波路のグループを含みます。構造は自己合成した低収縮性有機-無機ハイブリッド感光材料34で作製され、基板上に製造されました。

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