マイクロ・ナノ加工｜マイクロ・ナノ光学部品の作製について

マイクロ・ナノ光学部品とは、サブミクロンの精度とナノメートルの表面粗さを持つ自由曲面光学部品や微細構造光学部品です。小型、軽量、柔軟な設計、容易なアレイ化、一括再現性などにより、従来の光学部品では不可能だった新しい機能を発揮し、多くの新しい光学系を形成することができる。マイクロ光学素子アレイは、現代光学のさまざまな分野で成功を収めており、軍事や航空宇宙分野でも非常に重要な用途があります。

マイクロ・ナノ光学素子の作製方法は、大きく2つに分類されます。

その一種が超精密加工技術で、工具を使って材料の形状を変えたり、材料の表層を破壊したりして、必要な形状を切削加工で実現するものである。これらの方法の利点は、加工が簡単で、複雑な3次元のマイクロ・ナノ構造を加工できることですが、欠点は、加工コストが高いこと、加工範囲が狭く、Al、Cu、PMMAポリメチルメタクリレートなど一部の材料の加工にしか適さないこと、加工効率が低いことで、アレイ型デバイスや大規模な安価複製は難しく、また回転対称でない光学部品は簡単に作れません。

また、現在マイクロ・ナノ光学部品の生産で主流となっているのが、さまざまな最新の微細加工技術を組み合わせた光加工法である。その代表的なものが、バイナリーオプティクスとマイクロ・ナノ光学部品の直接描画である。光学加工法の利点は、任意の凹凸面レンズを加工でき（特にバイナリーオプティクス）、大規模に再現できることですが、主な欠点は、加工工程が複雑で加工コストが高く、特に石英などの一部の重要光学材料では、連続した滑らかな複雑三次元構造のGaAs加工は依然として大きな困難が存在する。

バイナリーオプティクスは、リソグラフィー、マスキング、エッチング、コーティング技術を組み合わせた最新の加工技術で、回折性のあるマイクロ・ナノ光学部品を作成するための主流技術である。1回のリソグラフィー、現像、エッチング（主にドライエッチング後）で2値構造が得られるなら、同様にnセットのリソグラフィーでnステップの2値構造が得られ、多段階化することで高効率なマイクロ・ナノ光学部品を得ることができる。図1.8にバイナリーオプティクス技術で作製したフェーズドフォーカルプレーンマイクロレンズアレイの電子顕微鏡写真を示す。

バイナリーオプティクス技術の利点は、連続相形状の加工で遭遇する困難を巧みに克服し、高効率の回折型マイクロ・ナノ光学素子の作製において新規かつ非常に重要な方向を切り開き、幅広い材料での加工を可能にすることにある。この方法の主な欠点は、サイジング、ベーキング、現像、エッチング、脱バインダー、洗浄などのいくつかの工程が必要であり、したがって、すでにパターンを有する基板上にパターンを作成することによって生じるアライメントの問題を克服する必要があること、必要な装置のコスト、工程の複雑さ、高い回折効率を有する光学素子を得るための工程を追加することの困難さです。

マイクロ・ナノ光学部品の直描技術は、電子ビーム直描、レーザービーム直描、集束サブビーム加工、ハーフトーンマスクイメージングなどの様々な直描技術を統合し、複製技術と電鋳技術を組み合わせて、様々な回折・屈折性のマイクロ・ナノ光学部品を製造する技術である。主な工程は、ガラス、石英、シリコン、GaAs、Cu、Al、フォトレジストなどの異なる材料の表面に、コンピューターによるスキャンシステムによって、5um以上の横方向分解能と高解像度を持つ連続表面レリーフ構造を生成することです。これらの特徴的なレリーフ微細構造を持つ材料は、マイクロおよびナノ光学部品（石英、シリコン、GaAs、Cu、Alなど）として直接使用することができ、あるいはさらに電鋳や複製技術によってフォトレジストなどの他の材料に転写して大量生産することができる。マイクロ・ナノ光学部品の直接描画技術の主な利点は、連続した表面レリーフ微細構造の作製を可能にし、二元光学法の複雑な処理工程を避け、二元光学法における多重露光に伴うアライメント問題を解決することである。しかし、この方法の主な欠点は、比較的時間がかかり、非常に高価な装置を必要とするポイント・バイ・ポイント処理の導入であるため、石英、GaAs、ガラスなどの重要な光学材料の加工において、高コストで効率が悪く、その先の応用に大きく影響する。図1.9aは集束イオンビームで加工したシリコン回折型マイクロレンズの写真、図1.9bはレーザービーム直接書き込みで加工したマイクロレンズのアレイの写真である。

また、Whitesidesらは、PDMSポリジメチルシロキサン材料上のマイクロ光学アレイの作製に、マイクロレンズリソグラフィーに基づく方法を提案している。まず、フォトリソグラフィーと熱融着によってフォトレジストの表面にマイクロレンズアレイを作製し、さらに元のマスクを通過した光を別のフォトレジストの表面に集光することで、フォトレジストの表面積を露出・発展させて、元のマスクと同じ形状でサイズがはるかに小さい微細構造アレイを得ます。特殊な光学的用途を持つPDMSマイクロ光学部品が得られます。この方法の主な欠点は、PDMSという可鍛性の高い高分子材料に限られ、GaAsや石英などの重要な光学材料のほとんどは加工できないことである。図1.10は、マイクロレンズアレイを用いた集光投影リソグラフィーにより作製した回折型マイクロレンズアレイである。

本稿は、「半導体・金属表面の3次元マイクロ・ナノ構造作製のための新規電気化学処理法とその応用」から引用しています。のことです。, 廈門大学, 緊張。詳細は元記事をご覧ください。