スピン多重化および方向多重化全誘電体可視メタホログラムの実証

Summary

スピンおよび方向多重化可視メタホログラムの作製プロトコルを提示し、光学実験を行ってその機能を検証する。これらのメタホログラムは、エンコードされた情報を簡単に視覚化できるため、射出容積表示や情報暗号化に使用できます。

Abstract

メタサーフェスによって実現される光学ホログラフィ技術は、超薄型でほぼ平坦な光学デバイスの形で射影容積表示および情報暗号化表示への新しいアプローチとして浮上している。空間光変調器を用いた従来のホログラフィック技術と比較して、メタホログラムは、光学的なセットアップの小型化、高い画像解像度、ホログラフィック画像の視認性の大きい分野など、多くの利点を有する。ここでは、入射光のスピンと方向に敏感な光学メタホログラムの作製および光学的特徴付けのためのプロトコルが報告される。メタサーフェスは水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)で構成されており、可視範囲全体で大きな屈折率と小さな絶滅係数を持ち、透過率と回折効率が高くなります。デバイスは、入射光のスピンまたは方向が切り替えられると、異なるホログラフィック画像を生成します。したがって、複数の種類の視覚情報を同時にエンコードできます。作製プロトコルは、フィルム堆積、電子ビーム書き込み、その後のエッチングから構成されています。製造された装置はレーザー、線形偏光子、四分の一の波板、レンズおよび電荷結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けることができる。

Introduction

サブ波長ナノ構造からなる光学的なメタサーフェスは、光学的クローキング^1、負の屈折^2、完全光吸収^3、色調フィルタリング^4、ホログラフィック画像投影^5、およびビーム操作^6,6、7、8,など、多くの興味深い光学現象を可能^{にしている}。適切に設計された散乱体を持つ光学的なメタサーフェスは、光のスペクトル、波面および偏光を調節することができる。初期の光学メタサーフェスは、主に高い反射率とナノ加工の容易さのために貴金属(例えばAu,Ag)を使用して製造されましたが、オーミック損失が高いため、微小な可視波長での効率が低くなります。

可視光の損失が少ない誘電体材料のナノファブリケーション技術の開発(例えば、TiO₂^9、GaN10、a-Si:H¹¹⁾により、光学メタサーフェスを備えた高効率平坦光学デバイスの実現が可能になりました。¹⁰これらのデバイスは、光学およびエンジニアリングのアプリケーションを持っています。興味深いアプリケーションの 1 つは、射影容積表示と情報暗号化のための光学ホログラフィです。空間光変調器を使用する従来のホログラムと比較して、メタホログラムは、光学セットアップの小型化、ホログラフィック画像の高解像度、視認性の大きい視野など、多くの利点を有する。

近年、単層メタホログラム装置における複数のホログラフィック情報の符号化が実現されている。例としては^{、スピン12、13、13}軌道¹²角運動量^14、入射光角^15、および方向¹⁶で多重化されたメタホログラムが含まれる。これらの取り組みは、単一のデバイスにおける設計の自由度の欠如であるメタホログラムの重大な欠点を克服しました。ほとんどの従来のメタホログラムは、単一のエンコードされたホログラフィック画像しか生成できませんでしたが、多重化されたデバイスはリアルタイムで複数のホログラフィック画像をエンコードすることができます。したがって、多重化されたメタホログラムは、実際のホログラフィックビデオディスプレイまたは多機能偽造防止ホログラムに向けた重要なソリューションプラットフォームです。

ここで報告されているのは、スピンおよび方向多重化全誘電体可視メタホログラムを製造し、^{それらを13,16,16}に光学的に特徴付けるプロトコルである。1 つのメタサーフェス デバイスで複数の視覚情報をエンコードするために、メタホログラムは、入射光のスピンまたは方向が変更されたときに 2 つの異なるホログラフィック 画像を示すように設計されています。CMOS技術に匹敵する方法で高効率ホログラフィック画像を作製するために、a-Si:Hをメタサーフェスに使用し、その中に誘導される二重磁気共鳴と反強磁性共鳴が利用されます。作製プロトコルは、フィルム堆積、電子ビーム書き込み、およびエッチングから構成されています。製造された装置はレーザー、線形偏光子、四分の一の波板、レンズおよび電荷結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けられる。

Protocol

1. デバイスの製造

注: 図 1 は、A-Si:H メタサーフェス¹⁷の製造プロセスを示しています。

1. フィラシリカウエハピース(サイズ=2cm×2cm、厚み=500μm)を基板として用意します。アセトンとイソプロピルアルコール(IPA)で基板をリンスし、それを乾燥させるために基板上に窒素ガスを吹き付けます。
2. 380 nm厚いa-Si:H膜を、プラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)を使用して、次の設定で堆積します: チャンバー温度 = 300 °C;無線周波数電力 = 800 W;ガス流量 = SiH₄の場合は 10 sccm、H2 の場合は 75 sccm、₂プロセス圧力 = 25 mTorr;時間 = 30 s.
3. 電子ビームリソグラフィフォトレジストをスピンコートします。ポリメチルメタクリレート(PMMA)A2を基板にドロップし、回転速度2,000 rpmで1分間スピンコートします。
4. 180°Cのホットプレートでレジストコーティングされた基板を5分間焼きます。
5. 電子ビーム書き込みプロセス中の電荷蓄積を防止するために、導電性ポリマー層をスピンコートします。導電性ポリマー(例えば、エスパーサー)を基板にドロップし、回転速度2,000rpmでスピンコートを1分間落とします。
6. 80kVの加速電圧と50pAの電流で電子ビームリソグラフィを実行します。
7. 試料を脱イオン(DI)水に2分間浸漬し、導電性ポリマー層を除去します。サンプルを1:3メチルイソブチルケトン(MIBK):12分間のアイスカップで囲まれたIPA溶液を浸し、露出パターンを現像します。次に、サンプルを30 sのIPAでリンスします。
8. eビームエバポレーターを用いて30nm厚クロム(Cr)フィルムを付着する。
9. サンプルをアセトンに浸して、未露光フォトレジスト層を除去し、Crパターンを基板に移します。40 kHzで1分間ソニッケートし、30 sのIPAですすいでください。
10. 500 Wの電源を持つドライエッチャーを使用してCrパターンをa-Si:H層に移すために、発見されたa-Si:H層をエッチングし、100Vのバイアス_、Cl2 の場合は80 sccmのガス流量、HBrの場合は120 sccmのガス流量を使用します。
11. Crエッチ液にサンプルを浸し、Crエッチマスクを除去します。次に、サンプルをアセトン、IPA、DI水でそれぞれ30sで順次リンスします。

2. 走査型電子顕微鏡特性

1. 電子ビーム走査プロセス中の電荷蓄積を防止するために、導電性ポリマー層をスピンコートする。導電性ポリマーを基板にドロップし、回転速度2,000rpmでスピンコートを1分間落とします。
2. カーボンテープを使用して、基板をサンプルホルダーに固定します。 AIR ボタンを押して、ロードロックチャンバーを通気します。
3. ホルダーをロードロック室の保持棒に置きます。 EVAC ボタンを押して、ロードロックチャンバーを退出します。
4. Zセンサーを8mm、Tセンサーを0°に設定して、ステージ高さと傾斜角度を設定します。
5. OPENボタンを押して、ロードロック室のドアを 開 きます。ホールディングロッドを押して、ホールダーをメイン走査型電子顕微鏡(SEM)チャンバーに移します。ロッドを引き出し 、CLOSE ボタンを押します。
6. 電子銃をオンにする前に真空状態を確認してください。 点滅 ボタンを押して、瞬時に高電圧で電子銃のカーボンや埃を除去することで、点滅機能を実行します。
7. SEMソフトウェアの ON ボタンをクリックして、加速電圧5kVの電子銃をオンにします。
8. ソフトウェアの BEAM アライメント パネルをクリックして、電子ビームを中心位置に正確に配置するように 、ビームアライメント を調整します。ステージ コントローラを使用して、中心にある梁を配置します。
9. ソフトウェアの APERTURE アライメント パネルをクリックして、アパーチャーの位置合わせとスティグマの位置合わせを調整して、円形の電子ビームを作成します。スティグマコントローラを使用して、安定したビームを作って同じ場所でスキャンします。
10. 適切なフォーカスとスティグマ調整で SEM 画像をキャプチャします。
11. ソフトウェアの OFF ボタンをクリックして電子線をオフにします。 HOME ボタンをクリックして、ステージを元の位置に戻します。
12. メインチャンバーのドアを開け、ロッドを押してサンプルホルダーを拾います。 AIR ボタンを押してロードロックチャンバーを通し、ホルダーをアンロードします。
13. サンプルをDI水でリンスし、導電性ポリマー層を除去します。

スピン多重化メタホログラムの光学的特徴付け

1. 「材料表」に記載されている光学部品を準備します。
2. ダイオードレーザーモジュールを、1インチの光マウントに接続できるアダプタに取り付けます。ポストとポストホルダーを使用してダイオードレーザーの高さを調整し、クランプを使用して位置を固定します。
   注:すべての光学部品は、ポストとポストホルダーを使用して取り付け、クランプを使用して位置に固定する必要があります。
3. 1インチの回転マウントを使用して半波プレートを組み立て、レーザーモジュールの前面にプレートを置き、直線偏光を回転させます。
4. 1インチのキネマティックマウントに2つのミラーを取り付け、1枚のアライメントディスクを取り付けて、初期ビームの方向を揃えます。
   1. レーザーの前に位置合わせディスクを配置し、高さを設定します。2 つのミラーを配置して、梁がそれぞれ 90° で 2 回曲がり、方向を交互に配置します。
   2. 2番目のミラーの近くに位置付けディスクを配置し、ノブを回転して中心のライトを揃えて最初のミラーの角度を調整します。
   3. 2番目のミラーから遠く位置合わせディスクを配置し、ノブを回転して中心のライトを揃えて、2番目のミラーの角度を調整します。
   4. ライトが両方の場所で位置合わせディスクの中心を通過するまで、ステップ 3.4.2 と 3.4.3 を繰り返します。
5. ミラーの背後にニュートラル密度フィルタを配置して、光の強度をコントロールします。中性密度フィルターの後ろに虹彩を置き、入射光の直径を制御します。
6. 円偏光を作るためには、虹彩の後ろに直線偏光板と4分の1の波板を置きます。各コンポーネントを独自の回転マウントにマウントします。
7. 加工したメタサーフェスを穴のあるプレートに取り付け、矩形光学用のXY変換マウントにプレートを取り付けます。サンプル内のパターンに光が向くように、XY 変換マウントを調整します。
8. メタサーフェスの後にレンズを配置します。焦点距離に配置するレンズの位置を調整します。レンズの後に CCD を配置して、ホログラム画像をキャプチャします。

4. 多重化メタホログラムの光学的特徴付け

1. 2つのビームスプリッター、2つのミラー、レンズ、CCDを準備します。
   注: この設定は、コンポーネントを追加することで、スピン多重化メタホログラムの設定から構築できます。
2. 4 分の 1 の波プレートと XY 変換マウントの間にビーム スプリッタを配置して、ビームを 2 方向に分割します。XY 変換マウントとレンズの間に別のビームスプリッタを配置します。
   注: 1 つのビーム パスは、以前のスピン多重化メタホログラム設定と同じです。ここでは、別の分割ビームが、前の設定とは反対方向にサンプルを照らすように位置合わせされます。
3. 2 つのミラーを配置して、ビームがそれぞれ 90° で 2 回曲がって方向を交互に形成し、2 番目のビーム スプリッターに向けられる梁を調整します。光が光を細かく揃えて、ビームがサンプルを正しく照射するように反対方向に照射します。
4. 最初のビームスプリッターの右側に 90° の別のレンズを配置し、CCD を配置して、反対方向からホログラム画像をキャプチャします。

Results

a-Si:H メタサーフェスは、高いクロス偏光効率を可能にし、CMOSと互換性のある方法(図1)を使用して製造することができます。この特性は、スケーラブルな製造と近い将来の商品化を可能にする可能性があります。SEM 画像は、製造された A-Si:H メタサーフェスを示しています (図 2)。さらに、a-Si:HはTiO2やGaNよりも大きな₂ 屈折率を有するため、4.7程度の低アスペクト比ナノ構造でも、高い回折効率を持つA-SiHメタホログラムを実現できる。633 nm波長で算出した効率は74%、測定効率は61%であった。

スピン多重化メタホログラムは、入射した円偏光の手渡しを単に反転させることで、投影されたホログラフィック画像を切り替えることができます(図3a)。このようなスピン多重化メタホログラムを設計するために、2種類のメタサーフェスが使用されました。光が左または右に円偏光され...

Discussion

a-Si:Hのメタサーフェスは、PECVDを用いたa-Si:H薄膜堆積、精密EBL、ドライエッチングの3つの主要なステップで製造されました。これらのステップの中で、EBLの書き込みプロセスが最も重要です。まず、メタサーフェスのパターン密度が非常に高いため、電子線量(エネルギー)や単位面積あたりのドット数などの走査パラメータを正確に制御する必要があります。開発条件も慎重に選択する必要があります。パターンの密度は非常に高いので、開発プロセスが瞬時に行われると、ナノロッド状のパターンはうまく定義されず、互いに接続されます。この問題を回避し、フォトレジストの適切な負のスロップを提供するために、容易なリフトオフを可能にし、2−4°Cで開発プロセスを行うコールド開発技術を用いた。 さらに、開発液中の分子量と溶解度が異なる2種類のレジストが使用される、容易なリフトオフプロセスに二層レジスト法を用いることができる。さらに、エッチングプロセス中の側壁プロファイルは、エッチングプロセスを調整することによって、できるだけ90°に近づけるべきです。

加工されたメタサーフェスのSEMと光学的特性は厳密に行わ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
アセトン	J.T.ベイカー	925402
ビームスプリッター	Thorlabs	CCM1-BS013/M
クロムエッチング液	KMG	Cr-7
クロム蒸発源	Kurt J. Lesker	EVMCR35D
クランプ	Thorlabs	CP175
導電性高分子	昭和電工	E-スペーサー
ダイオードレーザー	Thorlabs	CPS635
電子ビーム蒸着システム	韓国 真空テック	KVE-E4000
電子ビームレジスト	Microchem	495 PMMA A2
電子ビームリソグラフィー	Elionix	ELS-7800
半波長板	Thorlabs	AHWP05M-600
誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング	DMS	アイ
リス	Thorlabs	SM1D12
イソプロピルアルコール	J.T.ベイカー	909502
キネマティックミラーマウント	Thorlabs	KM100/M
レンズ	Thorlabs	LB1630
レンズマウント	Thorlabs	LMR2/M
直線偏光板	Thorlabs	GTH5-A
ミラー	ソーラブ	ス PF10-03-G01
減光フィルター	ソーラブ	NDC-50C-4
プラズマ強化化学蒸着	BMR技術	HiDep-SC
ポスト	ラブ	ス TR75/M
ポストホルダー	ソーラブ	ス PH75E/M
四分の一波長板	Thorlabs	AQWP10M-580
レジスト現像装置	Microchem	MIBK:IPA=1:3
回転マウント	Thorlabs	RSP1/M
走査型電子顕微鏡	Hitachi	Regulus8100
XY並進マウント	Thorlabs	XYF1/M
1インチアダプター	Thorlabs	AD11F
1-インチレンズ ハンガー	Thorlabs	CP02/M