シュトゥットガルト大学: 低温熱原子層堆積 (ALD) により、3D プリントレンズに反射防止コーティングを実現

この投稿はCoco Bearによって2022-4-30 12:27に最後に編集されました。

はじめに: マイクロ光学デバイスの 3D プリントは、サブミリ波光学デバイスを製造するための非常に強力な製造方法となっています。光学システムでは、光がレンズと空気の境界を通過するたびに、反射により少量の光エネルギーが失われます。この現象は、損失が急速に増加する可能性があるため、マルチレンズシステムでは特に顕著であり、画質を維持したい場合は反射防止コーティングが不可欠です。複雑な顕微鏡光学システムは、複数の部品を製造して組み立てるのではなく、一度に 3D プリントされます。このため、スパッタリングや指向性プラズマエッチングなどの従来のコーティング方法を使用して個々のミラーに反射防止コーティングを施すことは不可能です。これは、これらの指向性コーティングがミラー間のスペースに直接到達できないためです。では、 3D プリントされた光学システム用の反射防止コーティングはどのように作成するのでしょうか?

2022年4月、Antarctic Bearは、シュトゥットガルト大学の研究者がOptical Materials Express誌に「複雑な3Dプリントマイクロ光学システム上へのコンフォーマル反射防止コーティングの原子層堆積」と題する研究を発表したことを知りました。研究者らは、コンフォーマル低温熱原子層堆積（ALD）法によって上記の問題を解決しました。具体的な研究内容を見てみましょう。

2光子重合に使用される樹脂は通常、最高200°Cの温度で安定しているため、研究チームはわずか150°Cで機能するALD技術の開発を目指しました。この研究では、PICOSUN R-200 高度システムを使用して、原子層堆積 (ALD) により 3D プリントされた光学システムに反射防止コーティングを形成しました。彼らが設計した反射防止（AR）コーティングは、二酸化チタン（TiO2）と二酸化ケイ素（SiO2）の4つの交互層で構成されています。反射率が要件を満たすようにするには、コーティングの厚さ（17 nm TiO2、44 nm SiO2、27 nm TiO2、109 nm SiO2）を設計値に正確に調整する必要があります。コーティングは、ソフトウェアツール Essential Macleod を使用して、垂直入射で中心波長 550 nm で設計および最適化されました。通常、入射光の 4% が各インターフェースで反射され、8% が反射により失われます。 AR コーティングは、可視光帯域の大部分にわたって全反射損失を 1% 未満に低減できます。

(a) ARコーティング設計 (b) コーティングなしとARコーティングありのレンズの図 (c) コーティングされたシリコン基準ウェーハの劈開面のSEM画像 (d) 原子層堆積

低温ALD技術<br /> 低温 ALD テクノロジーは、反射防止コーティングを形成する分子前駆体を含むガスに 3D プリントされた部品をさらすことで機能します。ガス分子は自由に移動および拡散できるため、複雑な構造の空洞や張り出し部分に浸透し、均一な薄いコーティングを形成することができます。前駆ガスを変えて追加の層を堆積させることにより、コーティングの厚さ、屈折特性、反射特性を微調整して、カスタム 3D プリントレンズを作成できます。チームは、で 3D プリントされた一連の小型レンズサンプルを使用して ALD コーティング方法をテストしました。結果は、コーティングにより、平面基板の広帯域反射率を可視波長で 1% 未満に低減できることを示しています。

△平面基板にARコーティングを施したタイプ。 (a) コーティングされていないガラス基板と、1つまたは2つのARコーティング面を持つ基板の反射率測定。 (b) コーティングありとコーティングなしの 3D プリント平面構造の反射率。

テスト<br /> 研究者らは、さまざまな 3D プリントされたテスト構造で透過率測定を実行しました。 ARコーティングにより、6つのインターフェースの透過率が74%から90%に増加したことが分かりました。

△伝送テストサンプル。 (a) 全体の厚さが同じ 3D プリントされたポリマーブロックのグループ。右下は、525 nm でのサンプルの透過光画像です。 (b) および (c) 異なる量のコーティングされていないポリマーブロックと AR コーティングされたポリマーブロックを通過する 525 nm での正規化された透過率。 x 軸はポリマーブロックの最長の辺に沿っています。 (d) ARコーティングされたポリマーブロックとコーティングされていないポリマーブロックの平均透過率。

最後に、研究者らは当社の AR コーティングとデュアルレンズイメージング設計を組み合わせて解像度テストを実施し、その結果、コーティングされていないレンズと比較して全体的な強度が 20% 向上したことが示されました。

△デュアルレンズ撮像システムと解像度テスト結果

△ 反射防止コーティングの有無にかかわらず3Dプリントされたマイクロレンズ

研究者たちは、将来的には、このプロセスを応用して、カラーフィルターなどの他の薄膜を 3D プリントされたマイクロレンズ上に直接堆積させることもできると考えています。論文の筆頭著者であるサイモン・リストク氏は、これはALDを3Dプリントされた複雑なマイクロ光学デバイスの反射防止コーティングに応用した初の研究であると指摘している。この方法は、新しいタイプの極薄内視鏡デバイスの製造に使用できる。また、自動運転車用のマイクロセンサーシステムや、拡張現実/仮想現実デバイス（ゴーグルなど）用の高品質マイクロ光学デバイスの製造にも使用できる。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1364/OME.454475

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