JP2010539548A - 固浸レンズおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般に、高分解能顕微鏡の光学応用のための固浸レンズの分野に関する。本発明のレンズは、平面（１１）によって制限された球状セクタ（１）と、前記固浸レンズの焦点位置の平面に配置されたナノメートル寸法を有する物体（２）とを含む。固浸レンズの焦点に中心が合わせられたナノメートル寸法の中心開口（３１）を有する光を通さない層（３）が、平面に設けられうる。ナノ物体を、円筒形状を有するチューブまたは細線としうる。本発明のレンズは、リソグラフィ技術を用いて作られうる。
【選択図】 図１

Description

本発明の分野は、サブミクロンサイズの光情報を書き込み、または読み取るための浸漬レンズに関するものである。

非常に広範囲にわたる分野の応用において、非常に小さな面積のゾーンに電磁波を集束させる可能性が長期にわたり用いられてきた。以下にこれらの応用例を挙げると、例えば、顕微鏡、光学検出器または光センサの製造、記録媒体にデータを書き込みおよび／または読み取るための光学システムの製造、および、より一般に、集束ゾーンまたはこのゾーンに設置された材料を局所的に修正または探針するために光を用いるあらゆる応用が挙げられる。加えて、ナノサイエンスおよびナノテクノロジーの出現に合わせて、デバイスおよびシステムが小型化されていくにつれ、光学プローブをさらに小さな面積に集束させるという能力の増強が要求される。

しかしながら、従来の非近接場光学系による電磁波の集束は、レイリーの基準により、半径ｒはλ／２ｓｉｎθに等しいという式に通常制限され、式中、ｒは焦点サイズであり、λは電磁波の波長であり、ｎは前記電磁波が伝播する材料の光屈折率であり、θは集束レンズ系の最大開口角である。電磁波を可能な限り小さな半径領域に集束させるために、一般に、以下のようないくつかのアプローチがとられている。

第１のアプローチは、ｎｓｉｎθに等しい最大開口数ＮＡを増大させることである。これは、光屈折率の高い液体への浸漬か、または半球レンズまたは超半球レンズを有する同様に光屈折率の高い固体材料への浸漬のいずれかによって達成される。このようなレンズは、ＳＩＬ（固浸レンズ）と呼ばれるもので、このレンズの焦点は、半球または超半球の平面にある。実際、これらの技術により、１００％に近い透過を維持しながら、レンズの形状に応じて、従来のシステムよりｎまたはｎ^２倍小さい焦点に光を集束できる。この技術の限界は、数単位を超えない材料の光屈折率に関係する。

第２の可能なアプローチは、いわゆる近接場光学方法によってこの場に集束させることである。これらの方法では、回折による非伝播場の形態のナノ物体のすぐ近傍に電磁場が自然に局在化することを利用する。「ナノ物体」という用語は、少なくとも１つの寸法が数十ナノメートルより小さい物体を意味するものと理解されたい。この場の幾何学的形状、空間分布、および振幅は、一方では、ナノ物体の性質、幾何学的形状、およびサイズによって決定され、他方では、回折光の偏光および波長特性によって決定される。この動作は以下の通りであり、すなわち、波長と比較するとサイズが小さい入射波が、この入射波を回折するナノ物体に送られる。結果的に得られる場は、従来の伝播成分と、ナノ物体付近に局在したままの近接場と呼ばれる非伝播成分とを有する。その後、この近接場は、同様に波長と比較して小さいサイズの第２の物体によって修正されうる。この修正は、場の回折、散乱、または変調のいずれかである。多くの応用において、第１のナノ物体、近接場顕微鏡などによって作り出されたこの近接場に空間的に局在する一般にナノスケール寸法の物体を特徴化、励起、および検出するために、メモリセルに書き込むためのこの局在場の発生および検出が用いられる。実際、局在場を発生させるために、２つのタイプのナノ物体が使用される。

ナノ物体の第１のタイプは、不透明スクリーン、一般には、金属スクリーンにあるナノスケールの穴である。穴は、光ファイバや導波路などの誘電支持体上にある平面の幾何学的形状または金属コーティングに作られうる。この幾何学的形状において、焦点サイズは、穴のサイズにのみ依存する。透過時に発生する近接場は、入射波を最適に回避するようにこれらの穴によって使用されて、良好な信号対雑音比を与える。金属スクリーンの場合、局在場と伝播場との間の信号対雑音比をさらに高めるために、プラズモンモードカップリングによるエンハンスメント効果を用いることが有益な場合もある。このアプローチの主な制限の１つは、穴の直径をａとする因子（ａ／λ）^４に比例する得られた低透過性から生じるものであり、もう１つの制限は、金属の浸透厚さに関係する、スクリーンを構成する不透明材料内への光波の侵入深さから生じる。理論上、分解能は、約１５〜２０ｎｍに制限される。このタイプの構造は、例えば、開口部を有する近接場光学顕微鏡タイプの応用に対して非常に幅広く使用されてきた。これらの光ファイバベースの先端の製造に用いる技術は、一般に、標準的なマイクロ電子プロセスに適合せず、したがって、これらの先端は、あまり再現可能ではない。この状況を改善するために、いくつかの標準的なプロセスが提案されてきた。本願読者は、特に、Ｐ．Ｎ．ミン（Ｐ．Ｎ．Ｍｉｎｈ）らの論文、Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ−Ｖｏｌ．７１，３１１１（２０００）を参照されたい。しかしながら、スクリーンにあるナノスケール開口部のサイズは、５０ｎｍより良好には制御不能である。

第２のアプローチは、物体の近接場を集束させるように少なくとも１つの制限された寸法を有するナノ粒子、ナノディスク、対物面などの規定の幾何学的形状の単一のナノ物体を使用することである。このアプローチでは、表皮効果は制限ではなく、場合によっては、場は非常に小さな寸法に制限されることもある。同様に、このアプローチを考慮すると、一般に、透過性は問題にならない。しかしながら、入射信号から制限された場の信号を抽出する必要がある。この抽出を達成するには、これらのナノ物体を物理的に操作するという困難な場合が多い操作をしたり、金属構造の場合に表面プラズモンモードを介してエンハンスメント効果を使用したりする変調技術が用いられる。この幾何学的形状は、センサおよび検出器の製造や、開口部をもたない近接場光学顕微鏡に対して非常に幅広く使用される。しかしながら、単一のゼロ寸法のナノ物体の操作が困難なことであることには変わりなく、実際、少なくとも１つの巨視的な寸法を有するナノスケールの物体を使用することが多くなる。

好ましい信号対雑音比で最高の分解能を維持するように、２つのアプローチ、すなわち、開口部を有する場合と、開口部を有さない場合の利点を組み合わせるために、ナノ物体をナノ開口部に追加することが知られている。これに関しては、Ｔ．Ｈ．タミニオ（Ｔ．Ｈ．Ｔａｍｉｎｉａｕ）らの論文、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．７，２８（２００７）、「λ／４ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｎｏｐｏｌｅ ａｎｔｅｎｎａ ｐｒｏｂｅｄ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ」において言及されている。この場合、集束イオンビーム技術を用いる従来の開口部を有するＳＮＯＭ（走査型近接場光学顕微鏡）先端またはＮＳＯＭ（近接場走査型光学顕微鏡）先端に、金属アンテナが取り付けられる。この構造には、数多くの制限がある。まず、開口部を有する上述した先端の場合、従来のＳＮＯＭ光学先端からの透過は低いままである。次に、アンテナの役割をするナノ物体は、集束イオンビームで金属マスクをエッチングすることによって作られる。これらの生産技術は、大量作製技術を用いてこれらの集束ヘッドを平行して生産できるほど簡単に利用できるものではない。

また、１００％に近い透過性を維持しながら、開口部型の近接場励起または集光用にＳＩＬレンズを使用することが知られている。さらに、ＳＩＬレンズの焦点でのエバネッセント波の発生は、その幾何学的形状によりレンズの平面境界での全内反射に関係する。これは、以下の多くの応用において有益に用いられてきた。
・顕微鏡タイプの応用：本願読者は、Ｓ．Ｍ．マンスフィールド（Ｓ．Ｍ．Ｍａｎｓｆｉｅｌｄ）らの出版物、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．５７，２６１５（１９９０）を参照。
・光学記録タイプの応用：同じ著者によるＯｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １８，３０５（１９９３）を参照。
・フォトリソグラフィの応用：Ｌ．Ｐ．ジスレイン（Ｌ．Ｐ．Ｇｈｉｓｌａｉｎ）らの論文、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７４，５０１（１９９９）を参照。

このようなＳＩＬレンズはまた、角錐状または円錐状の先端と組み合わされてきた。これらの解決策は、米国特許第６４４１３５９号明細書に記載されている。この先端は、レンズの焦点側に作られることで、このレンズで、波長に近い距離にわたって被測定標本付近での走査が可能となる。このような先端は、５００ｎｍの典型的な曲率半径を有し、ＳＩＬを構成するものと同じ材料で作られる。また、この先端に金属コーティングを塗布することも知られており、前記コーティングには、焦点サイズを制限する働きをするナノスケールの穴があけられる。これらの先端の主な欠点は、アスペクト比が低いことであり、例えば、典型的に、集束効果を維持するための頂部の円錐角は６５°である。この角度は、近接場顕微鏡タイプの応用において、局所的な高分解能を得るためにはあまり好ましくない。これらの先端は、金属コーティングを有するものであってもよいが、その場合、上述したような従来の開口部を有するＳＮＯＭ先端と同じ制限に縛られることになる。

本発明の概念は、一方では、高アスペクト比を有する先端として、他方では、光学分解能を高めるためのアンテナとしてＳＩＬの焦点で、半導体材料で作られた一次元ナノ物体と呼ばれるもの、例えば、ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、または単一のナノピラーを使用することである。ナノ物体は、固浸レンズを介して、この一次元ナノ物体が位置決めされた固浸レンズの焦点で、巨視的な世界へ結合される。ナノ物体を半導体材料から作ることが特に有益である。詳細には、ナノ物体は、とりわけ、そのアスペクト比によって特徴付けられる。この場合のアスペクト比は、ナノ物体の支持体上方でのナノ物体の高さを、支持体の平面におけるナノ物体の直径で割った比に相当する。アスペクト比が高いと、デバイスが移動する表面に対してデバイスを容易に制御できるようになり、および／または、この表面にかかる平坦度の制約を緩めることが可能になる。また、金属のナノ物体のアスペクト比は非常に低く、２または３に制限されるのに対して、半導体材料で作られたなの物体のアスペクト比は、ほぼ１０程度とかなり高くなりうる。

より正確には、本発明の１つの主題は、平面によって囲まれた球状セクタを備える、光学応用のための固浸レンズであって、平面に垂直な母線を有し、少なくとも１つの寸法がナノスケールである、半導体材料で作られた円筒形状のワイヤまたはチューブが、前記固浸レンズの焦点で平面に配置されることを特徴とする固浸レンズである。

有益には、ナノスケール寸法の中央開口部を有する光を通さない層が、平面上に配置され、前記開口部は、固浸レンズの焦点の中心に位置する。ワイヤは、シリコン製であってもよく、ワイヤの自由端に、金ナノ粒子を有してもよい。ワイヤはまた、酸化亜鉛製または窒化ガリウム製のものであってもよく、またはチューブ状のフラーレンであってもよい。

球状セクタは、屈折率が高い材料で作られることが有益である。

また、本発明は、上記定めによる光学レンズを備える光学デバイスであって、ナノスケール寸法の物体を励起するように意図された電磁波を発生するための手段か、またはナノスケール寸法の物体で局在電磁波を検出するための手段のいずれかを含む光学デバイスに関する。

レンズは、各列がいくつかのレンズを備えるいくつかの行列からなるマトリックス状に配列されることが有益である。

レンズは、リソグラフィ技術によって製造され、そのプロセスは、２つの異なる方法で実行されてもよい少なくとも第１の製造ステップを含むことが有益である。第１の実装方法では、以下のもの、すなわち、
・第１の材料の基板上に、等方性エッチング可能な第１の材料とは異なる第２の材料の第１の層と、
・ナノスケール寸法の開口部を有する第３の材料の第２の層と、
が堆積される。

第２の実装方法において、等方性エッチング可能な第１の材料の基板上に、ナノスケール寸法の開口部を有する第３の材料の第２の層が堆積される。

このプロセスは、少なくとも以下のステップ、すなわち、
・基板または第１の層において、第２の層の開口部を通って、等方性エッチングまたは酸化により実質的に半球状のキャビティを作る第２のステップと、
・球状セクタを形成するように半球状キャビティに第４の材料を堆積する第３のステップと、
・基板の第２の面から、球状セクタを露出するように球状セクタを覆う基板の一部を除去する第４のステップと、
・第２の層にある開口部の中心で、第１の層内または第１の層上にナノスケール寸法の物体を作る第５のステップと、
を備えることが有益である。

第１のステップの後に、第２の層にある開口部の中心にナノピラーを作るステップ１ａが続き、ステップ５では、このナノピラーからナノスケール寸法の物体を作ることが有益である。

ステップ５の後に、ナノスケール寸法の物体上に第５の材料の層を成長させるステップ５ａが続くことが有益である。

ステップ５の後に、光を通さない層を作り、ナノスケール寸法の物体を節約するステップ６が続くことが有益である。

第３の材料は、光を通さない材料であることが有益である。

第１の材料はシリコンであり、第２の材料はシリコンまたは酸化シリコンであり、第３の材料は酸化シリコンまたは窒化シリコンであり、第４の材料は、酸化シリコンや酸化ハフニウムなどの高屈折率材料であることが有益である。

本発明は、添付の図面とともに、非制限的に与えられた以下の記載を読むことにより、さらに深く理解され、他の利点も明らかになるであろう。

本発明によるレンズの図を示す。 本発明によるレンズの第１の製造プロセスのあるステップを示す。 本発明によるレンズの第１の製造プロセスのあるステップを示す。 本発明によるレンズの第１の製造プロセスのあるステップを示す。 本発明によるレンズの第１の製造プロセスのあるステップを示す。 本発明によるレンズの第１の製造プロセスのあるステップを示す。 本発明によるレンズの第１の製造プロセスのあるステップを示す。 本発明によるレンズの第２の製造プロセスの第１のステップを示す。 本発明によるレンズの第２の製造プロセスの第１のステップを示す。 ナノ物体の製造時のある準備ステップを示す。 ナノ物体の製造時のある準備ステップを示す。 ナノ物体の製造時のある準備ステップを示す。

図１は、本発明による固浸レンズの断面図を示す。この固浸レンズは、本質的に、以下のものを備える。
・平面１１によって囲まれた球状セクタ１。このセクタは、焦点領域または焦点１２と呼ばれる構造の領域に入射光ビームを集束可能な固浸レンズタイプの集束構造を構成する。このレンズは、シリカから作られてもよい。このレンズは、リソグラフィ技術により、レンズを並列に集積可能なように平面構造に作られてもよい。
・前記固浸レンズの焦点で平面１１上に配置された、ナノ物体と呼ばれるナノスケール寸法の物体２。

このナノ物体は、固浸レンズと、ナノ物体とを備えるアセンブリが、標本の近接場で走査されて、標本の解析実行やその性質の修正を行う応用に対して、高アスペクト比の先端として働くものであってもよい。ナノワイヤやナノチューブなどの高アスペクト比のこれらの一次元ナノ物体は、高分解能ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の先端として使用される。結果的に、本発明によるレンズは、ＡＦＭまたはＳＮＯＭ応用のいずれか、場合によっては、ＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）の応用において、多機能な先端として使用されてもよい。ＳＮＯＭ応用において、ナノ物体２は、以下のように使用されてもよい。
・ナノ物体２は、焦点領域にあるＳＩＬから出る光ビームによって励起されてもよく、この信号を反対側の端部に送り、および／または、この環境を局所的に修正または探針可能な場の強化および空間位置効果を誘導可能である。さらに、例えば、媒体の書き込み機能や、分子励起機能などに使用されうる。
・ナノ物体２は、局在電磁場を検出し、この信号を構造を通して巨視的世界へ送るために使用されてもよい。

ナノ物体２は、１つ以上の分子、１つ以上の集合体、１つ以上のナノワイヤ、または１つ以上のナノチューブまたはフラーレンから選択され、これらは有機か無機か、または半導電性か絶縁性かにかかわらないものであり、さらに、ナノ物体２は、「機能化」されてもされなくてもよく、ドープされてもされなくてもよく、またはさらなるコーティングでコーティングされてもされなくてもよい。このコーティングは、金属コーティングであってもよい。「機能化」という用語は、ナノ物体の能力が特定の機能を与えるように修正されることとして理解されたい。フラーレンの場合、この機能化は、炭素ケージの内側または外側で実行されてもよい。ナノワイヤの場合、成長段階に必要なナノワイヤの端部にある金属触媒ナノ粒子は、成長ステップ中に制御された状態でレンズの焦点にシフトされ位置決めされるナノ物体として働くものであってもよい。このようにして、ナノ物体の性質により、所望の用途に応じて、利用可能な信号の性質を修正することができる。非制限的な例を以下に挙げる。
・ナノ物体がシリコンナノワイヤであれば、ナノ粒子から数ナノメートルだけ場を集束させるプラズモンを発生するために、ワイヤの端部にある金触媒ナノ粒子が使用される。この場合、ワイヤの成長を制御することによって、プラズモン共振器の位置決めおよび操作を容易に行うことができる。
・ナノ物体がＺｎＯまたはＧａＮナノワイヤであれば、ナノワイヤに誘導ルミネッセンスが使用されてもよい。
・ナノ物体がカーボンナノチューブまたはフラーレンであれば、単一の分子でチューブ内を機能する可能性が利用されてもよい。

フォトルミネッセンスナノワイヤの場合、個々のナノワイヤのルミネッセンスが利用されてもよい。焦点位置にあるナノワイヤに関連付けられたＳＩＬシステムにより、１つには、この個々のナノワイヤのフォトルミネッセンスを励起し、もう１つには、レンズに再び入ったルミネッセンスを集光するように、ナノワイヤ内に光を効率的に結合できる。

さまざまな応用において、個々のワイヤ内でのこのような結合が利用されてもよい。例えば、個々のナノワイヤが、レーザナノキャビティとして挙動し、誘導放出を引き起こしうることが示されており、これに関しては、例えば、ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）らの論文、「Ｕｎ ｅｆｆｅｔ ｌａｓｅｒ」（Ａ ｌａｓｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １，１０６（２００２）を参照されたい。したがって、これにより、表面を照明および／または修正したり、マトリックス状のナノレーザによってフォトリソグラフィを実行したりするために使用可能であり、または、長距離光通信用の導波路として挙動する、ワイヤ内に投入するための構造として使用可能である集積ナノスケールレーザが提供される。

また、個々のナノワイヤのルミネッセンスは、隣接した環境によって大幅に修正される。例えば、数十ナノメートル離れた場所にある金属表面は、ナノワイヤのルミネッセンスを「消す」。したがって、レンズに再結合されたナノワイヤのルミネッセンスを探針することによって、近接場において光学プローブとして使用されるナノワイヤで表面を走査することで金属表面のマッピングが可能になる。同様に、ナノワイヤに関連付けられたＳＩＬ構造により、ナノワイヤの両端部を使用することができる。ＳＩＬに結合された端部は、光の入／出点として働き、自由端部は、ワイヤの近接場環境を探針することが可能である。可変屈折率を有する表面が走査されれば、ナノワイヤによって表面に放出される光の比率は、材料の屈折率より高い。したがって、一定の励起力を得るには、ＳＩＬへ再放出される部分は、それに応じて低減する。この例では、プローブにより、ナノワイヤの直径に対応するプローブのナノスケールサイズの分解能で、表面の光屈折をマッピングすることができる。

ナノ物体が、カーボンナノチューブまたはフラーレンである場合、有用な光学特性を有するナノスケール物体が差し込まれてもよいケージとして使用されてもよい。例えば、化学処理によって、および過剰分子の洗浄によって、β−カロチンなどの有機分子をカーボンナノチューブに導入可能であることが示されている。この点に関して、Ｋ．ヤナギ（Ｋ．Ｙａｎａｇｉ）らの論文、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ７４，１５５４２０（２００６）を参照されたい。これにより、一端部に、電子特性にアクセスするようにレンズに結合された単一の有機分子、典型的に、発色団を有し、隣接する環境を探針するために、隣接する環境に結合可能である自由端部を有するナノチューブプローブの製造への道が開かれた。例えば、ＳＩＬを介してこの分子のルミネッセンスを励起および検出し、その修正を記録して、前述した例のように、調査中の表面の光学特性を得ることが可能である。また、表面上に堆積された分子物体をイメージ化するために、効果的に、Ｆｏｅｒｓｔｅｒのエネルギー移動の現象、いわゆる、ＦＲＥＴ（蛍光共鳴エネルギー移動）が使用されてもよい。ナノチューブの分子は、数ナノメートル内にある別の分子にもたらされると、もはや発光的ではなく、双極子結合により非発光的に第２の分子へのエネルギーを断つことによって下方遷移されてもよい。次に、プローブ分子のルミネッセンスが消えることで、第２の分子の存在を区別でき、したがって、第２の分子をイメージ化し、または少なくとも、その光学特性をマッピングすることができる。この場合も、プローブの「分子」サイズにより、典型的に、プローブ分子のサイズの分解能でマッピングを描くことが可能である。

図１に示すような場合、光ビームを通さない層３が、焦点領域を有する構造の面に対して配置される。この面には、レンズの焦点領域を縮小するように、レンズの焦点領域１２のサイズより小さいナノスケールの穴３１が設けられる。不透明層の開口部は、焦点領域に自己整合されることが有益である。さらに、この層は、意図した用途に応じて、単層または多層である。ＳＩＬは、この場合、穴を通る透過性を高める働きをする。開口部を有する金属マスクはまた、電場をナノワイヤの軸と整合する働きをする。ナノ物体は、集束構造の焦点領域にわたって、不透明層にある開口部の位置に設けられる。

本発明による固浸レンズは、ナノ物体を励起させる手段、およびその応答を使用するための手段に接続される。これらの手段は、図１に示していない。この使用手段は、
・ナノ物体を特徴化したり、センサタイプの機能において別の近くの物体とこの応答の結合を特徴化したりするために、ナノ物体の応答を使用するための処理手段と、
・層、特に、記録またはリソグラフィ層を局所的に修正するために、ナノ物体の応答を使用するための書き込み手段と、
・記録層の状態を局所的に探針したり、対象の標本または照射リソグラフィ層上での局所応答をマッピングしたりするために、ナノ物体の応答を使用するための読み取り手段と、
であってもよい。

本発明によるデバイスをマトリックス状に使用すること、特に、記録またはリソグラフィ媒体へ書き込んだり、いくつかのセンサを同時に使用したりすることが有益な場合もある。

開口部付きの金属スクリーンおよびナノ物体を有するＳＩＬアドレッシング構造の製造は、標準的なマイクロ電子技術と並列に実行されうる。これらの技術は、再現性が非常に高く、複数の読み／書きヘッドを大量生産できる。このタイプのヘッドは、レンズによる実質的な透過性を確保しながら、信号対雑音比および分解能の点で、開口部があるプローブの利点と開口部がないプローブの利点とを組み合わせる。これらのヘッドは、ＳＩＬの焦点に位置決めされたさまざまなナノ物体を通して、機能の多様性を与える。

第１の例を挙げると、本発明によるレンズの製造プロセスのステップは、マイクロ電子業界の典型であり、図２〜図７に詳細に論じられる。これらの図は、レンズの製造時におけるさまざまなステップ中のレンズの断面図を示す。
・図２および図３に示す第１のステップにおいて、基板１００の第１の面上に、積層体の第１の材料が作られる。この積層体は、以下のものを備える。
・等方性エッチング可能な第２の材料の第１の層（１０１）。この層は、基板１００そのものでありうることに留意されたい。
・少なくとも第３の材料によって形成される第２の層１０２。この第２の層は、光を通さず、下側層の等方性エッチングに対して耐性があるものであってもよい。この単層は、所望の効果を得るために、多層積層体によって置き換えられてもよいことは言うまでもない。
・次に、ナノスケール寸法の開口部１０３が、この第２の層に作られる。開口部の直径サイズは、作られる集束構造のサイズより小さい。

第１の材料はシリコンであってもよく、第２の材料はシリコンまたは酸化シリコンであってもよく、第３の材料は、副層に応じて、窒化シリコン、酸化シリコン、および例えば、金や白金などの金属であってもよい。
・図４に示す第２のステップにおいて、実質的に半球状のキャビティ１０６が、第２の層の開口部を通して基板に等方性エッチングされる。このようにして、焦点領域は、開口部１０３と自己整合される。
・図５に示す第３のステップにおいて、窒化シリコンであってもよい第４の材料の第１の共形コーティング１０７が堆積され、次に、酸化シリコンや酸化ハフニウムなどの高光学屈折率材料の厚い層１０８が、浸漬レンズの球状セクタを形成するように半球状キャビティに堆積される。次に、この第１の共形コーティング上に、第２の「平坦化」動作が実行される。
・図６に示す第４のステップにおいて、球状セクタを露出するように、基板の背面上に異方性エッチングによって、球状セクタ１０８を覆う基板の部分が除去される。
・図７に示す第５のステップにおいて、ナノスケール寸法の物体１０９が、第２の層の開口部の中心に作られる。このステップの後に、焦点領域にある開口部に、ナノワイヤやカーボンナノチューブなどの高異方性形状のナノ物体を成長させる段階が続いてもよい。

ナノスケール物体を作るこのステップに関する情報は、以下の出版物に見受けられうる。例えば、Ｈ．ダイ（Ｈ．Ｄａｉ）の「Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ：ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ」、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ５００（２００２）、Ｅ．Ｐ．Ａ．Ｍ．ベッカーズ（Ｅ．Ｐ．Ａ．Ｍ．Ｂａｋｋｅｒｓ）らの「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＩＩＩ−Ｖ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｏｎ ｇｒｏｕｐ ＩＶ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，Ｖｏｌ．３２，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００７、メレコ（Ｍｅｌｅｃｈｋｏ）らの「Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ａｌｉｇｎｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｌｔｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｅｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗｓ ９７（２００５）、およびＴ．Ｈ．タミニオ（Ｔ．Ｈ．Ｔａｍｉｎｉａｕ）らの「Ｐｒｏｐｒｉｅｔｅｓ ｄｅｓ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｕｌｅｓ（Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ）」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７，２８（２００７）を参照されたい。

一例を与えるために、ナノ物体の製造ステップは、フォトリソグラフィエッチングプロセスに関連付けられた層を転写する「トップダウン」アプローチと呼ばれるものによって実行されてもよい。次に、ナノ物体は、マイクロ電子技術において使用される典型的な標準技術のシーケンスによって付着された層に作られる。

このステップでは、ダイレクトボンディング（「分子付着」とも呼ばれる）によって、コーティング１０７へ材料を構成する層を転写する。この層は、ＳＩＬの焦点に配置されたナノ物体を生じさせるように連続して形作られる。いくつかの材料から作られた平面にダイレクトボンディングによって層を転写するプロセスは、米国特許出願公開第２００８／００７９１２３号明細書に記載されている。この方法により、以下のことが可能になる。
・ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノロッド、またはナノドットなど、直接堆積および／または成長によってナノ物体の形態で直接作ることができなくても、焦点に配置される今後のナノ物体を構成するあらやるタイプの材料を組み合わせる。
・現在のフォトリソグラフィエッチング技術によって与えられる寸法制御によって、ナノ物体の形状を制御し、結果的に、ナノ物体の形状に関連付けられたすべての特性を利用する。

「ハイブリッドトップダウン」プロセスと呼ばれる上述したプロセスの変形例は、ナノ物体を成長させるための「テンプレート」層と呼ばれるものとして付着された層を使用することである。この変形例は、図９、図１０、および図１１に示されており、所望の方向に沿ってワイヤの成長を誘導するための結晶マトリックスを有することが必要であるナノワイヤに有用である。この場合、「テンプレート」層の配向は、優先的なナノワイヤ成長方向と同じである。例えば、シリコン構造に対して、結晶方向は、＜１１１＞方向に沿ったものである。図９に示すように、付着層は、シリコンで作られてもよいテンプレート層１１０と、金で作られてもよい触媒層１１１と、下層の酸化物であってもよい保護層１１２とを備えるサンドイッチ構造からなるものであってもよい。保護層が、図１０に示すように局所的にエッチングされると、ナノワイヤは、既知の手法を用いて成長されてもよい。この成長ステップは、図１１に示すように、触媒層上に実行された熱処理ステップを先行させてもよい。

この変形例の利点は、獲得可能なナノワイヤの直径およびサイズの制御である。ＣＶＤ（化学気相成長）技術を用いることによって、数十ナノメートルから、場合によっては１ミクロンに到達するまたは超えるサイズまでの範囲に及ぶ直径のワイヤが得られる。

第２の例を挙げるために、本発明によるレンズを製造するための第２のプロセスのステップが以下に詳述される。このプロセスは、前述したプロセスの変形例であり、５つの製造ステップを含む。
・前述のプロセスの第１のステップ中、ナノピラー１０４が、第２の層にある開口部の中心位置に合わせて、第３の材料にさらに作られ、図８ａおよび図８ｂに、これらの特徴を示す。図８ａは、断面図であり、図８ｂは、斜視図である。開口部の直径サイズは、作られる集束構造のサイズより小さい。最後に、第２の層上に犠牲層が堆積され、犠牲層は「平坦化」される。
・ステップ２、３、および４は、前述したプロセスの対応するステップと実質的に同じである。
・第５のステップにおいて、支持体として第１のステップ中に作られたナノピラーを使用して、成長相から始まる焦点領域の開口部に、ナノ物体が作られる。

この変形例は、基板にＳＩＬを作製するのに酸化物層の厚みが十分であるＳＯＩタイプの基板を用いて実行されてもよい。この厚みは、約２または３ミクロンであってもよい。次に、ＳＩＬの作製に先行して、典型的にはシリコンであるＳＯＩの結晶層にナノスケールビームを生成し、開口部を通過させて等方性エッチングが行われる。

この作製は、上述した手順を用いて「平坦化」ステップまで続ける。次に、記載したプロセスの１つを用いて、ＳＩＬの焦点に触媒が堆積される。このようにして、触媒は、ビームのエッチング前に半導体層上にすでに堆積されてもよい。選択的な接合動作が実行されてもよい。最後に、ナノワイヤまたはナノチューブが成長される。

上述したプロセスは、ナノワイヤの形態またはナノビーズの形態の所与の結晶構造を有する無機材料で作られたナノ物体を得るのに非常に適切している。

ＳＩＬに結合することが望ましいナノ物体がナノチューブであれば、ナノチューブの成長方向が成長条件によって制御され、下部層の配向によって制御されないため、作製プロセスは単純化されてもよい。したがって、すでに記載した技術の１つを用いて、適切な触媒を局所化させるだけで十分である。

Claims (22)

1. 平面（１１）によって囲まれた球状セクタ（１）を備える光学応用のための固浸レンズにおいて、前記平面に垂直な母線を有し、少なくとも１つの寸法がナノスケールである、半導体材料で作られた円筒形状のワイヤ（２）またはチューブが、前記固浸レンズの焦点で前記平面（１１）上に配置されることを特徴とする、固浸レンズ。
2. ナノスケール寸法の中央開口部（３１）を有する光を通さない層（３）が、前記平面（１１）上に配置され、前記開口部が、前記固浸レンズの焦点の中心に位置することを特徴とする、請求項１に記載の固浸レンズ。
3. 前記ワイヤが、シリコン製であることを特徴とする、請求項１に記載の固浸レンズ。
4. 前記ワイヤがその自由端部に、金のナノ粒子を有することを特徴とする、請求項３に記載の固浸レンズ。
5. 前記ワイヤが、酸化亜鉛製または窒化ガリウム製であることを特徴とする、請求項１に記載の固浸レンズ。
6. 前記チューブが、チューブ状のフラーレンであることを特徴とする、請求項１に記載の固浸レンズ。
7. 前記球状セクタ（１）が、屈折率が１より大きい材料で作られることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の固浸レンズ。
8. 前記球状セクタ（１）が、酸化シリコン製であることを特徴とする、請求項７に記載の固浸レンズ。
9. 前記球状セクタ（１）が、酸化ハフニウム製であることを特徴とする、請求項７に記載の固浸レンズ。
10. ナノスケール寸法の物体を励起するように意図された電磁波を発生するための手段を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学レンズを備える光学デバイス。
11. ナノスケール寸法の物体で局在電磁波を検出するための手段を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学レンズを備える光学デバイス。
12. 前記レンズが、各列がいくつかのレンズを備えるいくつかの行列からなるマトリックス状に配列されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学レンズを備える光学デバイス。
13. 前記レンズが、マイクロ電子部品をマイクロ加工するために使用される技術によって製造されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の固浸レンズの製造プロセス。
14. ・第１の材料の基板（１００）上に、等方性エッチング可能な前記第１の材料とは異なる第２の材料の第１の層（１０１）と、
    ・ナノスケール寸法の開口部を有する第３の材料の第２の層（１０２）と、
    を生成する少なくとも第１のステップを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の固浸レンズの製造プロセス。
15. 等方性エッチング可能な第１の材料の基板（１００）上に、ナノスケール寸法の開口部を有する第３の材料の第２の層（１０２）を生成する少なくとも第１のステップを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の固浸レンズの製造プロセス。
16. 少なくとも以下のステップ、
    ・前記基板または前記第１の層において、前記第２の層の前記開口部を通って、等方性エッチングまたは酸化によって実質的に半球状のキャビティ（１０６）を作る第２のステップと、
    ・球状セクタを形成するように前記半球状のキャビティに第４の材料を堆積（１０８）する第３のステップと、
    ・前記球状セクタを露出するように、前記球状セクタを覆う前記基板の部分を前記基板の第２の面から除去する第４のステップと、
    ・前記第２の層の前記開口部の中心位置で、前記第１の層にナノスケール寸法の物体（１０９）を作る第５のステップと、
    を含むことを特徴とする、請求項１４または１５に記載の固浸レンズの製造プロセス。
17. ステップ１の後に、前記第２の層にある前記開口部の中心にナノピラー（１０４）を作るステップ１ａが続き、ステップ５では、前記ナノピラーにナノスケール寸法の物体を作ることを特徴とする、請求項１６に記載の製造プロセス。
18. ステップ５の後に、ナノスケール寸法の前記物体に第５の材料の層を成長するステップ５ａが続くことを特徴とする、請求項１６に記載の製造プロセス。
19. 前記第３の材料が、光を通さない材料であることを特徴とする、請求項１６に記載の製造プロセス。
20. ステップ５の後に、光を通さない層を作り、ナノスケール寸法の物体を節約するステップ６が続くことを特徴とする、請求項１６に記載の製造プロセス。
21. ステップ５が、ダイレクトボンディングによって、前記堆積層（１０２）へ前記材料を構成する少なくとも層（１１０、１１１、１１２）を転写するサブステップを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の製造プロセス。
22. 前記第１の材料がシリコンであり、前記第２の材料がシリコンまたは酸化シリコンであり、前記第３の材料が酸化シリコンまたは窒化シリコンであり、前記第４の材料が、酸化シリコンや酸化ハフニウムなどの高屈折率材料であることを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の製造プロセス。

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