https://news.mynavi.jp/techplus/article/20250120-3111023/

掲載日 2025/01/20 13:39

更新日 2025/01/20 18:19

著者：波留久泉

東京大学(東大)とJSRの両者は1月17日、これまで必要とされていたいくつもの工程を削減し、半導体露光プロセスのみを用いてメタレンズ(平面状のレンズ)を大量生産できる手法を開発したと共同で発表した。

半導体露光プロセスのみで作製した平面レンズと集光の様子(出所:東大Webサイト共同プレスリリースPDF)

半導体露光プロセスのみによる平面レンズ作製手法の模式図。ガラス基板上にカラーレジストをスピンコートし、半導体露光装置で紫外線を照射して現像するだけでフレネルゾーンプレート型光学レンズの作製が完了する(出所:東大Webサイト共同プレスリリースPDF)

同成果は、東大大学院理学系研究科の小西邦昭准教授、同・山田涼平特任研究員(研究当時)、JSRの岸田寛之氏らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の光学とフォトニクスに関する全般を扱う学術誌「Light:Science & Applications」に掲載された。

さまざまな光学機器において使用されるレンズは、これまで長らく、透明材料に研磨などの作業を加え、必要な曲率を持った球面状に加工することで作製されてきた。しかし近年になり、リソグラフィなどの微細加工技術を用いて作製した光の波長と同程度以下のサイズであるサブμmの人工構造を用いることで、新しい原理のメタレンズと呼ばれる平面状のレンズを作る技術が発明された。

メタレンズは、光や電磁波がその波長よりも小さい人工的な構造体を透過する際に、その形状や大きさに応じて光の位相や振幅が変化することを利用して、透過する光を集光させたり、偏光や伝搬方向を制御したりすることができるレンズだ。同レンズは高い制御性やコンパクト性という特徴を備え、レンズ作製技術に革新をもたらすものとして注目されている。しかしこれらの人工微細構造の作製には、成膜装置や半導体露光装置、ドライエッチング装置など、複数の装置を使用する必要があるため、構造作製の過程が煩雑になる点が課題だった。そこで研究チームは今回、半導体露光プロセスのみを用いるメタレンズの大量生産技術の開発を試みたという。

今回の研究では、幅の異なるリングが同心円状に並んだ「フレネルゾーンプレート」(FZP)と呼ばれるメタレンズの開発が目指された。リングの幅と間隔は外側ほど小さくなり、最も外側では1μm程度になるとのこと。このリングは光を遮断する必要があり、今回は、JSRが開発した、導体微細加工プロセスにおいて微細パターンを形成可能な「カラーレジスト」を用いて、平面レンズが作製された。フォトレジストの一種であるカラーレジストは、特定の波長を吸収して光を遮断するという特徴を有することから、それを用いることで、半導体露光プロセスのみでFZPを作製することが可能となるとする。

(左)ブルーレジストを用いて作製されたFZP平面レンズの顕微鏡画像。(右)その電子顕微鏡画像。左右の画像のスケールバーはそれぞれ1mmと2μm。FZPレンズの最小線幅は約1.1μm(出所:東大Webサイト共同プレスリリースPDF)

グリーンレジストを用いて8インチガラス基板全体に作製したFZP平面レンズ(出所:東大Webサイト共同プレスリリースPDF)

そして開発されたFZPレンズを用い、波長550nmの光を集光した結果、約1.1μmのビーム径が得られたという。また、この集光特性は数値計算シミュレーションの結果とも極めて良く一致しているとした。さらに、このレンズをイメージング用のレンズとして用いたところ、約1.1μmの分解能を達成できることも確認された。そして波長450nmおよび650nmの光に対しても同等の高い集光性を示すレンズも作製に成功しており、今回の手法によってさまざまな波長の可視光領域の平面レンズを簡便に作製することができるようになったとした。

(左)作製されたFZP平面レンズの集光点におけるビームプロファイル。スケールバーは2μm。(右)その断面プロファイルの実験とシミュレーションの比較。光の波長は550nm(出所:東大Webサイト共同プレスリリースPDF)

作製されたFZP平面レンズを用いて撮影したターゲットの像。左右の画像のスケールバーはそれぞれ30μmと5μm(出所:東大Webサイト共同プレスリリースPDF)

研究チームによると今回の手法は、すでに半導体産業の現場で広く使われている半導体露光装置(ステッパー)をそのまま用いることが可能であるため、これら既存の装置を用いて、平面レンズの大量生産と低コスト化を実現できる可能性を有しているという。このことにより、今回開発された手法によって作製されたレンズは、光産業において大きな波及効果を及ぼすことが予想されるとする。今回の成果を踏まえて今後は、スマートフォンやセンサ用カメラなど、幅広い光学用途への適用が期待されるとしている。