超構(gòu)表面平面光學(xué)器件的研究進展

超構(gòu)表面平面光學(xué)器件的研究進展

0光刻機的發(fā)展超結(jié)構(gòu)表面光學(xué)是過去10年納米離子科學(xué)中最受歡迎的研究領(lǐng)域之一。超構(gòu)表面由亞波長尺寸的超結(jié)構(gòu)單元組成，該結(jié)構(gòu)可以對光的性質(zhì)進行精確控制。通過合理地設(shè)計超結(jié)構(gòu)形貌以及其空間排布可以使超構(gòu)表面實現(xiàn)超透鏡成像目前報道的大多數(shù)超構(gòu)表面都是通過電子束曝光（ElectronBeamLithography,EBL）來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的圖案化的。雖然EBL可以制備出幾十到幾百納米線寬的超結(jié)構(gòu)，但是在晶圓上制備較多的大尺寸器件需要耗費大量的工藝時間。可見，EBL工藝并不適合超構(gòu)表面光器件的大規(guī)模量產(chǎn)。紫外光刻技術(shù)已經(jīng)在集成電路制造領(lǐng)域被大規(guī)模使用。一次紫外光刻工藝就可以在整個晶圓上制備出大量的超構(gòu)表面光學(xué)器件，加工速度比EBL直寫快幾個數(shù)量級。紫外光刻技術(shù)擁有極好的尺寸控制、高可重復(fù)性、低缺陷率，以及兼容互補金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS）加工工藝平臺等優(yōu)點。此外，采用CMOS兼容的加工工藝方式易于將超構(gòu)表面光學(xué)器件直接加工在光電子器件上，實現(xiàn)晶圓級的單片集成，這將有益于縮小光電系統(tǒng)的尺寸和降低封裝的成本。隨著幾十年半導(dǎo)體芯片加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，紫外光刻已經(jīng)擁有了一套成熟的技術(shù)體系，例如光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OpticalProximityCorrection,OPC）、涂膠-顯影-曝光工藝、缺陷掃描、線上量測等。不同工藝節(jié)點的紫外光刻機可以滿足超構(gòu)表面加工中從幾微米到幾十納米線寬的工藝要求。主流的光刻機按照使用的光波長來劃分，可以分為g線（436nm）、h線（405nm）、i線（365nm）、以及深紫外的248nmKrF和193nmArF光刻機。此外，通過將曝光鏡頭浸沒在液體中的方式可以增加數(shù)值孔徑，從而進一步提高了光刻機的分辨率。其中最有代表性的就是浸潤式193nmArF光刻機，這是目前芯片大規(guī)模量產(chǎn)中加工幾十納米線寬微納結(jié)構(gòu)最常用的光刻設(shè)備。目前已經(jīng)有多篇綜述論文從不同的角度對超構(gòu)表面光學(xué)進行了總結(jié)與分析1透射型超構(gòu)表面器件Si是半導(dǎo)體芯片加工中最常見的晶圓材料，其加工工藝技術(shù)成熟，晶圓代工產(chǎn)業(yè)鏈也最為完善。由于在可見光波段Si具有較高的光吸收系數(shù)，因此Si襯底一般不適用于可見光波段的透射式光學(xué)器件。2018年，新加坡微電子研究院的HUTing等Si在大于1.1μm波長的近紅外波段具有較高的透射率，因此適合制備透射型的超構(gòu)表面光學(xué)器件。2019年，新加坡微電子研究院的XUZhengji等半波片是另一種常用的偏振控制器件。傳統(tǒng)的基于雙折射晶體的半波片體積較大，難以與其他光學(xué)元件進行單片集成。為解決這一問題，2019年，新加坡微電子研究院DONGYuan等超構(gòu)透鏡由于其出色的光學(xué)性能，以及更小、更薄、更輕的特性而備受關(guān)注。2018年，COLBURNS等2019年，新加坡微電子研究院ZHONGQize等在中紅外光波段，研究人員在不同尺寸的硅晶圓上制備了基于金屬超構(gòu)表面的完美吸收體。2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的LIUJia等2019年，日本橫濱國立大學(xué)的NISHIJIMAY等2SiO2.1未來研究工作的多元化2016年，哈佛大學(xué)的ZHANGShuyan等2018年，哈佛大學(xué)的SHEA等2019年，哈佛大學(xué)的PARKJS等在以上3個研究工作中，哈佛大學(xué)的研究團隊2.2薄膜轉(zhuǎn)移法sem上文總結(jié)了多個在玻璃晶圓上直接制造超構(gòu)表面的研究工作。然而需要注意的是，目前的半導(dǎo)體晶圓代工產(chǎn)業(yè)主要還是以Si、GaAs、InP等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶圓為主。對于大規(guī)模量產(chǎn)而言，玻璃襯底上進行CMOS工藝加工的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈相對不夠成熟。為了解決這一問題，新加坡微電子研究院的研究團隊開發(fā)了一種薄膜轉(zhuǎn)移的方法：將超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)在Si晶圓加工制造，然后通過晶圓的臨時鍵合/解鍵合的工藝將超構(gòu)表面轉(zhuǎn)移到玻璃晶圓上。轉(zhuǎn)移過程中使用了一種鍵合膠（glue）來作為超結(jié)構(gòu)的包覆層（cladding），該鍵合膠的折射率接近SiO2020年，HUTing等除了成像用的超透鏡，薄膜轉(zhuǎn)移方法還被用來制造控制光傳播方向的光束偏轉(zhuǎn)器和控制透射波長的彩色濾光片。2019年，LINanxi等表1總結(jié)了上文介紹的各項晶圓級超構(gòu)表面光學(xué)研究成果，并對其核心指標(biāo)進行了對比。從表中可以看出，目前已報道的研究成果覆蓋了2、4、6、8、12英寸等常用的晶圓尺寸。光學(xué)器件涉及超透鏡、半波片、偏振帶通濾波器、光束偏轉(zhuǎn)器、完美吸收體等。這些器件工作在可見光、近紅外、中紅外等光波段。制造這些超構(gòu)表面光學(xué)晶圓的過程中，使用了紫外掩模對準(zhǔn)曝光機（UVmaskaligner）、i線步進式光刻機、248nm深紫外光刻機、193nm浸潤式深紫外光刻機等。此外，表中還對比了超結(jié)構(gòu)的材料、包覆層材料、超結(jié)構(gòu)尺寸與高度等。3超構(gòu)表面光學(xué)器件本文綜述了基于CMOS加工工藝平臺的晶圓級超構(gòu)表面光學(xué)的研究進展。晶圓級超構(gòu)表面光學(xué)使用紫外光刻、刻蝕、薄膜沉積等芯片加工中標(biāo)準(zhǔn)化的工藝設(shè)備，每片晶圓上可同時制備大量的超構(gòu)表面光學(xué)器件。所使用的晶圓材料主要為Si和SiO3.1光學(xué)超構(gòu)表面光學(xué)器件的制備技術(shù)雖然近些年晶圓級超構(gòu)表面光學(xué)的研究取得了很大的進展，但是對于真正的大規(guī)模量產(chǎn)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中比較突出的挑戰(zhàn)有：1）光刻與刻蝕工藝光刻與刻蝕是超構(gòu)表面加工中最核心的兩個工藝。在光刻方面的挑戰(zhàn)有以下兩個方面：（1）由于一些器件性能的需要，往往要將超結(jié)構(gòu)設(shè)計成非常規(guī)的形貌，這樣的結(jié)構(gòu)在接近光刻機最小加工尺寸時難以被制備出來；（2）超結(jié)構(gòu)的CD變化范圍較大，如一個超透鏡的納米柱直徑可能是100～300nm之間，如何保證不同尺寸的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)都同時滿足CD誤差要求也是需要研究的一個問題。一種可行的研究方向是通過光學(xué)臨近修正OPC技術(shù)，對不同的超結(jié)構(gòu)進行修正，從而使其形貌和CD都能夠達(dá)到設(shè)計要求。介質(zhì)型的超構(gòu)表面光學(xué)器件一般由高深寬比的介質(zhì)超結(jié)構(gòu)組成。這些結(jié)構(gòu)對刻蝕工藝的要求很高，除了高深寬比，一般還要求很高的側(cè)壁陡直性、較高的介質(zhì)/掩膜刻蝕速率選擇比、晶圓中心-邊緣均一性，以及晶圓-晶圓刻蝕均一性等。另外，一些器件需要使用諸如TiO2）透明晶圓的加工這里的透明晶圓特指可見光波段透明的晶圓，例如石英玻璃等?？梢姽獠ǘ喂鈱W(xué)器件在現(xiàn)實生活中應(yīng)用最為廣泛，市場前景非常廣闊。透明晶圓的加工主要面臨著以下幾個問題：（1）設(shè)備不兼容。目前主流的芯片代工廠的工藝設(shè)備主要都是為不透明的半導(dǎo)體晶圓（如Si,InP,GaAs等）設(shè)計的。在高度自動化的半導(dǎo)體設(shè)備中引入透明襯底可能會增大設(shè)備報錯、碎片的風(fēng)險。（2)SiO以上幾個問題增大了玻璃晶圓上超表面結(jié)構(gòu)的工藝開發(fā)難度，降低了晶圓良率。要解決這些問題，需要設(shè)計方、設(shè)備廠商與晶圓代工廠的三方協(xié)作來共同解決這一挑戰(zhàn)。除了直接在透明晶圓上加工超構(gòu)表面，另一種思路是通過薄膜轉(zhuǎn)移的方法將制備好的超構(gòu)表面轉(zhuǎn)移到透明襯底上。這一工藝過程中需要將玻璃與Si晶圓在升溫條件下進行鍵合。Si在300～500K溫度下的熱膨脹系數(shù)大約在2.6×103.2微機電系統(tǒng)和其他光器件的組合晶圓級超表面光學(xué)在未來還有多個有潛力的研究方向：1）可調(diào)超表面。目前所報道的晶圓級超表面光學(xué)器件均是靜態(tài)的，而在空間光調(diào)制器、激光雷達(dá)等領(lǐng)域需要對超表面進行動態(tài)調(diào)制。有多種方法可以實現(xiàn)可調(diào)超表面：例如在晶圓加工工藝中引入相變材料等新材料，從而可以通過加電來控制超結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)，最終改變超構(gòu)表面的光學(xué)性能；另一種方法是與微機電系統(tǒng)（MicroElectromechanicalSystem,MEMS）結(jié)合，通過MEMS振鏡等可移動器件對超構(gòu)表面的性能進行動態(tài)調(diào)制。2）與其他光電子器件進行單片集成。通過CMOS工藝可以將超構(gòu)表面與光電子器件加工在同一片晶圓上，從而提升光電子器件的性能。例如可以將超構(gòu)表面加工在光電二極管上來增加光探測效率，或者可以與垂直表面腔發(fā)射激光器（Verticalcav