超構表面平面光學器件的研究進展

超構表面平面光學器件的研究進展

0光刻機的發(fā)展超結構表面光學是過去10年納米離子科學中最受歡迎的研究領域之一。超構表面由亞波長尺寸的超結構單元組成，該結構可以對光的性質(zhì)進行精確控制。通過合理地設計超結構形貌以及其空間排布可以使超構表面實現(xiàn)超透鏡成像目前報道的大多數(shù)超構表面都是通過電子束曝光（ElectronBeamLithography,EBL）來實現(xiàn)微納結構的圖案化的。雖然EBL可以制備出幾十到幾百納米線寬的超結構，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?？梢?，EBL工藝并不適合超構表面光器件的大規(guī)模量產(chǎn)。紫外光刻技術已經(jīng)在集成電路制造領域被大規(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表面光學器件，加工速度比EBL直寫快幾個數(shù)量級。紫外光刻技術擁有極好的尺寸控制、高可重復性、低缺陷率，以及兼容互補金屬氧化物半導體（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表面光學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體系，例如光學鄰近效應修正（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構最常用的光刻設備。目前已經(jīng)有多篇綜述論文從不同的角度對超構表面光學進行了總結與分析1透射型超構表面器件Si是半導體芯片加工中最常見的晶圓材料，其加工工藝技術成熟，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表面光學器件。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等超構透鏡由于其出色的光學性能，以及更小、更薄、更輕的特性而備受關注。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表面的完美吸收體。2015年，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）的LIUJia等2019年，日本橫濱國立大學的NISHIJIMAY等2SiO2.1未來研究工作的多元化2016年，哈佛大學的ZHANGShuyan等2018年，哈佛大學的SHEA等2019年，哈佛大學的PARKJS等在以上3個研究工作中，哈佛大學的研究團隊2.2薄膜轉移法sem上文總結了多個在玻璃晶圓上直接制造超構表面的研究工作。然而需要注意的是，目前的半導體晶圓代工產(chǎn)業(yè)主要還是以Si、GaAs、InP等傳統(tǒng)的半導體晶圓為主。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)了一種薄膜轉移的方法：將超構表面結構在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表面轉移到玻璃晶圓上。轉移過程中使用了一種鍵合膠（glue）來作為超結構的包覆層（cladding），該鍵合膠的折射率接近SiO2020年，HUTing等除了成像用的超透鏡，薄膜轉移方法還被用來制造控制光傳播方向的光束偏轉器和控制透射波長的彩色濾光片。2019年，LINanxi等表1總結了上文介紹的各項晶圓級超構表面光學研究成果，并對其核心指標進行了對比。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。光學器件涉及超透鏡、半波片、偏振帶通濾波器、光束偏轉器、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。制造這些超構表面光學晶圓的過程中，使用了紫外掩模對準曝光機（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，表中還對比了超結構的材料、包覆層材料、超結構尺寸與高度等。3超構表面光學器件本文綜述了基于CMOS加工工藝平臺的晶圓級超構表面光學的研究進展。晶圓級超構表面光學使用紫外光刻、刻蝕、薄膜沉積等芯片加工中標準化的工藝設備，每片晶圓上可同時制備大量的超構表面光學器件。所使用的晶圓材料主要為Si和SiO3.1光學超構表面光學器件的制備技術雖然近些年晶圓級超構表面光學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，往往要將超結構設計成非常規(guī)的形貌，這樣的結構在接近光刻機最小加工尺寸時難以被制備出來；（2）超結構的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表面結構都同時滿足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臨近修正OPC技術，對不同的超結構進行修正，從而使其形貌和CD都能夠達到設計要求。介質(zhì)型的超構表面光學器件一般由高深寬比的介質(zhì)超結構組成。這些結構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器件在現(xiàn)實生活中應用最為廣泛，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）設備不兼容。目前主流的芯片代工廠的工藝設備主要都是為不透明的半導體晶圓（如Si,InP,GaAs等）設計的。在高度自動化的半導體設備中引入透明襯底可能會增大設備報錯、碎片的風險。（2)SiO以上幾個問題增大了玻璃晶圓上超表面結構的工藝開發(fā)難度，降低了晶圓良率。要解決這些問題，需要設計方、設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表面，另一種思路是通過薄膜轉移的方法將制備好的超構表面轉移到透明襯底上。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器件均是靜態(tài)的，而在空間光調(diào)制器、激光雷達等領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構的物理性質(zhì)，最終改變超構表面的光學性能；另一種方法是與微機電系統(tǒng)（MicroElectromechanicalSystem,MEMS）結合，通過MEMS振鏡等可移動器件對超構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