本文小编分享一篇文章，讲述的是利用duv紫外光刻方式曝光的 氮化硅材料的光波导，
本文除了材料上的创新，小编还想跟大家分享几个制造微纳结构的方式
a。电子束光刻+刻蚀（高精度，高成本，低产出，一次一个，性价比低）
适合几十nm-200nm的微纳结构的曝光，曝光一次，一个样品，想要多要需要重新加工 ，
b.duv紫外光刻+刻蚀（150-500）（高精度，低成本，高产出，一个一个晶圆，综合性价比高)
虽然duv性价比高，但是受限于中国的特殊国情，无法获得高精度的光刻机，因此利用duv加工微纳结构，其尺度，也基本保持在150-500nm范围内，缺少好的光刻机，来完成150nm以内微纳结构的制造
c.纳米压印+刻蚀
利用ebl做好的高精度的模板，来压印结构，同样可以实现百nm以内微纳结构的加工 ，在小线宽的加工具有一定的优势，同样可以获得多个样品
划重点：
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅，金刚石），镀膜方式（PVD，cvd,Ald）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5），光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
EBL代工,母版制作，铬版销售，纳米压印，DUV光刻超结构服务，
面向头部企业，研究单位等单位的可见光近红外波段超透镜仿真设计（从仿真设计到demo样品，国内前五设计团队，经验丰富，算法超前）
请联系小编免费获取原文，也欢迎交流半导体行业，工艺，技术，市场发展！
摘要：我们展示了使用适合大批量生产的深紫外扫描光刻技术在 InP 晶圆上制造的 Si3N4 超透镜。尽管将柱高度限制为 750 nm，从而无法实现全相位覆盖，但我们展示了近红外范围内的衍射限制聚焦。此外，我们展示了一种消色差超透镜设计，成功地将色差降低了 40%。这些成果为大规模生产与光学传感等各种应用相关的超透镜提供了一种有希望的替代方案。
关键词：超透镜·超表面·DUV 光刻·近红外·氮化硅
1 简介
最近的研究已经证明了使用深紫外 (DUV) 光刻技术制造基于 Si 或 SiO2 纳米柱的超透镜的大规模可生产性 [1–3]。这些超透镜是由圆柱形纳米柱阵列构成的微观薄透镜（图 1）。SiO2 因其宽传输带隙而成为一种特别有趣的材料，从可见光到近红外 (NIR) 区域。然而，其低折射率需要 1.5 μm 高的柱子才能在可见光波长下实现全相位覆盖，在 NIR 波长下甚至需要更高 [3]。基于 SiO2 的超透镜也使用 SiO2 作为基板材料，从而增强了相邻柱之间的耦合。相比之下，Si3N4 具有相似的传输带隙，但折射率更高。这使得柱子高度更易于管理，具体来说，波长为 633 nm 时为 0.7 μm，波长为 1550 nm 时为 1.6 μm [4,5]。然而，Si3N4 基超透镜的量产尚未得到证实。
仅在两年前，就已展示了在 InP 基衬底上集成超表面（使用电子束光刻）以增强雪崩光电二极管 [6]。这使得 Si3N4 成为一种更有趣的材料，因为它与 InP 铸造工艺兼容。因此，这些超透镜可以与通用 InP 或 InP 膜集成平台相结合，以推进传感器等光学设备的小型化 [7]。
图 1. (a) 我们的超透镜示意图。展示单个 (b) 彩色超透镜和 (c) 无色超透镜的光学图像。(d) 包含 5000 个超透镜的 InP 晶圆。(e) 设计的彩色超透镜在 1450 nm 波长下的相位和 (f) 透射分布。(g) 无色超透镜在波长 1300 nm、1450 nm 和 1600 nm 下的相位分布。
我们展示了使用 DUV 扫描仪光刻技术在 InP 晶圆上制造 5000 个基于 Si3N4 的超透镜（图 1(a)）。使用高离子密度感应耦合等离子体反应离子蚀刻 (ICP-RIE) 工具，我们已从 DUV 光刻胶掩模直接精确蚀刻出 750nm 高的 Si3N4 柱。虽然柱子需要高 2-3 倍才能实现全相位覆盖，但我们成功展示了近红外区域的衍射极限聚焦。此外，我们引入了专门针对波长 1300nm、1450nm 和 1600nm 定制的消色差超透镜设计，色差降低了 40%。这项研究标志着对 DUV 扫描仪光刻超透镜消色差聚焦的开创性研究。我们的目标是引入这些超平坦超透镜来替代光学传感器中的传统透镜。
2 设计
我们专注于微型化 NIR 传感器，这种传感器需要在厘米距离内聚焦光。具体来说，我们的目标是开发一种优化的超透镜，以实现 10 毫米距离处约 45 μm 的焦斑尺寸。我们的超透镜直径为 540 μm，由 SiO2 基层上 800 nm 高圆柱形 Si3N4 纳米柱的 2D 阵列组成。如图 1(a) 所示，该阵列遵循间距为 1 μm 的笛卡尔网格。我们优化了跨超透镜的柱子的直径 D，以实现聚焦行为。出于模拟目的，我们假设柱子在局部具有相似的形状和尺寸，使我们能够应用无限边界条件。我们利用 Lumerical 的 3D 有限差分时域法 (FDTD) 来模拟不同波长 λ 下的透射 T(λ, D) 和相位 ϕ(λ, D) 分布。由于柱高度有限，最薄和最厚柱之间的相位φ柱差异分别为1300nm、1450nm和1600nm处所需2π相位覆盖率的48%、45%和36%。
为了将高斯光束聚焦在焦距 f 处，我们需要以下相位分布
其中 r 为径向位置，λ 为波长，C(λ) 为光谱自由度。对于每个 r，我们通过最小化透镜平面附近期望电场与结果电场之间的误差来确定最优支柱 m，如 [8] 中所述
换句话说，我们希望尽可能接近目标波长所需的相位分布。由于我们无法获得完整的相位覆盖，因此超透镜上的某些位置将具有较大的误差。通过结合粒子群优化算法，我们迭代调整恒定相移 C(λ) 以最大化超透镜效率。我们利用瑞利-索末菲衍射公式计算超透镜的远场强度分布。
这种方法对于设计彩色和消色差超透镜都很有用。在优化彩色超透镜的过程中，我们仅考虑 1450 nm 的目标波长。但是，对于消色差超透镜，我们将考虑范围扩展到 1300 nm 和 1600 nm 的波长。图 1(e-g) 显示了设计的彩色和消色差超透镜的相位和透射分布。
3 制造
我们开发了一种制造工艺，使用 DUV 扫描仪光刻技术制造基于 Si3N4 的超透镜，同时无需使用金属光刻掩模。该工艺首先在 3 英寸双面抛光 InP 晶圆上使用等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积 2 μm SiO2，然后沉积 750 nm Si3N4。接下来，我们使用三层配置执行旋涂工艺，包括夹在底部和顶部防反射涂层之间的 TOK P6111 光刻胶，涂在 Si3N4 层上。然后，我们利用 193 nm DUV 扫描仪光刻工具（ASML Pass 5500/1100B 扫描仪）曝光该光刻胶。这种投影光刻技术在传统照明条件下采用 4:1 的缩小比，DUV 透镜柱为 0.75 NA。显影光刻胶后，我们使用高离子密度电感耦合等离子体反应离子蚀刻 (ICP-RIE) 工具将纳米柱蚀刻到 Si3N4 层中。最后，我们剥离光刻胶。由于蚀刻工艺尚未优化以达到 800 nm，因此 Si3N4 柱比设计略短。该方法可无缝转换为 4 英寸 InP 晶圆，使用相同的设备。此外，我们的方法与基于 InP 的通用和 InP 膜集成技术的其他处理步骤完全兼容 [9,10]。
表 1. 波长为 1300 nm、1450 nm 和 1600 nm 时，测量和模拟的彩色和消色差超透镜的光束直径和焦距的比较。Δf 表示波长范围内焦距的变化。
4 性能
我们在 1300 nm、1450 nm 和 1600 nm 三个目标波长下表征了有色和无色超透镜。在实验装置中，准直激光束入射到超透镜上，并通过获取距离透镜不同距离的一系列 2D 图像来测量透镜的 3D 远场。为了产生 1300 nm、1450 nm 和 1600 nm 的光，我们使用了三种光纤耦合激光器：Santec TSL-550、Keysight 81600BandID Photonics CoBrite DX4。然后，我们使用光纤准直器（PAF2-A4C 准直器）在相应的波长下获得光束直径分别为 830 μm、890 μm 和 950 μm 的高斯光束。光束通过我们的超透镜传输后，我们用 20 倍显微镜物镜（Mitutoyo Plan APO NIR，使用焦距为 200 毫米的筒镜）捕捉光线，并将其成像到 InGaAs 相机（Xeva 320 - Xenics）上。我们将物镜和相机安装在电动台（CONEX-MFACC - Newport）上，以测量不同距离的远场。
图2.用于表征超透镜的实验装置。
图 3. (a) 测量波长为 1300 nm、1450 nm 和 1600 nm 的彩色超透镜在轴向平面上的远场强度分布。(b) 焦平面上测量、模拟和理论预期强度分布的比较。插图显示焦点。
图 3 显示了测量的彩色超透镜远场强度分布。为了确定焦点，我们在 xz 平面的高强度值区域应用 2D 高斯拟合，并取该高斯分布的最大值。在指定的 1450 nm 波长下，我们观察到超透镜将光束聚焦到距离透镜表面 9.2 mm 的 48 μm 宽的高斯点。这些值在目标值的 10% 以内。图 3(b) 显示了我们测量的强度分布与我们的模拟结果以及艾里斑的理论预期结果的比较。主瓣与模拟结果非常接近，尽管它比艾里斑略宽。这种发散是因为艾里斑模型假设开口均匀照明。测量的旁瓣比我们的模拟预测高出几个百分点。为了研究色差，我们还测量了 1300 nm 和 1600 nm 处的强度分布，结果显示聚焦行为相似。表 1 将测量的焦距和光束直径与模拟结果进行了比较。正如预期的那样，彩色超透镜的焦距会随着波长的增加而减小，这与传统透镜相反。测量的焦距通常小于模拟结果，
特别是在 1300nm 处。测量的 NIR 区域的整体色差为 1.5 mm。我们观察到，测量的光束直径在不同波长上的变化比艾里斑模型预测的更均匀。观察到的这种均匀性归因于我们的光纤准直器的色散行为（见表 1）。具体而言，当考虑波长范围内不同的输入直径时，测量和理论光束直径之间的比率仅表现出最小 3% 的差异。
图 4 显示了我们的消色差超透镜在波长 1300nm、1450nm 和 1600nm 处测得的远场强度分布。与彩色超透镜相比，我们注意到更大的景深和突出的旁瓣。表 1 概述了测量和模拟的焦距和光束直径，显示 1450nm 和 1600nm 的焦距几乎相同。令人惊讶的是，与模拟结果相比，测量的焦距在 1300 nm 处较低，导致整体色差改善了 40%，超过了模拟预期的 20% 的减少。光束直径与彩色超透镜结果非常接近。如图 4(b) 所示，
测量的旁瓣峰值强度比模拟结果高 1.5 倍。
图 4. (a) 测量波长为 1300 nm、1450 nm 和 1600 nm 的消色差超透镜在轴向平面上的远场强度分布。(b) 焦平面上测量、模拟和理论预期强度分布的比较。插图显示焦点。
5 结论
我们成功地展示了使用 DUV 扫描仪光刻制造 Si3N4 超透镜。尽管柱子高度有限，导致相位覆盖率仅为 35-50%，但彩色超透镜的测量焦距和光束直径在设计目标的 10% 以内。实现的斑点接近衍射极限。消色差超透镜表现出类似的行为，色差改善了 40%。由于制造工艺与 InP 代工厂兼容，本研究有助于在 InP 或 InP 膜集成平台上集成超透镜。为了增加柱高度并从而增加相位覆盖率，可以采用额外的光刻步骤将光刻胶掩模转移到铬层，因为 Cr 相对于 Si3N4 的蚀刻选择性甚至比光刻胶更好。值得注意的是，当前的柱高度和最小特征尺寸足以在可见光范围内运行，其中 Si3N4 超透镜优于玻璃或 Si 基超透镜。这项工作为更紧凑的传感解决方案提供了一条途径。
