光学元件（例如透镜）传统上是通过成型玻璃或其他透明材料以块状形式制成的。超表面的最新进展为将光学元件重铸成具有类似或更好性能的薄平面元件提供了新基础，这些元件使用亚波长间隔的光学移相器阵列。批量生产它们所需的技术可以追溯到 20 世纪 90 年代中期，当时半导体制造的特征尺寸变得比光的波长密集得多，与摩尔定律同步发展。这为统一两个行业提供了可能性：半导体制造和透镜制造，从而使用制造计算机芯片的相同技术来制造基于超表面的光学元件（例如透镜）。使用可扩展的超表面布局压缩算法（可成倍减少设计文件大小（对于厘米直径的透镜，可减少 3 个数量级）和步进光刻技术，我们展示了超表面透镜（超透镜）的设计和制造，其面积极大，直径可达厘米甚至更大。利用以这种方式制造的单个直径为两厘米、厚度不到一微米的近红外超透镜，我们通过实验实现了理想的薄透镜方程，同时展示了高质量的成像和衍射极限聚焦。
大面积超结构及其他微纳结构加工解决方案
背景：
目前在市场上大家加工超结构的加工方式主要为ebl+干法刻蚀。这种加工方式的优点是，精度高，金属类结构可以达到50nm线宽，氧化物和氮化物可以达到80-100nm的最小线宽。
但是由于采用的方式为电子束光刻的方式，因此成本是巨大的，举例，一个1mm*1mm的图案差不多2-3万元，而一个20*20mm的图案，差不多就要20万元左右。
雪上加霜的是，我们付出了如此大的代价，最后只能得到一个样品，这个样品的宝贝程度不亚于金子，这样我们在做实验的时候，就像拿着宝贝疙瘩一样谨慎、生怕弄坏了。
紫外光刻技术相对于电子束光刻技术，具有较好的量产效率和较低的量产成本。
国内有很多超结构企业，目前遇到的一个核心困境就是国内缺足够的高精度的光刻机 比如几十nm线宽的12寸量产型光刻机，因此国内很多超结构企业的流片都在国外fab厂进行。
针对国内的科研工作者的超结构及其他微纳结构加工难题；
小编正式推出
6寸最小线宽150nm 超结构及微纳结构 镀膜+光刻+刻蚀 一站式服务
采用佳能krf紫外光刻机，最小线宽150nm，比例5:1,成本主要包含 掩模版 镀膜 光刻 刻蚀这4套基本工艺流程，其中最贵的掩模版为一次性投入，其余为做单片时的投入。性价比超高，每次加工可得一整个晶圆 。
当然 ，本方案的缺点在于，设备的最小线宽仅为150nm，更高精度可能还是需要寻求更高精度的光刻机或者ebl加工。
设备:佳能150nmDUV光刻机
尺寸:6英寸
最高可加工精度:150nm
6寸超结构整版加工预计成本:3-6万(单片)，
其中掩膜版为一次性投入，后续增加片数仅收取光刻，刻蚀费用。
最大单元尺寸:22*22mm
对准精度:40nm
材料：非晶硅，TiO2,SiO2,LiNbO3,Si3N4 GaN，Ta2O5，Al,Au,GaAs...更多材料体系
应用领域：超结构，光栅，mems，光子集成线路，,,,,,
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！
引言
超表面使用固定光学移相器、振幅调制器和/或偏振改变元件阵列来控制光的波前[1]。这些元件在表面上形成图案，以引入所需的光相位、振幅和/或偏振的空间分布。通过调整阵列中每个元件的属性，可以在空间上控制透射、反射或散射光的这些属性，从而塑造波前[2]。基于这一概念，已经展示了各种功能，包括透镜、轴棱镜、闪耀光栅、涡旋板和波片[3–11]。这些设备轻薄。为了最大限度地提高性能，超表面利用具有亚波长间距的元件阵列，这样光波前就不会受到元件离散化的影响。值得注意的是，可以在超表面相位分布中编码多种光学功能[12]。超表面是极致的相控阵天线 - 波长更短，特征尺寸更小。超表面的平面性允许制造路线直接与成熟集成电路（IC）行业的传统工艺一致，从而为 3D 设计无法达到的规模提供了机会。
图 1. 超表面透镜设计。（a）示意图显示了用于聚焦法向入射光的超表面透镜（金属透镜），其中 D 为直径，f 为焦距。相位分布 φ 由密集的微观超元件阵列实现，这些超元件由非晶硅圆柱柱制成，由 SiO2 基板支撑。（b）使用一系列直径的超元件，并在图中绘制了它们相应的相位响应（蓝色）和透射率（红色）。（c）由于组成大面积金属透镜所需的超元件数量非常多，因此开发了一种超表面数据压缩算法（我们称之为 METAC），以生成可管理的金属透镜设计文件大小。比较了四种方法：未压缩、EightFold（设计分为八分之一的副本）、METAC 和 METAC16（最大级别数限制为 16，以便与现有软件更好地兼容）。文件大小绘制为设备直径的函数。(d) 绘制了每种方法的文件大小的缩放顺序 b。误差线表示一个标准差。b 接近 2 的方法表示文件大小随设备面积缩放，而 b 接近 1 的方法表示随设备直径缩放。
2.镜头设计
为了使用可以扩展到大批量和低成本的工艺来展示大面积超表面光学器件，我们设计并制造了一个直径为 2 厘米的透射超表面透镜（金属透镜）。为了产生这种透镜效应，金属透镜在波前施加了相移的空间分布（相位分布）[13]，φ=-2π/λ[(r2+ f2)1/2-f ]，其中 λ=1550 nm 是设计波长（1550 nm），r 是径向坐标，f=50 mm 是焦距（图 1a）。波长的选择基于在我们实验室可用设备的限制范围内制造的可行性。选择二氧化硅（SiO2）上的非晶硅（a-Si）作为金属透镜材料。该相位分布将准直光聚焦到一个点上，并使用密集的元元件图案构造，每个元元件都充当微型天线，以局部传递受控的相移。我们使用圆柱形柱子具有与偏振无关的响应，直径范围为 830-990 nm，高度固定为 600 nm（图 1b）。通过改变直径，柱子能够产生 2π 相位覆盖和较高的、相对均匀的透射率。为了最大限度地提高光学效率，使用固定边到边分离而不是传统的固定中心到中心分离来使元元件的放置更密集[14]。在我们的设计中，考虑到制造限制并避免相邻天线之间的相互作用，我们选择边到边间距为 650 nm。使用有限差分时域法（FDTD 模块，Lumerical Inc.）进行数值模拟（图 A1）。由于内存空间限制，我们模拟了一个与制造的透镜具有相同 NA 的较小透镜（ø=100 µm，NA = 0.07）。
对于超表面，描述大型设计的数据面临着文件大小巨大的挑战，因为在宏观上较大的设备区域上描述了数百万或数十亿个单独的微观元元素（亚波长尺寸标准所必需）。这种大面积上极高的数据密度会产生难以管理的庞大总文件大小，将超透镜的制造尺寸限制在几毫米以内。例如，直径为 5 厘米的设备可能由超过 60 亿个元元素组成，每个元元素实例都必须通过纳米精度的位置和半径定义来描述，从而导致大小超过 200 千兆字节（表 1）。由于这些设计文件随后必须经过计算密集型过程（例如数据转换（通常称为“破碎”））才能与掩模写入设备一起使用，因此必须将这些文件大小最小化。我们已经实施了一种生成这些设计文件的压缩算法，我们将其称为“METAC”（METAsurface Compression），可以将文件大小减少几个数量级（图 1c）。该算法使用布局文件中的大量层级（例如 GDSII）来复制围绕中心光轴的元元素（大多数镜头都是中心对称的），利用旋转对称性将唯一元元素定义的数量大大减少为沿单个径向线的元元素定义。在某些情况下，某些转换软件或掩模写入机对任何设计可能包含的层级数量设置上限（例如，我们的设计使用了 16 个层级），因此我们引入了一种基于 METAC 但层级限制为 16 个的算法，我们将其称为 METAC16，以供参考。
表 1. 根据器件直径的设计文件大小和 METAC 算法的比较
我们分析了 METAC 算法，并将其与其他数据表示方法（图 1c、b 和表 1）进行了比较，包括未压缩、EightFold 和 METAC16。未压缩是明确定义每个元元素的方法。Eightfold 是整个设计由单个唯一八分之一的八个副本组成的方法，因此其文件大小预计是未压缩的八分之一。我们发现 METAC 和 METAC16 具有可比的性能，并且在设备直径增加到毫米范围甚至更大时，在压缩文件大小方面非常有效。我们比较了文件大小缩放顺序 b=logdF，它决定了文件大小随设备尺寸增加的速率，其中 F 是文件大小，d 是设备直径（图 1d）。未压缩文件大小与直径的平方成比例（b≈2），这仅仅是因为元素数量随设备面积成比例，EightFold 也是如此。由于这种二次缩放，超表面设计的文件大小很快达到厘米级设备的千兆字节甚至太字节级别。理想情况下，对于高度中心对称的超表面透镜，唯一数据仅包含在径向维度上，即理想情况下为线性或 b = 1。事实上，METAC 得出 b = 1.073，其中 0.073 归因于数据定义和引用开销。即使对于 METAC16，b 也略微增加到 1.207，因为需要额外的数据来补偿级别限制。在此处的分析中，元元素的平均 Voronoi 单元长度为 520 µm，这偏大，表明在更密集的设置下性能提升将更加明显。我们相信，随着特征密度的增加以及设备面积继续向厘米级及更大尺寸增长，METAC 算法将通过防止 TB 和 PB 级的过大文件大小来促进大面积超表面的发展。
3.制造方法
使用 METAC 算法生成的设计，我们在 4 英寸熔融石英 (SiO2) 晶圆基板上制作了超透镜（图 2）。在清洁的基板上创建了一个薄膜堆栈，由（从下到上）0.6 µm 的 a-Si、1.1 µm 的 SPR700-1.0 (MEGAPOSIT) 和 0.4 µm 的 CEM365IS (ShinEtsuMicroSi) 组成。使用等离子增强化学气相沉积 (STS 的 PECVD) 沉积 a-Si 层。SPR700-1.0 和 CEM365IS 以 4000 rpm 的速度旋涂。然后使用 GCA AS200 i-line 步进机曝光晶圆。曝光后进行水冲洗，并在 115 °C 下进行 60 秒的曝光后烘烤。然后将晶圆放入 MF CD-26（Shipley）中，在两个浴槽中显影 60 秒，然后立即用水冲洗。然后使用反应离子蚀刻（STS MPX/LPX ICP RIE）将图案蚀刻到 a-Si 中。最后，将抗蚀剂浸泡在 Remover PG 中 10 小时，然后使用 Matrix 105 等离子灰化器（1500 mTorr 氧气压力、500 W 射频功率、200 °C）浸泡 2 分钟，以剥离抗蚀剂。
图 2。示意图显示了使用现有光刻步进技术以低成本高产量生产超透镜。这里首先在晶圆衬底上沉积适当的薄膜堆栈，包括超透镜材料（非晶 (a)-Si）、光刻胶（SPR700-1.0）和对比度增强材料 (CEM)。然后，步进机投射包含在光罩中的超透镜图案，并通过反复曝光和逐步步进晶圆位置，将其快速复制到晶圆表面。每小时可实现高达数百片晶圆 (wph) 的产量。然后将图案蚀刻到 a-Si 中，形成超透镜。最后，在去除任何残留的光刻胶后，可以将晶圆切割成单独的超透镜装置。使用此方法制造的直径为 2 厘米的超透镜（右上）的照片与标尺进行比较。超透镜中心（右中）的 SEM 显示了组成超透镜的微观柱。比例尺：2 µm。
4.大面积超表面透镜的平整度要求
对于大面积器件，基板平整度如何影响光学性能的问题变得很重要。由于超表面通常被称为相位工程器件，因此通常假设必须对相位施加严格的公差，因此基板平整度变化必须保持远小于器件整个跨度上的波长。然而，我们发现公差取决于应用，在特定应用中，例如透镜，这些公差可以放宽，而其他应用则相反，例如全息图和干涉图。
图 3。平整度要求。（a）随着超透镜尺寸的增加，器件表面的平整度变得越来越重要。通过计算机模拟超透镜（直径：2 厘米，焦距：50 毫米，设计波长：1550 纳米）研究了平整度要求，其中表面曲率是变化的（空间周期范围从 1 到 100 毫米，扰动幅度从 0 到 200 微米）。显示了光场的强度。超透镜位于每个图的底部，垂直（z）轴和水平（r）轴分别是传播方向和径向尺寸。每组左侧和右侧的四列分别显示相对于超透镜中心的偶数（余弦）和奇数（正弦）空间扰动的光学行为。空间周期越短，扰动幅度越大，聚焦质量越差。在 (b) 中，我们使用了 4 英寸晶圆（包括超透镜）的表面轮廓进行测量（使用 Toho FLX-2320-S），并在 (c) 中计算傅里叶变换，以获得对空间频率的主要贡献，这些贡献主要发生在 Λ-1< 0.02 mm-1（或 Λ > 20 mm）处。内侧和外侧的白色圆圈分别表示 50 和 20 mm 处的 Λ。
基板平整度可以用表面轮廓来表征，在各种情况下，表面轮廓通常表现为曲率（翘曲和弓形）、总厚度变化和表面粗糙度。这些特性可以量化，存在于光谱表面位移轮廓 Δz(x, y) 中，具有两个参数：空间周期（或频率）Λ 和扰动幅度 A（图 3），其中表面粗糙度、翘曲/弓形和总厚度变化随着空间周期的增加而发生。从数学上讲，我们可以考虑偶数和奇数分量，其中 Δz=Acos(2πx/Λ) 或 Asin(2πx/Λ)，通常任何轮廓都可以表示为这些的傅里叶级数。位移轮廓的影响可以用射线光学和波动光学来理解。从射线光学的角度来看，超表面在设备表面弯曲光线，使得出射角由入射角和相互作用位置的相位梯度决定。在波动光学中，相干照明的位移分布会改变干涉，而使用非相干光时，问题就不那么严重了。通过对代表性大面积超透镜（直径：2 厘米，焦距：50 毫米，设计波长：1550 纳米）进行计算机模拟，我们发现，由于角度偏差和干涉更加明显，随着 Λ 的减小和 A 的增大，聚焦质量会变差（图 3a）。根据经验法则，当 A ≤ 时，聚焦质量良好（即基板“足够平坦”）10 µm 和 Λ > 10 mm（图 3a）。在处理超透镜阵列之后，我们测量了作为代表性样品的晶圆的表面轮廓，结果为 A< 17 µm（图 3b）和 Λ> 20 mm（图 3c），满足了模拟给出的足够平整度标准。
5.实验
使用水平显微镜装置（图 A2）和简单成像装置（图 4a）表征了超透镜的焦点和成像性能。可调激光器（HP 8168F）在 λ=1440-1590 nm 之间工作，配有光纤准直器（Thorlabs F810APC-1550）产生直径为 7 mm 的光束，照亮超透镜中心（虽然超透镜的数值孔径 (NA) 为 0.2，但照明区域的有限尺寸导致有效 NA=0.07）。焦点通过水平显微镜成像：物镜（10x Mitutoyo M Plan Apo NIR 无限远校正物镜）、筒镜（平凸透镜，f = 200.0 mm）和相机（数字 InGaAs，Raptor OWL640）。整个水平显微镜安装在线性电机 (NPM Acculine SLP35) 上，可对光场进行水平扫描。在 λ=1550 nm 时，测量到该装置的焦距为 50.159 ± 0.023 mm（设计焦距 = 50 mm），测量到焦斑的全宽 (1/e2) 为 20.9 µm（图 4b）。假设孔径为 7 mm 且采用完美的高斯照明 (M2= 1)，则该装置的理论衍射极限光斑尺寸为 14.1 µm。调制传递函数 (MTF) 是通过点扩展函数（即焦斑图像）的傅里叶变换计算得出的，结果与理论衍射极限 MTF 高度一致（图 4c）。
聚焦效率由使用光功率计 (Thorlabs PM100D) 在焦点位置测量的带超透镜和不带超透镜的总光功率比决定。使用一对光圈来阻挡任何杂散光。在 λ=1550 nm 时测量的效率为 91.8 ± 4.1%，其中不包括由于空气-二氧化硅边界造成的损失（法向入射菲涅耳反射造成的 3.25% 损失）。通过添加抗反射涂层，效率可以进一步提高（例如达到 > 95%）。
通过两种方式研究了色差的影响：色焦移和成像色差，分别通过改变和固定相机位置的同时扫描光源波长。色焦移具有高度线性（R2=0.9982），测得的值为 Δf/Δλ= -0.0335 mm/nm，当波长调整 150 nm（1440-1590 nm）时，对应焦移为 10%（-5.09 mm）（图 4d）。拍摄了焦点的高光谱图像（图 4e）以查看成像色差。焦点呈白色，周边略带淡淡的色彩，表明色差较小，这是由于低 NA 造成的。水平和垂直线切割证实了这一点，它们非常吻合。
图 4。聚焦和成像性能。（a）该设备的薄度允许成像设置非常类似于理想的薄透镜方程，该方程用于展示成像能力。（b）在λ=1550 nm 处，7 mm 高斯照明的焦点图像。（c）从 (b) 测量的调制传递函数 (MTF) 与理论衍射极限 MTF 一起绘制。误差线：标准偏差。（d）色焦移是根据照明波长测量的。测量的焦距与 1550 nm 处设计波长的偏差（浅蓝色点，误差线：标准偏差）与线性拟合（蓝线）一起绘制。（e）与 (b) 相同配置的焦点高光谱图像，λ=1440-1590 nm，以 10 nm 为增量，线性合并到 RGB 通道（中心波长 λR=1590、λG=1515 和 λB=1480 nm）。该点大部分为白色，表明色差很小，这可以归因于低 NA（0.07）。还显示了 RGB 中心波长处的水平和垂直线切割。使用 (a) 中的薄透镜设置，在 λ=1550 nm 处展示了简单的单透镜成像，用于 (f) 哈佛大学徽标和 (g) 美国空军 1951 分辨率目标，无需任何额外的光学元件。
上述装置经过修改，可对宏观物体进行直接单透镜成像（图 4a）。由于超透镜很薄，这种配置非常接近传统的薄透镜方程[15]，该方程通常在入门光学教科书中教授，但不能准确描述真实大透镜的成像条件，因为它假设透镜的厚度可以忽略不计。整个装置由一个照明物体、超透镜和相机组成。物体是用玻璃上的铬制成的图案，形式为哈佛大学徽标和 USAF 1951 分辨率目标（分别为图 4f、g）。通过将物体到透镜的距离 (do) 调整为 175.0 ± 0.5 毫米，将透镜到相机的距离 (di) 调整为 70.0 ± 0.5 毫米，使图像聚焦。这与薄透镜方程（1/di+ 1/do= 1/f，其中，f 为焦距）一致。f = 50 mm。由于 4 mm 参考物体被倒置并成像在相机传感器上的长度为 1.69 mm，因此测量的光学放大倍率为 -0.42。根据薄透镜放大倍率公式计算的相应值 M= f/(f-do) = -0.40 ± 0.003。
6.结论
我们展示了使用光刻步进机制造的直径为 2 厘米、效率超过 91% 的大面积超透镜的设计、制造和光学特性。我们针对大面积、高数据密度超表面设计的算法是通用的：除了所述的光刻方法外，该算法还可用于其他制造方法，例如基于纳米压印和自组装的技术[16–18]，其中利用了高度对称的图案。厚度仅为 600 纳米的超透镜与厚度为 0.5 毫米的基板相结合，是理想薄透镜方程描述的透镜的近似实验。使用此方法生产的光学元件具有多种优势。与金刚石车削[19]和磁流变精加工[20]等机械加工相比，它们可以非常精确但相对较慢地形成透镜的形状，而光刻只需几毫秒的闪光曝光就可以压印光学元件的特性[21]。此外，与模具[22]相比，投影光掩模理论上可以无限次使用而不会出现任何磨损或保真度损失。最后，制造工艺由成熟的半导体制造技术承担。摩尔定律描述了每平方英寸晶体管数量每年翻一番的趋势[23]，除其他因素外，它主要由光刻技术缩小图案特征尺寸（即技术节点尺寸）的速度决定[24–26]（图 A3）。1992 年，技术节点尺寸 (TNS) 降至 700 纳米以下，这恰好是可见光谱的红端[27]。1995 年，TNS 达到 350 纳米，提供两倍的特征密度，足以对 700 纳米波长的光进行亚波长采样——从那时起，在可见波长下工作的亚波长超表面的大规模生产成为可能。利用光刻步进机和扫描仪等高产量技术[28]，我们设想制造业将从使用机械加工或模制光学器件过渡到使用光刻图案化光学器件，在半导体制造设施（如代工厂）中，它们可以大规模生产，规模和精度与 IC 芯片相似。在同一地点使用相同设备生产光学和电子部件的安排也自然有利于集成。最先进的设备很有用，但不一定是必不可少的。特别是，随着在撰写本文时跟上摩尔定律变得越来越困难，并且最先进的光刻系统（如极紫外光刻 (EUVL)[29]）变得如此昂贵，以至于除了业内最大的参与者之外，其他人都无法使用它们，重要的是找到使现有资本设备摆脱过时状态并重新用于新的、令人兴奋的机会的途径。
