超表面全息术--超表面制造方法发表时间:2023-06-16 09:00来源:期刊《光电工程》 由一系列人工亚波长单元结构组成的超表面可以对光的振幅、相位、偏振、波长等各种特性实现高自由度的任意调控,但各种功能的精准实现对单元结构的几何尺寸、形貌结构、周期距离等参数提出了苛刻的要求,针对于此,研究者们提出了多种制造方法,以适应不同场景的需要。目前大多数超表面器件都是基于电子束曝光 (EBL) 和聚焦离子束 (FIB) 来生产制造的,这两种方法具有加工精度高、适用材料范围广、自由度高等优点,但同样也具有产率小、加工速度慢等缺点,只适用于实验室阶段的小批量原理验证,无法满足工业界的大规模批量生产的需求。针对于此,研究者提出光刻、纳米压印 (nanoimprintlithography,NIL) 技术来实现批量化生产,有利于超表面真正落地于实际应用。此外,TPP 激光直写技术作为一种微纳尺度的真三维加工方法,也为制造超表面提供了一种新的解决方案。 ▍电子束曝光 EBL 是利用聚焦的电子束对样品表面的抗蚀剂进行曝光,若为正性抗蚀剂,被曝光的区域在后续显影中会被溶解;若为负性抗蚀剂,则未被曝光的区域在后续显影中会被溶解,如图 1 所示。 图1 电子束曝光 基于此,完成图案化结构的制备。对于超表面,目前的抗蚀剂一般无法直接作为单元结构的材料,因此需要结合其他工艺来制备超表面图案化结构:剥离 (lift-off)、刻蚀(etching) 和原子层沉积 (ALD)。得益于 EBL 技术高分辨率、高自由度的特点,该技术在超表面的制造加工流程中应用的最为广泛。特别地,EBL 在拥有高设计自由度、高集成度、多功能的多层超表面的制造中扮演着重要的角色。此外,研究人员还报道了一种冰辅助的 EBL 技术,利用冰代替抗蚀剂,具有无污染、工艺简单等特点。加工始于冰的气相沉积,结束于冰的升华,成功在光纤端面上制造了等离子体纳米盘阵列。 EBL 结合剥离的工艺方法主要用来制造由金属等离子体阵列组成的超表面,制造流程为: ① 在基底表面均匀旋涂一层正性抗蚀剂; ② 利用 EBL 曝光显影抗蚀剂,得到与所设计超表面形状互补的图案化结构; ③ 利用蒸发或溅射的工艺在样品表面沉积金属薄膜; ④ 将抗蚀剂及上方的金属剥离,得到超表面结构。 进一步地,2016 年,Chen 等提出了一种“Sketch and peel”方法,其关键思想是仅暴露目标结构的轮廓,并通过选择性剥离轮廓外部和顶部的金属层来填充中心区域。在制造过程中,在结构足够大的情况下,有效曝光面积将减少数百倍,因此可以最小化总入射电子,缓解邻近效应,同时实现了约 15 nm的金属结构特征尺寸。由于金属固有的高损耗问题,不利于其在可见光波段的进一步应用,虽然利用反射式结构可以提高超表面的调制效率,但存在工艺复杂、光路受限等限制。以 TiO2、Si3N4、GaN、Si等材料为代表的电介质材料超表面依靠相对较高的折射率、低吸收系数等优势,在可见光和近红外波段得到了广泛的应用,而刻蚀和 ALD 工艺为加工这种电介质材料提供了解决思路。 EBL 结合刻蚀的制造流程为: ① 在基底表面沉积一层电介质材料,层厚与所设计的单元结构厚度相等; ② 在电介质层上方均匀旋涂一层正性抗蚀剂; ③ 利用上面提到的 EBL 结合剥离的方法在电介质材料上制备一层掩膜; ④ 通过反应离子刻蚀 (reactive ion etching,RIE) 或电感耦合等离子刻蚀 (inductively coupled plasma,ICP) 等干法刻蚀方法,刻蚀掉非掩膜覆盖的电介质材料,完成超表面的加工。 但是这种刻蚀方法较为复杂,需要不断迭代改善多种工艺参数才能得到理想的加工效果。 研究者们提出了一种 EBL 结合 ALD 的加工方法,制造流程为: ① 在基底表面均匀旋涂一层与单元结构厚度相等的正性抗蚀剂; ② 利用 EBL 对抗蚀剂进行曝光显影,得到与所设计超表面形状互补的图案化结构; ③ 通过 ALD 技术填充电介质材料; ④ 利用刻蚀技术去除上层多余的电介质材料; ⑤ 去除掉剩余的抗蚀剂,得到组成超表面的单元结构。 ▍聚焦离子束 FIB 系 统 的 原 理 与 扫 描 电 子 显 微 镜 (scanningelectron microscope,SEM) 十分类似,只是将电子束换成了离子束,如图 2 所示。 图2 聚焦离子束 制造流程为: ① 通过磁控溅射等工艺在基底上镀膜; ② 利用镓离子(Ga+) 束轰击膜表面去除相应材料,通过精确控制离子束作用的位置实现图案化单元结构的制备。 FIB 具有无材料选择性、工艺简单、自由度高等优点。但同时由于 Ga+束直径比电子束要大,因此分辨率较低,且加工速度慢、可加工尺寸小、成本高,这不利于加工大面积的超表面,限制了 FIB 系统的进一步应用。 2016 年,Chen 等将“Sketch and peel”方法与 FIB 结合,能够快速制造任意等离子体单元结构。图案加工具体流程为: ① 在衬底上蒸发金属; ② 利用 FIB 技术“Sketch”目标图案的轮廓; ③ 将透明胶带粘附在金属表面上,将多余的金属从基底表面剥离,从而得到目标结构。 ▍光刻和纳米压印 上述提到的 EBL 和 FIB 技术已经广泛应用于各类超表面的加工,对于实验室原理验证阶段,这两种方法具有加工精度高、无材料选择性等优点。但它们并不适用超表面的工业化大规模生产,原因是它们的加工速度太慢、一次性加工尺寸太小。针对于此,研究者们提出了两种解决方案:光刻和 NIL。 光刻作为半导体制造领域的一项成熟技术,也同样适用于超表面的加工,基本原理是利用紫外光将图案从掩膜版转移到基底上的光刻胶里,具有产量大、一致性高等优点,如图 3 所示。 图3 光刻 2018 年,She 等利用步进光刻机实现了厘米量级 a-Si (amorphoussilicon) 超透镜的规模化制造,并且提出了一种可以减小 3 个数量级的超表面版图压缩算法。该制造过程具体表述为: ① 将 a-Si、光刻胶和对比度增强材料依次沉积在晶片衬底上; ② 结合掩膜版投影超表面的图案化结构,通过重复曝光和步进晶片的方法实现快速复制; ③ 利用 RIE 将图案转移到 a-Si 层; ④ 去除残留的抗蚀剂得到超表面阵列; ⑤ 切割晶片获得多个超表面器件。 然而光刻受到光学衍射极限的限制,通常需要深紫外光或者极紫外光以实现小特征尺寸 线 宽 , 这 极 大 地 增 加 了 成 本 和 加 工 复 杂 性 。 2015 年,Luo 等提出一种表面等离子体成像光刻方法,通过引入反射等离子体透镜来放大和补偿倏逝波,从而产生具有高保真度、高对比度和大深度的纳米图案化结构,演示了几何尺寸为 40 nm×120 nm 的纳米掩膜图案在抗蚀剂中生成,并通过刻蚀转移到金属层中,最终制造出具有良好聚焦性能的超透镜器件。 进一步地,2017 年,Liu 等提出了一种等离子体腔光刻技术,光刻系统由 Cr 掩膜和银-光刻胶-银等离子体腔组成,腔体可以有效放大倏逝波并调制成像平面上的电场分量,并演示了一种超表面全息器件的制造与表征,如图 4 所示。 图4 等离子体腔光刻 2018 年,Pu 等通过引入反射等离子体透镜来放大和补偿倏逝波,形成悬链线光场。通过利用两个相反圆偏振光的干涉,首次提出了一种简单的非均匀超表面制造方法,打破了传统干涉光刻的限制。 NIL 是一种利用简单的机械变形来制造单元结构的技术,将图案化模具压入聚合物材料制成的树脂中,从而将纳米图案转移到树脂中,如图 5 所示。 图5 纳米压印 传统的 NIL 分为两种: ① 热 NIL,当模板压在树脂后,用先加热再冷却的方式固化聚合物涂层并分离模板,纳米图案就转移到了聚合物层,具有工艺简单的特点; ② 紫外 NIL,使用液态树脂旋涂在基底上,基于对紫外光透明的模板压印树脂,接着利用紫外线固化树脂,实现纳米图案的打印。 由于系统简单且响应时间快,因此通常具有更高的生产率。NIL 方法可以广泛应用于各种材料以制造超表面:金、p-Si(Poly-silicon)、钙钛矿等,还具有分辨率高、产量大、成本低等优势。 ▍双光子聚合激光直写技术 TPP 激光直写作为一种高分辨率、热影响区小、真三维的加工技术,已经广泛应用于超表面、微纳机器人、细胞支架等领域。该方法基于双光子聚合效应,即超快激光被高 NA 物镜紧聚焦到光刻胶内部,当激光强度高于一定阈值时,光刻胶在焦点处发生双光子吸收效应,产生自由基,当自由基浓度大于一定阈值时,单体吸收自由基聚合成链并固化,通过位移台移动样品或振镜扫描的方式实现大面积加工,如图 6 所示。 图6 双光子聚合激光直写技术 由于双光子吸收是一种非线性效应,只在小于紧聚焦焦点艾里斑的尺度内发生,可以实现超越衍射极限的微结构加工精度。2017 年,Faniayeu等针对亚微米量级的三维螺旋超表面结构难加工的问题,提出了利用 TPP 激光直写技术制造结构模板,结合溅射的方法实现单元结构的金属化,快速制造出在 6 μm~11 μm 波段内吸收率为 80% 的完美吸收体超表面。2020 年,Ren 等展示了一种 OAM 复用全息术,利用高度变化的几何相位单元结构同时实现了振幅和相位调制。由于 EBL 等方法很难做到不同高度单元结构的高精度制造,Ren 等采用 TPP 技术直写聚合物材料,制造了长度 780 nm,宽度 390 nm,高度3.4 μm~4.45 μm 的几何相位单元结构,实现了 64 阶复振幅调制。2020 年,Balli 等使用 TPP 技术制造了一种相位板和超透镜结合的混合消色差透镜,在1000 nm~1800 nm 的工作带宽内实现了大于 60% 的平均聚焦效率。此外,基于 TPP 技术的真三维加工能力,研究人员还展示了一种相位板-空气-超透镜的多层超表面结构,在保留宽带消色差功能的前提下实现了更高的 NA。 |