[論文レビュー] Demonstration of a-Si metalenses on a 12-inch glass wafer by CMOS-compatible technology

Ting Hu, Qize Zhong+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 21被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、193 nm ArF ディープUVインマージョンリソグラフィーを用いて12インチのガラスウェーパー上に非晶状ケイ酸素（a-Si）メタルレンズを大規模かつCMOS準拠でフォトリソグラフィーすることに成功し、940 nmで数値開口率0.494、焦点効率29.2％を達成した。層移着技術により、標準的なCMOSプロセスと統合可能であり、コンパクトな光子デバイス向けに大規模生産が可能な高NAメタルレンズの実現に貢献する。

ABSTRACT

Metalenses built up by artificial sub-wavelength nanostructures have shown the capability of realizing light focusing with miniature lens size. To date, most of the reported metalenses were patterned using electron beam lithography (EBL), which requires long processing time and is not suitable for mass production. Here, we demonstrate an amorphous silicon (a-Si) metalens on a 12-inch glass wafer via the 193 nm ArF deep UV immersion lithography, with critical dimension (CD) as small as 100 nm. The layer transfer technology is developed to solve the glass wafer handling issue in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication line. The measured numerical aperture (NA) is 0.494 with a beam spot size of 1.26 μm, which agrees well with the simulation results. The focusing efficiency of 29.2% is observed at the designed wavelength of 940 nm. In addition, the metalens is applied in an imaging system, which further verifies its focusing functionality.

研究の動機と目的

• 標準的なCMOS準拠プロセスを用いて高数値開口率メタルレンズの大量生産を可能にすること。
• 大規模なフォトリソグラフィーに不適切な電子ビームリソグラフィーの遅さと高コストという限界を克服すること。
• ディープUVリソグラフィーと層移着技術を用いて、12インチガラスウェーパー上にa-Siメタルレンズを統合する可能性を実証すること。
• 実験的測定とイメージングシステム統合を通じて、製造されたメタルレンズの光学的性能を検証すること。

提案手法

• 193 nm ArF ディープUVインマージョンリソグラフィーを用いて、12インチガラスウェーパー上に波長未満のナノ構造をパターン形成し、最小寸法が100 nmに達する。
• 標準的なCMOSフォトリソグラフィー環境でガラスウェーパーの取り扱いを可能にするための層移着技術を開発した。
• 940 nmで高数値開口率と高い焦点効率を達成するため、計算最適化を用いてa-Siメタルレンズ構造を設計した。
• 堆積、パターン形成、エッチング工程を含む標準的なCMOSプロセスを用いてメタルレンズをプロトタイピングした。
• ビームスポットサイズ、数値開口率、焦点効率の測定を通じて光学的性能を評価した。
• 実用的フォーカス機能の検証のため、メタルレンズを簡易イメージングシステムに統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 a-Siメタルレンズは、CMOS準拠プロセスを用いて12インチガラスウェーパー上で大規模にフォトリソグラフィー可能か？
• RQ2 ディープUVリソグラフィーでパターン形成された場合、そのメタルレンズが達成可能な数値開口率と焦点効率は何か？
• RQ3 実際のメタルレンズの性能は、シミュレーション予測と比較してどうなっているか？
• RQ4 層移着技術は、ガラス基板上に作製されたメタルレンズのCMOS統合を効果的に可能にするか？
• RQ5 メタルレンズは実用的なイメージングシステムで信頼性高く動作するか？

主な発見

• 製造されたa-Siメタルレンズは、数値開口率0.494を達成し、シミュレーション結果とよく一致した。
• ビームスポットサイズは1.26 µmであった。これは、高い空間分解能を有するフォーカス能力を裏付けた。
• 設計波長940 nmにおいて、実験的に29.2％の焦点効率が観測された。
• 層移着技術により、CMOS準拠のフォトリソグラフィー環境下で12インチガラスウェーパー上にメタルレンズを統合することが成功した。
• 実際のイメージングシステムに統合されたメタルレンズは、実用的応用の妥当性を裏付けるフォーカス機能を示した。
• 193 nm ArF ディープUVリソグラフィーの使用により、100 nm未満のクリティカルディメンションが実現され、メタルレンズ動作に不可欠な高アスペクト比ナノ構造が可能になった。