[논문 리뷰] Demonstration of a-Si metalenses on a 12-inch glass wafer by CMOS-compatible technology

Ting Hu, Qize Zhong외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 11.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 21인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 193 nm ArF 극자외선 침수 리소그래피를 사용하여 12인치 유리 웨이퍼에 대규모로, CMOS 공정과 호환되는 비정질 실리콘(a-Si) 메탈렌즈를 제작함으로써, 940 nm에서 수치아포절(Numerical Aperture) 0.494와 29.2%의 집광 효율을 달성하였다. 층 이송 기술을 통해 표준 CMOS 공정과의 통합이 가능해져, 소형 광학 시스템을 위한 고NA 메탈렌즈의 대량 생산이 가능해졌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 CMOS 호환 공정을 사용하여 고수치아포절 메탈렌즈의 대량 생산을 가능하게 하기 위해.
• 대규모 제작에 적합하지 않은 너무 느리고 비싼 전자빔 리소그래피의 한계를 극복하기 위해.
• 심층 자외선 리소그래피와 층 이송 기술을 활용하여 12인치 유리 웨이퍼에 a-Si 메탈렌즈의 통합 가능성을 입증하기 위해.
• 실험적 측정과 영상 시스템 통합을 통해 제작된 메탈렌즈의 광학 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 12인치 유리 웨이퍼에 100 nm 이하의 치수를 갖는 서브파장 나노구조를 193 nm ArF 심층 자외선 침수 리소그래피로 패턴화하였다.
• 표준 CMOS 제조 환경에서 유리 웨이퍼를 다룰 수 있도록 층 이송 기술을 개발하였다.
• 940 nm에서 고수치아포절과 높은 집광 효율을 달성하기 위해 계산 기반 최적화를 활용해 a-Si 메탈렌즈 구조를 설계하였다.
• 진열, 패터닝, 에칭 단계를 포함한 표준 CMOS 공정을 사용하여 메탈렌즈를 제조하였다.
• 빔 스포트 크기, 수치아포절, 집광 효율 측정을 통해 광학 성능을 특성화하였다.
• 실제 영상 시스템에 메탈렌즈를 통합하여 그 기능성 있는 집광 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환 공정을 사용하여 12인치 유리 웨이퍼에 a-Si 메탈렌즈를 대규모로 제조할 수 있는가?
• RQ2 심층 자외선 리소그래피로 패턴화된 메탈렌즈의 경우 도달 가능한 수치아포절과 집광 효율은 무엇인가?
• RQ3 제작된 메탈렌즈의 성능은 시뮬레이션 예측과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 층 이송 기술이 유리 기반 메탈렌즈의 CMOS 통합을 효과적으로 가능하게 하는가?
• RQ5 메탈렌즈는 실질적인 영상 시스템에서 신뢰성 있게 기능하는가?

주요 결과

• 제작된 a-Si 메탈렌즈는 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치하는 수치아포절 0.494를 달성하였다.
• 빔 스포트 크기는 1.26 µm로 측정되어 높은 공간 해상도 집광 능력을 확인하였다.
• 설계된 파장 940 nm에서 실험적으로 29.2%의 집광 효율이 관측되었다.
• 층 이송 기술을 통해 CMOS 호환 제조 환경 내에서 12인치 유리 웨이퍼에 메탈렌즈의 통합이 성공적으로 수행되었다.
• 실제 영상 시스템에 통합된 메탈렌즈는 기능성 집광을 보여주어 실용적 적용 가능성을 입증하였다.
• 193 nm ArF 심층 자외선 리소그래피를 사용함으로써 100 nm 이하의 치수를 달성하여 메탈렌즈 작동에 필수적인 고비율 나노구조를 실현할 수 있었다.