[论文解读] 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 10

一句话总结

本论文展示了利用193 nm ArF深紫外浸没光刻技术，在12英寸玻璃晶圆上实现大规模、与CMOS工艺兼容的非晶硅（a-Si）金属透镜的制造，数值孔径达0.494，在940 nm波长下聚焦效率为29.2%。层转移技术使金属透镜可与标准CMOS工艺集成，从而实现紧凑光子系统中高NA金属透镜的大规模生产。

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.

研究动机与目标

• 通过标准CMOS兼容工艺实现高数值孔径金属透镜的大规模生产。
• 克服电子束光刻技术因速度慢、成本高而难以实现大规模制造的局限性。
• 通过深紫外光刻与层转移技术，证明在12英寸玻璃晶圆上集成a-Si金属透镜的可行性。
• 通过实验测量与成像系统集成，验证所制造金属透镜的光学性能。

提出的方法

• 采用193 nm ArF深紫外浸没光刻技术，在12英寸玻璃晶圆上图案化亚波长纳米结构，关键尺寸低至100 nm。
• 开发了层转移技术，使玻璃晶圆可在标准CMOS制造环境中处理。
• 通过计算优化设计a-Si金属透镜结构，以在940 nm波长下实现高数值孔径与高聚焦效率。
• 采用标准CMOS工艺流程（包括沉积、图案化与刻蚀）制造金属透镜。
• 通过测量光束光斑尺寸、数值孔径与聚焦效率，表征光学性能。
• 将金属透镜集成至简易成像系统中，验证其实际聚焦功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用CMOS兼容工艺在12英寸玻璃晶圆上大规模制造a-Si金属透镜？
• RQ2 通过深紫外光刻技术图案化后，此类金属透镜可实现的数值孔径与聚焦效率是多少？
• RQ3 所制造金属透镜的性能与仿真预测结果相比如何？
• RQ4 层转移技术是否能有效实现基于玻璃的金属透镜与CMOS工艺的集成？
• RQ5 金属透镜能否在实际成像系统中稳定工作？

主要发现

• 所制造的a-Si金属透镜实现了0.494的数值孔径，与仿真结果高度吻合。
• 实测光束光斑尺寸为1.26 µm，证实其具备高空间分辨率聚焦能力。
• 在设计波长940 nm处，实测聚焦效率达到29.2%。
• 层转移技术成功实现了在CMOS兼容制造环境中，将金属透镜集成于12英寸玻璃晶圆上。
• 金属透镜在真实成像系统中表现出功能性聚焦，验证了其实际应用潜力。
• 采用193 nm ArF深紫外光刻技术实现了低于100 nm的关键尺寸，从而可制造出金属透镜运行所必需的高深宽比纳米结构。