CN117826285A - 一种超表面透镜的制备方法及超表面透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超表面透镜的制备方法及超表面透镜，方法包括：获取第一衬底；在所述第一衬底表面上生长，第一生长基底；在所述第一生长基底上生长第一保护层；在所述第一保护层上生长作为纳米结构的第一加工层；在所述第一加工层的表面上涂覆光刻胶；使用光罩光刻，刻蚀涂覆光刻胶后的第一加工层，获取第一超透镜结构，并对所述光刻胶清洗去除；获取高温透明基材，通过高温键合的方式，将所述第一超透镜结构键合在所述高温透明基材的一侧面上；高温键合退火后，去除所述第一衬底和所述第一生长基底，获取单面超表面透镜。通过本发明公开的超表面透镜的制备方法及超表面透镜，能够提高超构单元的形貌质量的问题。

Description

一种超表面透镜的制备方法及超表面透镜

技术领域

本发明涉及超材料器件技术领域，具体为一种超表面透镜的制备方法及超表面透镜。

背景技术

超表面透镜：是一种使用超表面来聚焦光线的平面透镜，超表面由排列在二维平面的亚波长结构(超构单元)组成，通过调整超构单元的形状、大小、方向或位置在界面处引入相位梯度，并任意调控光波前，将理想的光汇集起来产生所需要的成像。超表面透镜的纳米天线主要有介电材料单元和等离子体激元单元，前者主要对相位和偏振产生改变，后者主要对幅度和波长。超表面透镜是平面透镜，比起传统透镜有超轻、超薄及多功能集成的优势，且全电介质型超构表面率高、加工与大规模集成电路工艺兼容，具有更广泛的应用场景和更便利的加工方式。

纳米压印是目前主要的超表面透镜的加工方法，但是纳米压印在图形的复杂度上又有较大限制。该工艺主要包括热压印(HEL)、紫外纳米压印(UV-NIL)和微接触印刷(MCP)。因其属于接触式图形转移过程，衍生出不少技术问题，其中1:1压印模具的制作、套印精度、模具的使用寿命、生产率、最小图型特征尺寸和缺陷控制被认为是当前最大的技术挑战。

MCP技术使用PDMS作为压印模具(软模具)能够有效解决压印模具和基片间平行误差以及两者表面的平面度公差。但涂于模具表面的硫醇转移到抗蚀剂表面时会发生模具和抗蚀剂的相对滑动，导致被转移图形变形和缺损。HEL技术需要加热且压力很大，使整个系统产生较大的变形。此外，由于使用硬模具，使其无法消除基片和模具之间的平行误差及两表面的平面度公差。UV-NIL技术同样使用硬质模具，无法解决平行度误差和平面度公差问题，限制了模具的图形转移面积，并且为了弥补平面公差问题，必须使用多层抗蚀剂技术，增加了技术难度和成本。所以纳米压印的难点之一就是高质量模具的制备，针对三维压印模具的制备、大面积压印模具的制作、高分辨率压印模具的制作、模具形变、模具防粘连处理、模具检查与修复等关键挑战的研究仍未得到完全解。其他工艺路线的刻蚀方法工艺复杂且形貌不可控，亦非超构单元制备的优解。

光刻技术同样是加工微纳结构的成熟技术。由于超构单元光学波段的结构尺寸较小，普通的紫外光刻设备满足不了，需要借助大规模集成电路工艺制程中更先进的沉浸式曝光系统。最常用的是非接触投影式曝光，即图形经过光学系统成像缩放在光刻胶上，在曝光镜头与光刻胶之间充满液体的浸没式光刻，这种光刻方式增大了分辨率，对准精度高，可以缩放掩膜板上的图案，可通过掩膜板调整曝光面积。经过多年的发展，已经证明光刻技术是最适合批量生产大面积光学超构表面的技术之一。

目前主流的芯片代工厂工艺设备主要都是为不透明半导体晶圆如Si，InP，GaAs等设计的。在高度自动化的设备中引入透明衬底可能会增加设备报错、碎片的风险。另外，不透明超材料大多导热和导电性能较差，在等离子体刻蚀过程中，离子轰击和表面化学反应会导致材料表面温度相对较高，可能会降低材料与光刻胶之间的刻蚀速率选择比，而且局部的温度分布差异也会导致较大的工艺偏差。在大规模的量产中，经常使用SEM对产品进行无损的CD测量和缺陷扫描，电导率较低就导致材料表面的电荷积累，从而产生一个静电场干扰入射电子束和二次电子发射，使得图像出现畸变、模糊等现象，影响SEM结果判断。

因此，虽然光刻技术最适合批量生产大面积光学超构表面的技术之一，但是并不适合直接在透明基底上使用光刻技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：解决现有的超表面加工方法，使超构单元的形貌不可控、质量差以及复杂度受限制的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种超表面透镜的制备方法，包括以下步骤：

S100，获取第一衬底；

S200，在所述第一衬底表面上生长，第一生长基底；

S300，在所述第一生长基底上生长第一保护层；

S400，在所述第一保护层上生长作为纳米结构的第一加工层；

S500，在所述第一加工层的表面上涂覆光刻胶；

S600，使用光罩光刻，刻蚀涂覆光刻胶后的第一加工层，获取第一超透镜结构，并对所述光刻胶清洗去除；

S700，获取高温透明基材，通过高温键合的方式，将所述第一超透镜结构键合在所述高温透明基材的一侧面上；

S800，高温键合退火后，去除所述第一衬底和所述第一生长基底，获取单面超表面透镜。

在本发明的一实施例中，所述超表面透镜的制备方法包括：

获取第二衬底；

在所述第二衬底上，重复步骤S200至步骤S600，获取第二超透镜结构；

通过高温键合的方式，将所述第二超透镜结构键合在所述高温透明基材的另一侧面上；

高温键合退火后，去除所述第二衬底和生长在所述第二衬底上的第二生长基底，获取双面超表面透镜。

在本发明的一实施例中，所述第二超透镜结构中的光柱与所述第一超透镜结构中的光柱在光柱形貌和分布上不同。

在本发明的一实施例中，所述第一生长基底为氧化硅膜，厚度为20～300纳米。

在本发明的一实施例中，所述第一保护层为氮化硅膜，厚度为20～50纳米。

在本发明的一实施例中，所述第一加工层为氧化硅膜，厚度为50～600纳米。

在本发明的一实施例中，在所述第一衬底上生长所述第一生长基底之前，以及在所述第二衬底上生长所述第二生长基底之前，先对所述第一衬底和所述第二衬底清洗。

在本发明的一实施例中，所述高温透明基材为石英玻璃。

本发明还公开一种超表面透镜，应用上述所述的超表面透镜的制备方法制备而成；包括：所述高温透明基材，以及在所述高温透明基材的一侧面上依次设置有所述第一超透镜结构和所述第一保护层。

在本发明的一实施例中，在所述高温透明基材的另一侧面上依次有第二超透镜结构和第二保护层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于双面键合的双超表面透镜加工技术，该方法通过将两张硅片本身加工好的超表面透镜结构，利用玻璃键合烤炉进行高温键合，将两面超表面透镜结构整合成一个构件，有效规避了纳米压印的复杂度限制并且克服了光刻技术对透明介电材料处理效果不理想的问题。本发明先用光刻加工精细结构，再通过键合的方式转移到透明基底上的方案，应该是目前大规模制造的合适工艺。

本发明实现了一侧、两侧超材料平面透镜的加工。结构自封闭于透光保护膜之中，结构精巧。使用集成电路光罩光刻工艺，加工通量大，加工精度高，在同一晶圆两侧都进行了加工，提高了光罩使用率，有效压缩成本和工期；两侧的超透镜组对准精度高，键合紧密，可实现大广角物镜和多光谱成像等混合功能，以及有效克服了传统透镜组的视野限制。

附图说明

图1为本发明实施例的一种超表面透镜的制备方法的流程图。

图2为本发明的实施例的超表面透镜示意图。

图3为本发明的实施例的第一超表面透镜结构示意图。

图4为本发明的实施例的超表面透镜键合示意图。

图5为本发明的实施例的第二超表面透镜结构示意图。

图6为本发明的实施例的双面超表面透镜结构示意图。

图7为本发明的实施例的双面超表面透镜结构成像示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

请参阅图1至图4所示，本发明公开一种超表面透镜的制备方法，包括以下步骤：

S100，获取第一衬底。

在本实施例中，第一衬底110为例如为硅衬底。

S200，在所述第一衬底表面上生长，第一生长基底。

在本实施例中，第一生长基底120为氧化硅膜，厚度为20～300纳米，用于作为第一保护层130的生长基底。

S300，在所述第一生长基底上生长第一保护层。

在本实施例中，第一保护层130为氮化硅膜，厚度为20～50纳米，用于保护第一加工层140。第一保护层130除了可以在去除第一衬底110和第一生长基底120时保护刻蚀的结构，还能作为封装的透光保护层。

S400，在所述第一保护层上生长作为纳米结构的第一加工层。

在本实施例中，第一加工层140为氧化硅膜，厚度为50～600纳米。

S500，在所述第一加工层的表面上涂覆光刻胶。

S600，使用光罩光刻，刻蚀涂覆光刻胶后的第一加工层，获取第一超透镜结构，并对所述光刻胶清洗去除。

在本实施例中，光罩上设置有第一超透镜结构的光柱形貌和分布图案，通过光刻刻蚀，光柱形貌和分布图案转移到第一加工层140中，形成第一超透镜结构。

与光刻法对比的通常是EBL等直写技术，直写技术是通过逐点扫描的方法加工，加工方法有以下特点：

(1)对于制备大规模纳米结构需要付出大量的加工时长和较高的加工成本；

(2)同时高能离子束存在散射，临近效应明显，其产生的二次离子会导致分辨率下降的问题；

(3)EBL等直写技术的图形化能力相对较差；

(4)EBL必须在抗蚀剂上加工图案，而抗蚀剂多为低折射率聚合物电介质材料，一般无法直接作为超构表面单元，通常EBL作为图形化手段会和后续的图形转移工艺结合使用。因此，本发明使用光刻法。

S700，获取高温透明基材，通过高温键合的方式，将所述第一超透镜结构键合在所述高温透明基材的一侧面上。

在本实施例中，高温透明基材为石英玻璃。

S800，高温键合退火后，去除所述第一衬底和所述第一生长基底，获取单面超表面透镜。

在本实施例中，键合是利用高温键合设备无氧退火炉，在工作气体的帮助下，加快纳米结构和所选基底表面的化学键形成，使材料烧结成一体的工艺。结合光刻法大面积制备超构单元的特点，能够实现更经济的超构单元器件。

实施例2

请参阅图1至图7所示，在实施例1的基础上，制备形成双面超表面透镜。具体的，包括：

获取第二衬底；

在所述第二衬底上，重复实施例1中的步骤S200至步骤S600，获取第二超透镜结构；

通过高温键合的方式，将所述第二超透镜结构键合在所述高温透明基材的另一侧面上；

高温键合退火后，去除所述第二衬底和生长在所述第二衬底上的第二生长基底，获取双面超表面透镜。

在本实施例中，即，在第二衬底310上，依次生长有第二生长基底320、第二保护层330和第二加工层340。其中，第二衬底310与第一衬底110、第二生长基底320和第一生长基底120、第二保护层330和第一保护层130、第二加工层340和第一加工层140的生长厚度，可以相同也可以不同。以及第二衬底310与第一衬底110、第二生长基底320和第一生长基底120的使用材料，可以相同也可以不同。第二超透镜结构可以实现多通道多光谱分别成像，成像直接聚焦到感光阵列上，结构简单。

实施例1制备形成单面超表面透镜，虽然解决了超构单元的形貌不可控和质量差的问题，但是在使用时，无法对不同波段的光进行过滤，使透过高温透明基材200的同于同波段的入射光，成像特征现象不明显。若搭配准直系统使用，通过准直系统用于过滤不同的波段的光，增加了加工难度，以及增加了一个光学器件。

因此，通过在高温透明基材200的两侧面上，键合两个超透镜结构，一个超透镜结构用于准直入射光，一个超透镜结构用于对入射光进行过滤分光，使处于同波段的入射光在一个区域内成像，且成像特征更明显，两个超透镜结构的制备过程相同，区别仅在于在光刻图案不同，以间接形成作用不同的超构单元。

在本实施例中，第二超透镜结构中的光柱B与所述第一超透镜结构中的光柱A在光柱形貌和分布上不同。第二超透镜结构用以分光。入射光穿过第一超透镜结构的光柱A，准直的照射在高温透明基材200上，穿过高温透明基材200后，准直的入射光进入第二超透镜结构中，第二超透镜结构的光柱B对准直的入射光进行分光，处于相同波段的入射光在同一区内成像，如图7所示。

请参阅图1至图7所示，本发明还提供一种超表面透镜，应用上述所述的超表面透镜的制备方法制备而成。包括：高温透明基材200，以及在高温透明基材200的一侧面上依次设置有第一超透镜结构140和第一保护层130，形成单面超表面透镜。在单面超表面透镜的基础上，在高温透明基材200的另一侧面上依次有第二超透镜结构340和第二保护层330，形成双面超表面透镜。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种超表面透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，获取第一衬底；

S200，在所述第一衬底表面上生长，第一生长基底；

S300，在所述第一生长基底上生长第一保护层；

S400，在所述第一保护层上生长作为纳米结构的第一加工层；

S500，在所述第一加工层的表面上涂覆光刻胶；

S600，使用光罩光刻，刻蚀涂覆光刻胶后的第一加工层，获取第一超透镜结构，并对所述光刻胶清洗去除；

S700，获取高温透明基材，通过高温键合的方式，将所述第一超透镜结构键合在所述高温透明基材的一侧面上；

S800，高温键合退火后，去除所述第一衬底和所述第一生长基底，获取单面超表面透镜。

2.根据权利要求1所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，所述超表面透镜的制备方法包括：

获取第二衬底；

在所述第二衬底上，重复步骤S200至步骤S600，获取第二超透镜结构；

通过高温键合的方式，将所述第二超透镜结构键合在所述高温透明基材的另一侧面上；

高温键合退火后，去除所述第二衬底和生长在所述第二衬底上的第二生长基底，获取双面超表面透镜。

3.根据权利要求2所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，所述第二超透镜结构中的光柱与所述第一超透镜结构中的光柱在光柱形貌和分布上不同。

4.根据权利要求1所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，所述第一生长基底为氧化硅膜，厚度为20～300纳米。

5.根据权利要求1所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，所述第一保护层为氮化硅膜，厚度为20～50纳米。

6.根据权利要求1所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，所述第一加工层为氧化硅膜，厚度为50～600纳米。

7.根据权利要求2所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，在所述第一衬底上生长所述第一生长基底之前，以及在所述第二衬底上生长所述第二生长基底之前，先对所述第一衬底和所述第二衬底清洗。

8.根据权利要求1所述的超表面透镜的制备方法，其特征在于，所述高温透明基材为石英玻璃。

9.一种超表面透镜，其特征在于，应用权利要求1-8任一所述的超表面透镜的制备方法制备而成；包括：所述高温透明基材，以及在所述高温透明基材的一侧面上依次设置有所述第一超透镜结构和所述第一保护层。

10.根据权利要求9所述的超表面透镜，其特征在于，在所述高温透明基材的另一侧面上依次有第二超透镜结构和第二保护层。