介質(zhì)超構(gòu)表面的CMOS兼容制備工藝的進(jìn)展

超構(gòu)表面為納米光子器件賦予了更高的自由度與靈活度，使實(shí)用的微納米光子器件的實(shí)現(xiàn)成為可能?；诟哒凵渎?a target="_blank">半導(dǎo)體材料的介質(zhì)超構(gòu)表面制備技術(shù)可以和半導(dǎo)體集成電路的制作工藝結(jié)合，有希望在攻克超構(gòu)表面大面積和高通量制備技術(shù)難題上發(fā)揮重要的作用，因此對(duì)其光場(chǎng)調(diào)控性能和制備工藝的研究是該領(lǐng)域近年來(lái)的重要發(fā)展方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“介質(zhì)超構(gòu)表面的CMOS兼容制備工藝的進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為張弛，通訊作者為肖淑敏教授，主要從事基于半導(dǎo)體光學(xué)材料和器件的制備方面的研究工作。

本文從硅、氮化硅和二氧化鈦等介質(zhì)超構(gòu)表面出發(fā)，介紹了超構(gòu)表面高通量制造技術(shù)的發(fā)展。此外，介紹了基于大面積制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的基于納米光子器件的光學(xué)器件，如顯示、成像、光調(diào)控器件。

硅

硅是半導(dǎo)體芯片加工中最常見(jiàn)的晶圓材料，其加工技術(shù)成熟，從硅基底的制備、薄膜沉積到光刻刻蝕，已經(jīng)形成一套完整的工藝程序，晶圓代工產(chǎn)業(yè)鏈也最為完善，被科學(xué)家認(rèn)為是介質(zhì)型超構(gòu)表面的首選材料。在近紅外波段，硅材料幾乎是透明的；在可見(jiàn)光波段，硅具有較高的光吸收率。因此，硅超構(gòu)表面一般不用于制備可見(jiàn)光波段的透射式寬帶光學(xué)器件，目前報(bào)道的硅基超構(gòu)表面主要包括可見(jiàn)光波段的反射式超構(gòu)表面和近紅外乃至中紅外波段透射式的超構(gòu)表面。除了利用通用厚度的SOI晶圓和科研型電子束曝光機(jī)（EBL）來(lái)實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的圖案化之外，人們更關(guān)注的是如何制備出超構(gòu)透鏡要求的最佳厚度和高深寬比的超構(gòu)表面，以及能否借助紫外光刻技術(shù)或者其他成熟的光刻技術(shù)在整個(gè)晶圓上制備出大規(guī)模的光學(xué)超構(gòu)表面器件。

高通量硅基超構(gòu)表面大規(guī)模制備的主流技術(shù)分為兩種：一種加工方法是利用現(xiàn)行成熟的深紫外光（DUV）光刻工藝進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，這種方法非常成熟，加工精度高，但成本較高；另一種加工方法是利用納米壓印光刻（NIL）技術(shù)進(jìn)行制備，先使用精度更高的EBL技術(shù)完成模板的制備，再利用熱壓印或者紫外壓印的方法實(shí)現(xiàn)圖案的轉(zhuǎn)移，這種方法可以多次利用同一個(gè)模板，加工速度很快，但精度較低。

大規(guī)模硅基超構(gòu)表面大多以硅晶圓或者二氧化硅晶圓為基底，尺寸覆蓋了常見(jiàn)的2、4、6、8、12 inch（1 inch=2.54 cm）。2019年Kwong課題組報(bào)道了一個(gè)基于12 inch硅晶圓的全硅超構(gòu)表面偏振帶通濾波器（圖1），他們利用與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的DUV技術(shù)和電感耦合等離子體蝕刻技術(shù)來(lái)制造所需的超構(gòu)表面，圖1（a）、（b）展示了超構(gòu)表面的宏觀結(jié)構(gòu)，圖1（c）~（e）則是單個(gè)結(jié)構(gòu)晶圓的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和透射電子顯微鏡(TEM)圖像，可以看到，每個(gè)硅納米柱形貌相近，所制備的超構(gòu)表面單元質(zhì)量好。該課題組利用這種方法在批量生產(chǎn)中獲得了82%的器件良率。

圖1 12 inch全硅超構(gòu)表面偏振帶通濾波器

在可見(jiàn)光波段下，實(shí)現(xiàn)硅基超構(gòu)表面CMOS兼容的制備可促使更多的新型器件得到應(yīng)用，2021年南洋理工大學(xué)的Kuznetsov課題組利用CMOS技術(shù)制作了大尺度近眼顯示全息3D的惠更斯超構(gòu)表面（圖2）。他們將100 nm厚的非晶硅薄膜沉積在12 inch的二氧化硅基底上，利用DUV光刻技術(shù)將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移至光刻膠上，經(jīng)顯影和圖案檢查之后將晶圓切成小片，通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕將圖案轉(zhuǎn)移到非晶硅層上，利用氧氣等離子體清洗去除多余的光刻膠，完成超構(gòu)表面的制造。這個(gè)緊湊型近眼顯示裝置能夠在人眼敏感的544 nm波段下工作，生成的3D圖像非常清晰，圖像對(duì)比度（圖像和背景灰度之比）大于7，圖像信號(hào)遠(yuǎn)高于散斑噪聲信號(hào)，且不妨礙人眼看到真實(shí)物體。

圖2 近眼全息超構(gòu)表面

大規(guī)模硅基超構(gòu)表面的制備也可以通過(guò)可打印硅納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)，2021年Rho課題組成功利用硅納米復(fù)合材料制備出可打印的硅基超構(gòu)透鏡（圖3），這種透鏡在940 nm波長(zhǎng)下工作，直徑為4 mm，實(shí)現(xiàn)了47%的聚焦效率?？纱蛴〕瑯?gòu)透鏡的制備分為模具制作、壓印和退火3個(gè)部分。這種方案對(duì)材料本身提出一定的要求，高折射率材料需要以微粒的形式分散在分散劑中，且分散劑需要在最后用退火的方法完全去除，可見(jiàn)超構(gòu)表面的材料需要有一定的耐熱性，因此該方法適用于性質(zhì)穩(wěn)定的材料例如硅、二氧化鈦等，而不適用于性質(zhì)比較活潑的鈣鈦礦材料。他們利用EBL制造相對(duì)應(yīng)的主模板［圖3（a）的紅色部分］，并在主模板表面涂上一層便于脫模的液相自組裝單層膜，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和硬質(zhì)聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）從母版中復(fù)制一個(gè)軟模具用于下一步的圖案轉(zhuǎn)移。利用熱壓印技術(shù)，以軟模具為掩模，以硅納米顆粒分散在可熱打印的樹脂中形成的硅納米復(fù)合材料為填充材料進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移和硬化，實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的制備。最終得到的硅基超構(gòu)表面的最大深寬比大于5:1，最小特征尺寸小于200 nm，而且這種方案制備的軟模具可以重復(fù)利用，熱壓印后不需要額外對(duì)超構(gòu)表面進(jìn)行處理，適合大規(guī)模地制備高通量超構(gòu)表面。這種方案也存在一些不足，例如所制備的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元并不完全均勻，圖3（d）所示的硅納米柱的形貌并不是很好，存在較大的制備誤差，從而使透鏡的聚焦效率變低，因此這種方案并不適用于高精度超構(gòu)表面的制備。

圖3 可打印的硅基超構(gòu)透鏡

氮化硅

氮化硅材料是另一種被人們寄予厚望的介質(zhì)材料，研究表明氮化硅是一種具有良好光學(xué)性質(zhì)的材料，其帶隙一般可達(dá)5 eV，在近紅外至可見(jiàn)光范圍內(nèi)幾乎是透明的，折射率隨著組分中氮元素和硅元素含量的變化在1.9~3.2范圍內(nèi)波動(dòng)，以氮化硅材料為基的超構(gòu)表面能夠適應(yīng)絕大多數(shù)的工作場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)證明，改變氮化硅薄膜中硅的摻雜度，可以使氮化硅薄膜的三階非線性折射率比二氧化硅高出數(shù)個(gè)量級(jí)，這進(jìn)一步拓展了氮化硅材料的應(yīng)用場(chǎng)景，在光學(xué)器件中有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。在氮化硅超?gòu)表面加工方面，氮化硅材料能與時(shí)下半導(dǎo)體主流制造工藝CMOS完全兼容，是一種很有發(fā)展前景的介質(zhì)材料，目前氮硅化合物器件已經(jīng)被廣泛用于分光光柵、光電探測(cè)器、液晶移相器等領(lǐng)域。

氮化硅超構(gòu)表面需要工作在傳統(tǒng)的硅晶圓或二氧化硅晶圓上，這兩種晶圓的加工手段成熟，是理想的基底材料，同時(shí)兩種晶圓的透明窗口覆蓋了可見(jiàn)光到紅外波段，能夠滿足大部分氮化硅光學(xué)器件的需求。在近紅外波段中，硅襯底是光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的天然基底材料，研究人員在硅晶圓上刻蝕氮化硅波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種光電功能，其中最常用的制備技術(shù)為DUV光刻技術(shù)，下面以這種方法為例介紹相關(guān)的大規(guī)模制備氮化硅超構(gòu)表面的方案。

2018年Kippenberg課題組利用CMOS技術(shù)在二氧化硅基底上成功制備了高Q值的氮化硅諧振器（圖4），該器件的制備主要使用DUV光刻技術(shù)。利用DUV技術(shù)將圖案轉(zhuǎn)移到旋涂在二氧化硅基底上的光刻膠層，用反應(yīng)離子刻蝕將光刻膠上的圖案轉(zhuǎn)移到二氧化硅基底，使用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）技術(shù)在刻有圖案的二氧化硅基底上沉積一層氮化硅薄膜，填充溝槽并定義氮化硅波導(dǎo)；在沉積之后用化學(xué)機(jī)械拋光法去除多余的氮化硅，在氮?dú)鈿夥障?200 ℃退火去除LPCVD過(guò)程中引入的氫元素，最終實(shí)現(xiàn)氮化硅波導(dǎo)的制備。在這個(gè)制備過(guò)程中，優(yōu)化相應(yīng)的刻蝕鍍膜工藝以保證氮化硅微腔的高質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高Q值微腔的制備。

圖4 氮化硅波導(dǎo)橫截面的SEM圖

通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化工藝，氮化硅的結(jié)構(gòu)和深寬比可以得到進(jìn)一步提高。2018年Majumdar課題組報(bào)道了一種氮化硅基超構(gòu)表面（圖5），該氮化硅超構(gòu)表面的孔徑為1 cm，集成了1.2億個(gè)氮化硅納米柱，工作在1550 nm波段下，可實(shí)現(xiàn)焦距的非線性變化，聚焦效率高達(dá)57%，焦距變化超過(guò)6 cm。首先，他們根據(jù)器件的工作波段選擇100 mm的硅晶圓作為器件的基底，利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)在原有的晶圓上沉積2 μm厚的氮化硅薄膜；然后，使用i-line步進(jìn)式***實(shí)現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移，再進(jìn)行顯影、刻蝕等后期處理，最終獲得氮化硅超構(gòu)表面。圖5（c）、（d）展示了由晶圓制備的氮化硅納米柱的SEM圖，可以看到，氮化硅柱排列整齊、形貌規(guī)整。

圖5 氮化硅基可變焦距超構(gòu)透鏡

二氧化鈦

目前報(bào)道的關(guān)于米氏共振型超構(gòu)表面的研究大多數(shù)是基于硅和鍺的超構(gòu)表面，這是因?yàn)槎咴诰哂斜容^大的折射率的同時(shí)，能與目前先進(jìn)的微納制備方法契合，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模超構(gòu)表面的制備。但是這兩種材料在可見(jiàn)光波段的吸收率普遍較高，限制了這兩種半導(dǎo)體材料的應(yīng)用波段。相較于傳統(tǒng)的硅和鍺，二氧化鈦在可見(jiàn)光波段有可觀的折射率，同時(shí)有著更低的吸收效率，可以用來(lái)制備可見(jiàn)光波段下高效率的超構(gòu)表面器件，因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注。同時(shí)二氧化鈦是一種豐富、廉價(jià)、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料，這些特性使得二氧化鈦材料成為一種理想的材料，但在加工端，二氧化鈦材料無(wú)法很好地與目前主流的CMOS技術(shù)契合，目前實(shí)現(xiàn)二氧化鈦超表面高通量制備的常用方式為納米壓印。

2019年Abbarchi課題組利用溶膠凝膠和納米壓印法獲得了大面積二氧化鈦超構(gòu)表面（圖6）。他們?cè)诖髩K硅片上采用電子束光刻和反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)制備出帶有特定圖案的主模板，將PDMS 覆蓋在主模板上獲得對(duì)應(yīng)圖案的PDMS模具，使用所制備的PDMS模具作為模板，利用溶膠凝膠法填充相應(yīng)的PDMS模具制備二氧化鈦超構(gòu)表面，退火去除殘余的溶劑，便完成整個(gè)超構(gòu)表面的制備。利用這種方法制備的PDMS模具可以多次使用，可以大規(guī)模地制備高通量二氧化鈦超構(gòu)表面，同時(shí)所制備的超構(gòu)表面比較規(guī)則，二氧化鈦微柱的高和體積的誤差在10%以內(nèi)。盡管文獻(xiàn)只展示了毫米級(jí)超構(gòu)表面陣列的制備，但是這種制備方法是一種普適性的加工方法，可以擴(kuò)展到更大面積的超構(gòu)表面，也可以在任意基底上進(jìn)行超構(gòu)表面制備，材料也不局限于二氧化鈦材料，許多金屬氧化物超構(gòu)表面也可以用同樣的方法進(jìn)行制備。

圖6 利用納米壓印和溶膠凝膠法制備的二氧化鈦超構(gòu)表面

2021年Watkins課題組利用納米壓印工藝制造了深寬比大于8:1，特征尺寸小于60 nm的微納單元，并在此基礎(chǔ)上成功制備出數(shù)值孔徑達(dá)0.2，聚焦效率超過(guò)50%的超構(gòu)透鏡（圖7）。他們首先在硅基底上蝕刻出740 nm的納米柱陣列作為主模具；其次，進(jìn)行氟化處理以減少后續(xù)制備過(guò)程中材料的吸附，在主模具上澆一層h-PDMS薄膜，將其正面朝下置于PDMS中進(jìn)行固化，固化完成之后便得到含有母版反圖案的PDMS軟模具；最后，利用PDMS模具作為紫外壓印的模具，以二氧化鈦納米晶和分散劑的混合溶液為填充劑，在低溫下進(jìn)行紫外壓印固化，從而實(shí)現(xiàn)超構(gòu)透鏡的制備。低溫紫外固化可以降低殘余的熱應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大通量的超構(gòu)表面制備。

圖7 可打印二氧化鈦超構(gòu)表面的制備

圖8所示為利用這種方法制備的超構(gòu)表面的SEM圖，可以看到，每一個(gè)納米柱都是完整的，具有相似的平滑且明亮的側(cè)壁，深寬比高達(dá)7.8。Watkins課題組通過(guò)進(jìn)一步調(diào)節(jié)工藝，例如縮小柱寬和間隙分別到60 nm和100 nm，可進(jìn)一步將深寬比提高到8.4，改變納米壓印中墨水配方或者后處理也能進(jìn)一步提升超構(gòu)表面的性能。

圖8 高深寬比二氧化鈦超構(gòu)表面

其他材料

除了以上3種常用的超構(gòu)表面之外，近年來(lái)石墨烯、鈣鈦礦等新型材料也因其優(yōu)異的光電性能受到重視，逐漸發(fā)展為當(dāng)下熱門的超構(gòu)表面材料。

雜化鹵化鉛鈣鈦礦具有載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)、遷移率高、帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的先進(jìn)光電材料。將鈣鈦礦材料加工成超構(gòu)表面能夠進(jìn)一步增強(qiáng)相應(yīng)的光學(xué)性能。與傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)體材料不同，雜化鈣鈦礦難以使用傳統(tǒng)圖案化技術(shù)制備相應(yīng)的超構(gòu)表面，大部分商用光刻膠會(huì)與鈣鈦礦材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響器件的性能，因此在加工鈣鈦礦超構(gòu)表面的每一步都需要仔細(xì)選擇合適的材料。實(shí)驗(yàn)室中常用EBL或激光直寫技術(shù)加工小規(guī)模的超構(gòu)表面，大規(guī)模制備鈣鈦礦基超構(gòu)表面則常用納米壓印或者軟光刻的方法，對(duì)于某些特定的大規(guī)模周期性結(jié)構(gòu)，也可使用激光干涉光刻方法進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)的制備。

2017年Zakhidov課題組利用納米壓印光刻技術(shù)制備了大規(guī)模的鹵化物鈣鈦礦超構(gòu)表面（圖9），其諧振特性明顯增強(qiáng)。首先，將鈣鈦礦混合溶液旋涂在清洗后的二氧化硅基底上，通過(guò)控制鈣鈦礦材料中元素的配比，形成致密均勻穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜；然后，將抗黏附單層處理后的硅模具在100 ℃和7 MPa條件下保壓20 min，最終獲得相應(yīng)的超構(gòu)表面。

圖9 納米壓印制備的鈣鈦礦超構(gòu)表面

利用納米壓印法制備鈣鈦礦超構(gòu)表面時(shí)需要一定的溫度和壓力，這會(huì)對(duì)鈣鈦礦材料產(chǎn)生影響，同時(shí)硅模板在壓印后容易損壞，導(dǎo)致納米壓印法的發(fā)展受到阻礙。2020年Levy課題組在原有的納米壓印光刻技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新的軟光刻方法（圖10）。與納米壓印時(shí)直接用硅模板壓入鈣鈦礦薄膜不同，軟壓印所使用的模具是具有一定彈性的PDMS，將鈣鈦礦溶液注入軟模具，在更低的壓力下便可以結(jié)晶成型，再進(jìn)行退火便可獲得相應(yīng)的超構(gòu)表面。

圖10 軟光刻法制備鈣鈦礦超構(gòu)表面

石墨烯是一種由單層碳原子緊密堆積形成的六方體晶格結(jié)構(gòu)單元組成的碳納米材料，具有比表面積大、導(dǎo)電率高、透明度好、與CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，也被用來(lái)制備相關(guān)的超構(gòu)表面。相較于傳統(tǒng)的石墨烯基超構(gòu)表面先生長(zhǎng)再轉(zhuǎn)移刻蝕的制備方法，利用激光直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)石墨烯的圖案化生長(zhǎng)具有非接觸、無(wú)掩模、分辨率高、操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，是目前石墨烯材料圖案化最有前途的方法之一。飛秒、納秒和連續(xù)激光光源都可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的圖案化制備，其中飛秒激光由于具有更高的效率和精度而被人們重視。

2022年Terakawa課題組利用飛秒激光誘導(dǎo)技術(shù)，使石墨烯能夠同時(shí)在PDMS材料的內(nèi)部和表面實(shí)現(xiàn)定向生長(zhǎng)，形成以石墨烯量子點(diǎn)（GQD）為結(jié)構(gòu)單元的二維甚至三維石墨烯超構(gòu)圖案（圖11）。這種方案同時(shí)實(shí)現(xiàn)了石墨烯量子點(diǎn)的合成和圖案化，操作簡(jiǎn)單方便。以PDMS聚合物為襯底，有望實(shí)現(xiàn)柔性或者彈性光電器件的制造。

圖11 PDMS內(nèi)石墨烯量子點(diǎn)的精確生成

結(jié)論與展望

本文綜述了基于不同種類介質(zhì)材料的大面積高通量超構(gòu)表面制備技術(shù)，晶圓級(jí)超構(gòu)表面的制備普遍使用較為成熟的紫外光刻和納米壓印技術(shù)，基底則采用工藝成熟的硅晶圓以及二氧化硅晶圓。在這兩種方法中，利用紫外光刻法制得的超構(gòu)表面普遍比利用納米壓印技術(shù)制得的超構(gòu)表面更加精細(xì)，但加工速度有所不及，未來(lái)高精度超構(gòu)表面的制備仍然需要光刻的方法，而在低精度領(lǐng)域納米壓印則是一個(gè)更好的選擇。下面就這兩種方法所面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

面臨的挑戰(zhàn)

商用CMOS技術(shù)是一種自上而下的加工技術(shù)，目前用于實(shí)驗(yàn)室超構(gòu)表面制造的許多材料與半導(dǎo)體制造工藝不兼容，只有部分介質(zhì)材料能夠較好地兼容CMOS技術(shù)，這大大限制了超構(gòu)表面的大規(guī)模應(yīng)用。此外，CMOS工藝的襯底選擇性較少，目前常用的CMOS襯底為近紅外波段的硅晶圓和可見(jiàn)光波段的透明玻璃襯底，而CMOS工藝無(wú)法加工曲面襯底和熱敏性襯底，同時(shí)傳統(tǒng)的光刻技術(shù)以及相匹配的***因?yàn)闊嵝?yīng)的原因，并不能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，因此想從光刻的角度去克服這些問(wèn)題需要找到一種更加靈活的制備方法。

飛秒激光直寫技術(shù)可以在無(wú)掩模、無(wú)后續(xù)熱處理的情況下實(shí)現(xiàn)任意圖案納米材料的制備，具有很高的靈活性。自2006年起便有關(guān)于誘導(dǎo)金屬離子光還原的報(bào)道，但不受控的金屬納米顆粒尺寸較大且形貌不好，因此其無(wú)法作為制備超構(gòu)表面的候選方案，在后續(xù)方案里人們?cè)谇膀?qū)體中加入一些穩(wěn)定劑和表面活性劑來(lái)改善納米粒子的表面形貌并獲得了很好的效果。除了圖案化金屬材料以外，飛秒激光直寫在多個(gè)材料體系都取得了一定的效果，例如在加工效率方面，可以利用空間光調(diào)制器對(duì)飛秒激光進(jìn)行整形，將激光的逐點(diǎn)加工方式更改為投影的方法，從而極大提高了制備效率，但仍然存在材料體系較為單一、前驅(qū)體的配制需要針對(duì)材料單獨(dú)設(shè)計(jì)、缺少普適性等問(wèn)題。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，這種加工方式同樣在實(shí)現(xiàn)高精度超構(gòu)表面制備的同時(shí)對(duì)基底要求不高，熱影響區(qū)域更小，如果能夠解決加工過(guò)程中的前驅(qū)體配制和加工精度低的問(wèn)題，將會(huì)大大拓展該方法的應(yīng)用場(chǎng)景?？梢?jiàn)，激光直寫一種充滿發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓{加工方式。

納米壓印作為一種自下而上的制備方案，其中最關(guān)鍵的是模具制備。主模板的制作往往利用精度更高的電子束曝光法以保證模具的質(zhì)量，但用PDMS轉(zhuǎn)移圖案的過(guò)程由于需要經(jīng)過(guò)多次材料填充和脫模，無(wú)法保證PDMS模具轉(zhuǎn)移產(chǎn)品的精度，利用該模具制造的大部分產(chǎn)品需要進(jìn)一步退火去除所攜帶的分散劑后才能正常工作，這就會(huì)進(jìn)一步降低產(chǎn)品的精度。這種方案的缺陷主要表現(xiàn)在精度方面，后續(xù)的方案開(kāi)發(fā)中需要考慮除PDMS以外的軟模具體系，提高多次轉(zhuǎn)印后產(chǎn)品的精度，同時(shí)需要改善納米復(fù)合材料的配比，以期獲得更加高精度的產(chǎn)品。

未來(lái)發(fā)展方向

人們對(duì)晶圓級(jí)超構(gòu)表面的最終期望是將其大規(guī)模地應(yīng)用在生活之中，因此晶圓級(jí)超構(gòu)表面的發(fā)展主要有以下幾個(gè)方向：1）在應(yīng)用端實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，彌補(bǔ)傳統(tǒng)光學(xué)元件的缺陷。一方面，光學(xué)超構(gòu)表面能夠代替部分傳統(tǒng)光學(xué)元件，縮小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，這種小型化器件在現(xiàn)代消費(fèi)類光電子設(shè)備中有著不可替代的作用；另一方面，光學(xué)超構(gòu)表面能進(jìn)行信息傳輸，可以解析出傳統(tǒng)光學(xué)中難以分離的偏振態(tài)、相位和模態(tài)特征，以實(shí)現(xiàn)信息的加密和解密。2）在實(shí)驗(yàn)室研究方面，光學(xué)超構(gòu)表面的集成化仍然是目前困擾研究人員的問(wèn)題之一，單個(gè)超表面所能夠執(zhí)行的功能有限，實(shí)際應(yīng)用中往往需要多塊超表面協(xié)同工作，而多塊超構(gòu)表面協(xié)同工作的主要難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)多塊超表面的精確對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，目前有兩種解決方案：一種方案是在透明晶圓的兩側(cè)進(jìn)行超表面的加工，用同一組定位點(diǎn)進(jìn)行超構(gòu)表面的定位，由此制備的超構(gòu)表面可以比較方便地進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)；另外一個(gè)方案就是在原有的超構(gòu)表面上面制備一層新的超構(gòu)表面，從而實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面的精確對(duì)準(zhǔn)，但是該方案的執(zhí)行難度較大，對(duì)每一個(gè)加工步驟都有很高的精度要求。

綜上所述，超構(gòu)表面從制備到真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍然有很長(zhǎng)的路要走，尋找一種普適的、能夠高精度大面積制備超構(gòu)表面的微納加工方法是其中的關(guān)鍵。

審核編輯：劉清