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项目介绍:光场调控的纳米光刻设备NanoCrystal200

大面积超表面的高效制备手段

1、项目背景
       研究表明,微纳尺度界面与光电子相互作用产生的效应,是设计超材料、超表面的新途径。微纳结构制造技术是实?#30452;?#33180;成像、透明导电、电磁隐身等技术基础。由于3D 形貌及其排列精度对光子材料与器件的特性有极其重要的影响,因而,在大面积衬底上实现纳米精度的微纳结构的高效制备,一直是国?#20351;?#27880;的重大共性难题。

       举例,口径10mm,焦距10mm的平面成像超透镜Metalens,为获得完美成像或聚焦点,计算分析表明,相邻6微米表面的结构间的形貌(或排列)变化应小于1纳米。

       超精密光学加工通过抛光工艺来获得表面超光滑度,但是,由纳米结构构成的平面成像透镜,抛光工艺已不适用。电子束光刻是纳米结构制备的重要技术手段之一,也是研究纳米结?#20849;?#26009;与器件特性的途径。电子束光刻优势是极高的图形?#30452;?#29575;,但不足也特别明显,单束写入的加工效率极低,定位精度大于3nm~5nm,光刻环境对写入图?#20266;?#30495;度产生很大影响,尤其在制作大尺寸图形的之后,其精度难?#28304;?#21040;光子成像的品质要求。

       另一方面,大面积上纳米结构导致的海量数据,高达数十亿个结构单元,即使10mm口径的超透镜,已有算法与软件难以支持,更谈不上更大面积纳米光子器件的制备。

       如何设计与制造大面积超表面器件或超材料,以适应从空间观测、无人飞机测量、智能手机超薄成像、光子集成器件对超薄、轻量化的需求?#31354;?#25104;为国际纳米科技和光电子产业竞争的重要领域。

2、项目思路与创新
       半导体产业用光掩模缩微投影光刻的方式,来高效制备IC的纳米图形,在光学系统未突破光学衍射极限情况下,通过多次套刻工艺步骤和光刻胶的非线性特性的配合,实现了7纳米线宽的制程。光刻工艺的优势是利用光场(光斑)的并行性来提高制备效率和图形集成度。
光子器件与半导体芯片的主要不同之处在于,前者更关注纳米结构精度,如,可见区的光自器件,其结构尺度>=200nm(光学?#30452;?#29575;50~100nm),而对结构排列的精度要求<1nm。因此,半导体光刻技术在精度方面不能完全适应光子器件的制备需求。然而,光场的并行性、高?#30452;?#29575;?#36879;?#25928;加工特性,仍是必须利用的优点。

       为此,该项目首先利用含有微结构的衍射光学器件(DOE)作为傅里叶变换的输入器件,不同于半导体的光掩模版,这里的位相光学器件是全透明的,并且消除了零级光,只有正负一级衍射光。第二,在傅立叶变换系统的第二焦平面-输出面上的形成的结构分布与位相光学器件微结构具有相似性。第三、在标度傅立叶变换透镜输入面与第一焦平面之间,通过位相光学器件的平移/旋转,第二焦平面-输出面形成结构可调控的干涉光场;第?#27169;?#22312;上述变标度傅立叶变换系统之后,对接缩微投影光刻系统,在光刻输出面上,由于高级次衍射光的干涉效应,获得比投影光刻系统更高?#30452;?#29575;。更有意义的是,通过位相光学器件的微米量级平移动作,输出面的结构光场调控可达到1<nm的亚纳米精度,这是前所未有的纳米光场结构的调控精度。


变标度傅里叶变换系统的DOE平?#23631;?#19982;光场结构的调控精度

       光场调控特性不限于平面波光场、球面波光场,取决于输入DOE的设计甚?#37327;?#20197;实现复杂光场。

3、项目成果
       以上述原理,专门针对超表面和超材料的研究与应用,该项目自主研?#23631;恕?#20809;场调控的纳米光刻设备”NanoCrystal200。这是国际上首套具有亚纳米精度结构调控的光刻系?#22330;?/p>

       NanoCrystal200参数性能:光学?#30452;?#29575;[email protected]波长;幅面4-8英寸;结构尺度调?#27573;?0nm~1微米,结构调控精度0.05nm-1nm;光场尺寸10微米~80微米、写入速度1000帧/秒~8000帧/秒;支持纳米结构旋转、缩放、平铺和结构深度调控。

       NanoCrystal200输出面的光场结构与输入位相掩模DOE结构相似,更换不同位相掩模DOE,输出光场的纳米结构会相应改变。由于位相掩模DOE内部微结构>10微米,很容易用激光直写技术和离子蚀刻工艺来制备各种类型的DOE,用于不同功能纳米结构的高效光刻。 NanoCrystal200纳米光刻的工?#25307;?#29575;非常高,一般地,比电子束光刻快500倍以上。

       通过多步骤对准套刻工艺,并且同步平移DOE横向和纵向位置与光刻平台,可实现大面积纳米结构的高效制备。因此,NanoCrystal200为超表面和超材料的研?#21051;?#20379;了高效的纳米光刻手段。对平面衍射成像透镜、多焦点纳米透镜、光子晶体、光波导与光子集成、纳米波分复用器件的研究有巨大应用前景。

       用于可见光/红外宽光谱完美吸收或隐身材料研制;用于纳米阵列光谱传感器研制;用于纳米光变色材?#31995;?#30740;制与应用等。

       亚纳米精度调控技术研制的纳米位相调控板,已用于宽视角真三维光场的3D显示屏设计与研制,成功地实现了5.5吋光场型的裸眼3D显示屏,消除了传统裸眼3D显示方法的视疲劳的重大缺陷,为光场型3D显示屏提供了新途径。

4、客观评价
       该成果提出了基于光场调控的亚纳米精度的纳米光刻方法,研制成功了原创性的纳米光刻设备NanoCrystal200,并成功投入应用。为此,成为了国家自然科学基金委员会“纳米制造的基础研究”重大研究计划-集成项目的代表性成果之一,这是中国位数不多的、原创的纳米光刻装备。

       基于自主建立的微纳制造工艺平台,苏大维格与苏州大学深度融合,实现纳米光变色、3D光学成像材料和指向型导光器件等成果在国内外应用与产业化。微纳光刻直写设备在国内外企业和著名高等院所应用。

       刘延东副总理在视察苏州纳米科技协同创新?#34892;摹?#31185;技部万钢部长等调研视察苏州苏大维格科技集团,国内外纳米科技领域著名学者专家现场考察和交流后,均给予高度评价与赞赏,称这是中国原创性纳米技术成功应用和产业化的例子。

5、结语
       苏大维格一直坚持自主创新的道路,不断提高自主创新能力。今后,将继续加大科技协同创新力度,聚合创新资源,推进军民融合和产学研深度合作,加快高技术成果转化和产业对接的步伐,不忘初心,砥砺前行。

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