大面積超表面的高效制備手段

1、項目背景
       研究表明，微納尺度界面與光電子相互作用產生的效應，是設計超材料、超表面的新途徑。微納結構制造技術是實現薄膜成像、透明導電、電磁隱身等技術基礎。由于3D 形貌及其排列精度對光子材料與器件的特性有極其重要的影響，因而，在大面積襯底上實現納米精度的微納結構的高效制備，一直是國際關注的重大共性難題。

       舉例，口徑10mm，焦距10mm的平面成像超透鏡Metalens，為獲得完美成像或聚焦點，計算分析表明，相鄰6微米表面的結構間的形貌（或排列）變化應小于1納米。

       超精密光學加工通過拋光工藝來獲得表面超光滑度，但是，由納米結構構成的平面成像透鏡，拋光工藝已不適用。電子束光刻是納米結構制備的重要技術手段之一，也是研究納米結構材料與器件特性的途徑。電子束光刻優勢是極高的圖形分辨率，但不足也特別明顯，單束寫入的加工效率極低，定位精度大于3nm~5nm，光刻環境對寫入圖形保真度產生很大影響，尤其在制作大尺寸圖形的之后，其精度難以達到光子成像的品質要求。

       另一方面，大面積上納米結構導致的海量數據，高達數十億個結構單元，即使10mm口徑的超透鏡，已有算法與軟件難以支持，更談不上更大面積納米光子器件的制備。

       如何設計與制造大面積超表面器件或超材料，以適應從空間觀測、無人飛機測量、智能手機超薄成像、光子集成器件對超薄、輕量化的需求？這成為國際納米科技和光電子產業競爭的重要領域。

2、項目思路與創新
       半導體產業用光掩?？s微投影光刻的方式，來高效制備IC的納米圖形，在光學系統未突破光學衍射極限情況下，通過多次套刻工藝步驟和光刻膠的非線性特性的配合，實現了7納米線寬的制程。光刻工藝的優勢是利用光場（光斑）的并行性來提高制備效率和圖形集成度。
光子器件與半導體芯片的主要不同之處在于，前者更關注納米結構精度，如，可見區的光自器件，其結構尺度>=200nm（光學分辨率50～100nm），而對結構排列的精度要求<1nm。因此，半導體光刻技術在精度方面不能完全適應光子器件的制備需求。然而，光場的并行性、高分辨率和高效加工特性，仍是必須利用的優點。

       為此，該項目首先利用含有微結構的衍射光學器件（DOE）作為傅里葉變換的輸入器件，不同于半導體的光掩模版，這里的位相光學器件是全透明的，并且消除了零級光，只有正負一級衍射光。第二，在傅立葉變換系統的第二焦平面-輸出面上的形成的結構分布與位相光學器件微結構具有相似性。第三、在標度傅立葉變換透鏡輸入面與第一焦平面之間，通過位相光學器件的平移/旋轉，第二焦平面-輸出面形成結構可調控的干涉光場；第四，在上述變標度傅立葉變換系統之后，對接縮微投影光刻系統，在光刻輸出面上，由于高級次衍射光的干涉效應，獲得比投影光刻系統更高分辨率。更有意義的是，通過位相光學器件的微米量級平移動作，輸出面的結構光場調控可達到1<nm的亞納米精度，這是前所未有的納米光場結構的調控精度。

變標度傅里葉變換系統的DOE平移量與光場結構的調控精度

       光場調控特性不限于平面波光場、球面波光場，取決于輸入DOE的設計甚至可以實現復雜光場。

3、項目成果
       以上述原理，專門針對超表面和超材料的研究與應用，該項目自主研制了“光場調控的納米光刻設備”NanoCrystal200。這是國際上首套具有亞納米精度結構調控的光刻系統。

       NanoCrystal200參數性能：光學分辨率90nm@355nm波長；幅面4-8英寸；結構尺度調范圍90nm～1微米，結構調控精度0.05nm-1nm；光場尺寸10微米~80微米、寫入速度1000幀/秒～8000幀/秒；支持納米結構旋轉、縮放、平鋪和結構深度調控。

       NanoCrystal200輸出面的光場結構與輸入位相掩模DOE結構相似，更換不同位相掩模DOE，輸出光場的納米結構會相應改變。由于位相掩模DOE內部微結構>10微米，很容易用激光直寫技術和離子蝕刻工藝來制備各種類型的DOE，用于不同功能納米結構的高效光刻。 NanoCrystal200納米光刻的工藝效率非常高，一般地，比電子束光刻快500倍以上。

       通過多步驟對準套刻工藝，并且同步平移DOE橫向和縱向位置與光刻平臺，可實現大面積納米結構的高效制備。因此，NanoCrystal200為超表面和超材料的研究提供了高效的納米光刻手段。對平面衍射成像透鏡、多焦點納米透鏡、光子晶體、光波導與光子集成、納米波分復用器件的研究有巨大應用前景。

       用于可見光/紅外寬光譜完美吸收或隱身材料研制；用于納米陣列光譜傳感器研制；用于納米光變色材料等研制與應用等。

       亞納米精度調控技術研制的納米位相調控板，已用于寬視角真三維光場的3Ｄ顯示屏設計與研制，成功地實現了5.5吋光場型的裸眼3D顯示屏，消除了傳統裸眼3D顯示方法的視疲勞的重大缺陷，為光場型3D顯示屏提供了新途徑。

4、客觀評價
       該成果提出了基于光場調控的亞納米精度的納米光刻方法，研制成功了原創性的納米光刻設備NanoCrystal200，并成功投入應用。為此，成為了國家自然科學基金委員會“納米制造的基礎研究”重大研究計劃-集成項目的代表性成果之一，這是中國位數不多的、原創的納米光刻裝備。

       基于自主建立的微納制造工藝平臺，蘇大維格與蘇州大學深度融合，實現納米光變色、3D光學成像材料和指向型導光器件等成果在國內外應用與產業化。微納光刻直寫設備在國內外企業和著名高等院所應用。

       劉延東副總理在視察蘇州納米科技協同創新中心、科技部萬鋼部長等調研視察蘇州蘇大維格科技集團，國內外納米科技領域著名學者專家現場考察和交流后，均給予高度評價與贊賞，稱這是中國原創性納米技術成功應用和產業化的例子。

5、結語
       蘇大維格一直堅持自主創新的道路，不斷提高自主創新能力。今后，將繼續加大科技協同創新力度，聚合創新資源，推進軍民融合和產學研深度合作，加快高技術成果轉化和產業對接的步伐，不忘初心，砥礪前行。