利用深紫外光刻技术实现双带红外超光学的生产级双面加工

《ACS Nano》：Production-Ready Double-Sided Fabrication of Dual-Band Infrared Metaoptics Using Deep-Ultraviolet Lithography

双面超表面红外金属透镜的规模化制造与双波段焦距独立调控研究。采用深紫外光刻技术在大尺寸硅片（200mm）上实现双面对准，通过多曝光拼接工艺制造出40mm直径的双波段（4μm和10μm）金属透镜，验证了独立控制MWIR/LWIR焦距的能力，并展示了与商业光学系统等效的成像性能。

　　近年来，随着光学技术的不断进步，一种被称为“超材料光学”（metaoptics）的新技术正逐步走向成熟。超材料光学是将超表面（metasurfaces）应用于光学系统的一种方法，其优势在于体积小、重量轻、成本低，并且能够实现超越传统折射光学的光学功能编程。这项技术在实验室阶段已经取得了显著进展，但要将其真正应用于现实场景，还需要一种可扩展、可重复的制造方法。目前，科学家们正在探索如何通过先进的制造工艺，特别是深紫外（deep-UV）光刻技术，实现双面超表面的高质量制作。

超表面通常由亚波长尺度的纳米结构组成，使得它们能够对光的振幅、相位、偏振和吸收等特性进行精确调控。相比传统的材料特性，这种纳米结构设计提供了更大的灵活性和更广泛的应用潜力。在可见光和近红外波段，超材料光学已经得到了广泛研究，但对长波红外（LWIR）和中波红外（MWIR）的超材料光学研究仍处于初级阶段。LWIR和MWIR波段在大气传输中具有重要意义，能够用于检测多种气体的吸收特性，并捕捉不同温度范围的热辐射信号。然而，传统材料在这些波段中往往存在较高的吸收率和较低的透射率，使得其在实际应用中受到限制。例如，常见的光学材料如氧化玻璃和聚合物在LWIR波段中会因声子吸收而变得不透明，而单晶锗和硫化锌等材料虽然具有良好的光学性能，但成本高、难以获取，且在机械和热稳定性方面存在缺陷。

因此，超材料光学为红外成像技术提供了一种更具成本效益的替代方案。特别是双面超材料设计，能够在两个波段中实现独立的焦距控制，这对于实际应用来说至关重要。本文介绍了一种基于深紫外光刻技术的双面超材料制造方法，能够在200毫米的硅基底上实现高精度、高一致性的纳米结构图案化。这种制造方法无需额外的全晶片对齐标记，仅依赖于晶片制造商提供的晶片缺口进行对齐，从而降低了制造复杂度。

通过多曝光拼接技术，研究人员成功实现了40毫米直径的超材料透鏡（metalens），并展示了其在多个红外波段中的广泛应用潜力。这种透镜能够在中波红外和长波红外波段中同时工作，展现出良好的宽带成像性能。实验结果显示，通过将超材料透镜与折射透镜（如氟化钡BaF?）组合使用，可以部分抵消色散效应，从而提高成像质量。此外，这种双面超材料透镜的设计还能够兼容不同长度尺度的制造需求，为未来的大规模生产提供了基础。

在制造过程中，研究人员采用了一种双硬掩模（double-hard masking）方法，确保在深紫外光刻和自动晶片涂胶与显影系统（Track）中实现对齐精度。这一过程包括在双面抛光的硅基底上生长一层低于1微米的二氧化硅（SiO?）薄膜，随后通过深紫外光刻技术对其中一面进行图案化处理，再通过等离子体刻蚀工艺将其作为硬掩模，用于后续的硅刻蚀。这一方法不仅提高了制造效率，还保证了双面结构的精确对齐，使得超材料透镜在不同波段中能够保持一致的性能。

此外，研究团队还开发了多种红外波段的金属透镜设计，包括中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）的双波段金属透镜，以及仅适用于LWIR的单波段金属透镜。实验结果表明，双波段金属透镜在两个波段中均能实现良好的成像性能，且其设计能够有效克服传统光学在多波段成像中的局限性。在实际应用中，这种双面金属透镜被用于热成像系统，展示了其在工业监测、气体检测、医学成像、安防和航天等领域的广泛适用性。

为了验证双面金属透镜的性能，研究团队采用了一系列干涉测量技术，包括中波红外的迈克制动干涉仪和长波红外的泰曼-格林干涉仪。这些测试结果显示，所制造的金属光学在不同波段中均达到了接近衍射极限的性能，其波前误差、峰值谷值比（PV）和斯特列尔比（Strehl ratio）均优于传统光学系统。同时，研究人员还通过高分辨率图像分析，展示了金属透镜在不同距离和不同场景下的成像能力，验证了其在实际应用中的可靠性。

在制造过程中，研究团队还克服了传统技术在多波段成像中的挑战。例如，通过采用双面金属透镜设计，可以同时实现MWIR和LWIR波段的独立焦距控制，这在单一波段的金属透镜中难以实现。此外，通过多曝光拼接技术，研究人员成功实现了40毫米直径的金属透镜，展示了其在大规模生产中的可行性。这一技术不仅能够提高生产效率，还能够减少制造成本，使得超材料光学能够更广泛地应用于现实场景。

研究团队还对金属透镜的光学性能进行了深入分析。通过使用干涉测量技术，研究人员发现双面金属透镜在不同波段中均能够达到较高的透射率和良好的波前控制。此外，他们还通过实验验证了金属透镜在不同焦距和不同场景下的成像能力，展示了其在热成像系统中的实际应用潜力。这些结果表明，双面金属透镜不仅能够满足多种光学需求，还能够提高成像系统的整体性能。

在材料选择方面，研究团队采用了一种新型的硅基底材料，使得金属透镜能够在LWIR和MWIR波段中同时工作。此外，他们还探索了多种材料组合，以提高金属透镜的机械和热稳定性。例如，在LWIR波段中，硅材料具有较高的折射率和较低的吸收率，使其成为理想的候选材料。而在MWIR波段中，研究团队则采用了更成熟的半导体加工方法，使得金属透镜能够实现更高的制造精度和一致性。

总体而言，这项研究为红外超材料光学的设计和制造提供了一种可行的解决方案。通过双面金属透镜设计，研究人员不仅能够实现多波段成像，还能够提高光学系统的整体性能。此外，他们还探索了多种制造方法，如深紫外光刻、纳米压印和直接激光写入，使得超材料光学能够适应不同的应用场景。这些成果表明，超材料光学在未来有望成为一种重要的光学技术，推动红外成像领域的进一步发展。