基于CMOS兼容Si3N4超构透镜阵列的可见光宽带消色差集成成像技术

本研究针对传统TiO2/GaN消色差超构透镜（metalens）与CMOS工艺不兼容的难题，通过开发高深宽比（43.33）Si3N4纳米结构加工技术，实现了平均效率80.39%、NA 0.155的可见光宽带消色差超构透镜，并成功集成于商用成像芯片，为片上光学系统发展提供新范式。

　　

在医疗内窥镜、增强现实等新兴技术快速发展的今天，传统光学透镜的体积限制成为制约设备微型化的瓶颈。超构透镜（metalens）——这种由纳米天线构成的平面光子器件，因其衍射极限聚焦能力被视为突破传统光学系统尺寸限制的希望。然而，早期基于TiO₂或GaN的消色差超构透镜面临两大挑战：高温沉积工艺（>600°C）与CMOS工艺不兼容，以及材料高折射率带来的严重色差问题。

哈尔滨工业大学（深圳）与哈尔滨工业大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，另辟蹊径选择CMOS工艺兼容的氮化硅（Si₃N₄）作为突破口。这种材料不仅可通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在200°C低温制备，其2.02的可见光区折射指数也足以支持宽带消色差设计。但此前Si₃N₄超构透镜性能受限于10-17的深宽比，导致群延迟（group delay）不足和效率低下（36-55%）。

研究团队通过改良电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，动态调节CHF₃/O₂气体比例（12.5→7.2），在保持各向异性刻蚀的同时，成功制备出深宽比达43.33的1300nm高Si₃N₄纳米结构。

关键技术方法

采用RCWA算法设计包含10种元单元（方形、圆形、花瓣形等）的相位库；通过PECVD低温沉积Si₃N₄薄膜；优化ICP刻蚀工艺实现高深宽比纳米结构；搭建自动对焦系统表征焦距与效率；利用5×5透镜阵列实现光场成像。

数值设计验证

通过建立1300nm高Si₃N₄元单元库，计算显示当数值孔径（NA）为0.155时，460-650nm波段光可聚焦于93.5μm处（偏差<1.6%），理论平均效率达91.2%。公式(1)描述的相位补偿模型与公式(2)的群延迟计算表明，增加纳米柱高度可有效扩展群延迟范围。

制备工艺突破

创新性地采用Cr硬掩模与梯度气体比例ICP刻蚀，实现侧壁垂直度89-90°的纳米结构。

光学性能表征

实验测得实际焦距97.33μm（偏差5%），平均效率80.39%，斯特列尔比（Strehl ratio）保持0.88。USAF分辨率测试卡成像验证了2.19μm线宽分辨能力，全彩成像未见色差。

芯片集成演示

将90μm直径的5×5透镜阵列（NA=0.046）集成于CMOS传感器，单透镜效率67%±2%，通过PTGui软件拼接实现1.8倍视场扩展，验证了直接晶圆级集成的可行性。

这项研究通过材料选择与工艺创新的双重突破，将超构透镜的性能-成本-兼容性三角关系推向新高度。其意义不仅在于创造了Si₃N₄超构透镜的效率纪录（80.39%），更开辟了将高性能光学系统直接集成于商用芯片的产业化路径。作者Yao Zhang、Qinghai Song等提出的动态气体比例ICP刻蚀策略，为其他高深宽比介电纳米结构加工提供了普适性方案。随着该技术向更大尺寸CMOS传感器的推广，或将加速医疗影像设备微型化与AR/VR显示技术的革新进程。