光刻技术助力晶圆级超透镜阵列，实现大面积浮动成像！_显示_图像

随着光学元件微型化，亚波长纳米结构按一定规则排布构成的超表面正在逐步取代传统笨重的光学元件；特别是在显示技术方面，超透镜因其轻巧和紧凑的特性而备受关注。然而，制造“大型”超透镜阵列来实现大面积显示和成像系统一直是一个挑战。

韩国浦项科技大学Junsuk Rho团队利用氟化氩扫描式光刻技术高效制备了晶圆级超透镜阵列，并将其应用于大面积浮动显示器，在空中产生真实图像。制造方法完全兼容互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，进一步推动了大面积超表面在显示、成像领域的商业化。相关研究成果以“Large-Area Floating Display with Wafer-Scale Manufactured Metalens Arrays”为题发表于Laser & Photonics Reviews。

传统光刻技术在超透镜阵列制备中的局限

大面积显示和成像最常用的方法是使用大孔径超透镜，从而提升系统紧凑度和分辨率。然而传统的直写光刻方法，如电子束光刻（EBL）和聚焦离子束（FIB）光刻，产能较低，并且图案尺寸受限在微米量级。高速的EBL虽然可以极大地提高产能，但图案尺寸仍限制在2-3 cm。近年来，利用氟化氪（KrF）步进式光刻技术和不同的光刻线虽然能够制备大孔径（直径8 cm和10 cm）的超透镜，但仍存在较大的写场拼接问题，并且在曝光一个超透镜的过程中需要多次更改光刻线，这也降低了产能。此外，KrF步进式光刻技术的分辨率约为200 nm，难以制造可见光超表面。这种低分辨率会给可见光超透镜带来严重的限制，如非全相位调制、有限的数值孔径（NA）、额外的衍射和低聚焦效率。高分辨率的氟化氩（ArF）扫描式光刻技术和低成本的纳米压印技术可用于批量生产，制备应用于虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等显示应用的可见光超表面。然而，当使用直径为1 cm的单个透镜时，显示器的成像区域将受到限制。

ArF扫描式光刻技术高效制备晶圆级超透镜阵列

为了设计高效率的超表面，构成超表面的材料必须在可见光波段范围内具有高折射率和低消光系数。该研究团队通过控制氢化和硅的无序性，开发了一种低损耗的氢化非晶硅（a-Si:H）材料，其在可见光波段具有低消光系数。 a-Si:H材料具有成熟的CMOS工艺，从而与ArF扫描式光刻技术高度兼容。

ArF扫描式光刻技术具有70 nm分辨率，使其适合用于制造可见光超透镜。与步进式光刻技术相比，扫描式光刻技术为大面积图案提供了更高的产能和更大的尺寸灵活性。使用ArF扫描式光刻技术可以在晶圆尺度上实现大面积、高产能和高分辨率的图案。如图１（ａ）所示，该研究小组的制备步骤如下：

1）在8英寸的玻璃晶圆上，使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）依次沉积a-Si:H层和非晶碳层（ACL）；

2）将正性光刻胶（PR）旋涂到基板上，使用ArF扫描式光刻技术将300个直径5 mm的超透镜快速转移到PR上；

3）以PR层的纳米图案做掩模，向下刻蚀ACL，将图案转移到ACL后，去除剩余的PR；

4）以ACL的纳米图案做掩模，向下刻蚀a-Si:H层，将图案转移到a-Si:H层后，使用氧等离子体刻蚀去除剩余的ACL，最终得到超透镜阵列。

如图1（c）-（f）所示，扫描电子显微镜（SEM）图像展示了三维形貌良好的纳米结构，这使得制备的超透镜阵列有着较高的分辨率。 该制备方法消除了在加工过程中更改光刻线的需要，解决了写场拼接问题，显著提高了产能。

图１在8英寸晶圆上，可见光超透镜阵列的制备。（a）制备工艺流程示意图。（b）制备的超透镜阵列照片。（c）-（f）不同视角下，超透镜阵列的SEM图像：俯视（c）-(d)；斜视（e）；侧视（f）。比例尺为1 μm

大面积浮动显示，助力VR和AR体验新升级

在这项研究中，超透镜阵列应用于浮动显示器，可以在空中产生真实的图像。如图2（a）所示，超透镜的间距应尽可能小，从而减少光透射，降低噪声。如图2（b）所示，为了创造浮动的效果，Gabor引入超透镜的概念，利用一组小孔径透镜代替单个大孔径透镜进行成像，其中一对超透镜阵列可以传递图像。采用透射式调幅空间光调制器（SLM）为浮动显示提供高质量图像，确保显示系统的最佳性能。图2（c）-（e)展示了距超透镜阵列200 mm处测量的浮动图像。图2（f）为在目标距离附近不同深度处测量的浮动图像，这表明三维图像沿深度方向的调节效果明显。