探討三種超構器件表面的加工方法

本文主要介紹了光學超構表面加工技術的最新進展。討論了三種超構表面加工方法：無掩膜刻蝕、掩膜刻蝕和其他微納加工技術，總結了各種加工技術的特點及合適的應用場景。最后，展望了超構表面及其先進微納加工技術的前景，以實現多功能，集成超構表面系統的低成本，高通量及高精度制造。

光學超構表面

超構表面是近年來出現一種新型的光學器件，也被稱為超構器件。與需要相位積累實現光操縱的傳統光學元件不同，超構表面通過亞波長尺度的微納結構，便可以實現對光振幅、偏振和相位的完全操縱。這一特點有助于利用超構表面實現光學器件的小型化，促進集成光學系統的實現。

此外，超構表面具有更多的設計自由度，能實現更多設計以滿足多種需求，除了成像、偏振控制、全息等應用外，也被用來實現傳感，可調諧器件，量子光源等新型應用。 超構表面的另一大特點是易于加工。組成超構表面的微納結構均是二維平面圖案，能使用現有的成熟納米加工技術進行制造，如電子束刻蝕，激光刻蝕與光刻。也有研究者使用自組裝刻蝕、納米壓印刻蝕等技術實現超構表面的加工制造，滿足各式各樣的制造需求。

本文對光學超構表面的各種先進加工技術進行了詳細討論，總結了各種加工制造技術的特點和挑戰(zhàn)。最后提出了超構表面加工技術未來的發(fā)展方向。

超構表面的微納加工技術

本文根據納米圖案如何被第一次被創(chuàng)造出來將加工技術劃分為三類：無掩膜刻蝕、掩膜刻蝕及其他微納加工技術。這些技術的特點如表1所示。

表1. 超構表面加工技術

無掩膜刻蝕

無掩膜刻蝕技術指不需要掩膜即可實現圖案寫入的技術，如圖1所示。無掩膜刻蝕技術可以分為電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和激光刻蝕。電子束刻蝕不需要掩模，直接利用聚焦的電子束曝光電子束光刻膠定義圖案。電子束刻蝕能寫下任意圖形，同時具有超高的精度。聚焦離子束刻蝕通過直接轟擊目標結構表面寫入圖案，是一種一步刻蝕的方法。聚焦離子束刻蝕具有高精度的特點，同時能實現自由表面形貌的加工。激光刻蝕可以分為激光直寫刻蝕和激光干涉刻蝕。激光直寫刻蝕是利用激光直接在光刻膠上寫入圖案，適用于高通量，大面積的制造。激光干涉刻蝕則通過引入更多相干光束形成干涉圖案，有助于實現大規(guī)模周期陣列的制造。

圖1. 無掩?？涛g。a. 電子束刻蝕。b. 電子束刻蝕制造的超構表面SEM圖。c. 聚焦離子束刻蝕。d. 聚焦離子束刻蝕制造的超表面SEM圖。

掩?？涛g

掩?？涛g技術利用制備完成的掩模將圖案轉移到目標基板上，如圖2所示。掩?？涛g技術包括光刻、納米壓印刻蝕和自組裝刻蝕。光刻是一種最常見的半導體微納加工技術，通過曝光將掩模板上的圖案轉移到光刻膠上，能實現大面積高通量的超構表面加工。納米壓印刻蝕將具有微納結構的壓印模板壓到涂有聚合物的基板上，通過熱或者紫外光將壓印聚合物固化，實現超構表面的加工。壓印模板可以重復利用，是一種高精度的大規(guī)模制造方法。自組裝刻蝕用懸浮液中的納米微球充當掩模，是一種低成本的周期結構加工方法。

圖2. 掩?？涛g。a. 光刻。b. 納米壓印刻蝕。c. 自組裝刻蝕。

其他技術

其他微納加工技術也在超構表面的制造中得到應用，如圖3所示。討論了雙光子聚合與激光燒蝕技術。雙光子聚合是利用飛秒激光與光刻膠的相互作用實現微納結構制造的技術。光刻膠僅在焦點處發(fā)生固化，能實現三維結構的加工。激光燒蝕則直接利用飛秒激光對目標基板表面進行燒蝕或修飾，也是一種低成本高通量的加工技術，適用于大面積超構表面的加工。

圖3. 其他加工技術。a. 雙光子聚合。b. 激光燒蝕。

總結和展望

本文總結了各種適用于光學超構表面的先進微納加工技術，討論了他們的特點與適用場景。綜合考慮加工精度、加工面積、成本、加工時間和適用材料等條件，才能找到適用于不同設計的最優(yōu)加工方法。

超構表面在許多應用場景上顯現出巨大潛力，如量子計算、通信、傳感和激光等應用。將超構表面融入集成系統，是提高設備效率，增強性能，是實現小型化，商業(yè)化的重要步驟。這些需求都希望微納加工技術能實現低成本、高通量、大面積、高精度和高可重復地制造超構表面。同時，超構表面的微納加工技術與半導體加工工藝相兼容，顯著減小了超構表面的加工門檻，推動超構表面和超構光學領域的廣泛發(fā)展。

審核編輯：劉清