使用半導體光刻工藝量產平面透鏡
由東京大學理學研究生院小西國昭副教授和項目研究員山田良平以及 JSR Corporation 的岸田博之領導的研究小組成功開發(fā)了一種僅使用半導體光刻工藝即可大規(guī)模生產平面透鏡的方法。 yl~_~<s 6
光學鏡片長期以來一直使用拋光技術制造，但近年來，超透鏡被用于使用與光波長大致相同的亞微米結構來實現鏡片的功能，這類新型平面透鏡引起了人們的關注。 在這項研究中，僅使用半導體光刻工藝，我們使用了由同心環(huán)結構組成的菲涅耳帶板 （FZP）。我們開發(fā)了一種以極其簡單的方式生產平面透鏡的方法。 在這種方法中，通過使用 JSR Corporation 開發(fā)的吸收特定波長并阻擋光傳輸的彩色光刻膠，只需一次半導體曝光工藝即可在 8 英寸基板上制造大量菲涅耳帶板 （FZP）透鏡，如圖1所示。 我們表明，制造的透鏡可以將可見光聚焦到約 1.1 微米的光束直徑，并且還可以用作成像透鏡。 這種方法是工業(yè)上已經使用的半導體光刻系統(tǒng)（步進器）。這是一項可以低成本大規(guī)模生產平面透鏡的技術，有望對光學行業(yè)產生重大的連鎖反應。 X+aQ 7^"s
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鏡頭是各種光學儀器（如相機和傳感器）中使用的最基本的光學元件之一。 從發(fā)明到現在，很長一段時間以來，鏡頭都是通過使用拋光等技術在球面上加工透明材料來制造的，但近年來，發(fā)明了一種技術，通過使用與光刻等微細加工技術產生的光波長相同或更小的亞微米人工結構來制造稱為超透鏡的平面透鏡。 由于其高可控性和緊湊性，它作為鏡頭制造技術的革命而備受關注。 然而，這些人工微結構的制造需要使用多種設備，例如薄膜沉積設備、半導體光刻設備和干法蝕刻設備，并且結構的制造過程復雜一直是一個問題。 ^;RK-)
本研究制造的平面透鏡是一種稱為菲涅耳帶板 （FZP）透鏡，它是不同寬度的環(huán)的同心排列。 環(huán)的寬度和間距在外側減小，在最外層達到約 1 微米（圖 2，右）。 這個環(huán)需要阻擋光線，在這項研究中，我們使用 JSR Corporation 開發(fā)的一種稱為彩色光刻膠的特殊光刻膠制造了一個平面透鏡。 這種光刻膠是一種在半導體微細加工過程中可以形成微圖案的光刻膠，具有吸收特定波長和阻擋光線的特性。 因此，這種彩色光刻膠可用于僅使用半導體曝光工藝生產菲涅耳透鏡。 m4 (p MrJ
圖 2 顯示了單個 FZP 鏡頭的照片和電子顯微鏡圖像，圖 3 顯示了使用市售半導體光刻工藝設備（稱為步進機）在整個 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 鏡頭的整體照片。 當該透鏡用于聚焦波長為 550 nm 的光時，發(fā)現它可以將光聚焦到約 1.1 微米的光束直徑（圖 4，左）。 此外，這種光聚焦特性與數值計算結果非常吻合（圖 4，右）。 此外，當該鏡頭用作成像鏡頭時，圖 5 所示的結果表明，可以實現約 1.1 微米的分辨率。 我們已經成功地制造了對 450 nm 和 650 nm 波長的光表現出相同高聚光的透鏡，這種方法使得在各種波長的可見光范圍內輕松制造平面透鏡成為可能。 xKG7d8=
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圖2.使用藍色光刻膠制造的 FZP 平面透鏡的顯微圖像（左）和電子顯微鏡圖像（右）左圖和右圖中的比例尺分別為 1 mm 和 2 μm。 FZP 透鏡的最小線寬約為 1.1 μm。 >MHlrSH2
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圖3.使用綠色光刻膠在整個 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 平面透鏡 /ooGyF
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圖4.制造的 FZP 平面透鏡焦點處的光束輪廓（左）和橫截面輪廓（右）的實驗和模擬比較光的波長為 550 nm。 左圖中比例尺的尺寸為 2 μm。 ::oFL#+
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圖5.使用制造的 FZP 平面透鏡拍攝的目標圖像左圖和右圖中的比例尺分別為 30 μm 和 5 μm。 e4tIO
這項研究的意義由于這種方法可以原樣使用，因此已經在半導體行業(yè)廣泛使用的半導體光刻設備（步進機）有可能使用這些現有設備實現平面透鏡的大規(guī)模生產和降低成本。 因此，用這種方法制造的鏡頭有望在光學行業(yè)產生顯著的連鎖反應，基于這些結果，預計未來將促進可應用于各種光學應用的平面鏡頭的開發(fā)，例如智能手機和各種傳感器的相機。 ;Z d_2CZ
相關鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01725-6由東京大學理學研究生院小西國昭副教授和項目研究員山田良平以及 JSR Corporation 的岸田博之領導的研究小組成功開發(fā)了一種僅使用半導體光刻工藝即可大規(guī)模生產平面透鏡的方法。 qT@h/ Y
光學鏡片長期以來一直使用拋光技術制造，但近年來，超透鏡被用于使用與光波長大致相同的亞微米結構來實現鏡片的功能，這類新型平面透鏡引起了人們的關注。 在這項研究中，僅使用半導體光刻工藝，我們使用了由同心環(huán)結構組成的菲涅耳透鏡。我們開發(fā)了一種以極其簡單的方式生產平面透鏡的方法。 在這種方法中，通過使用 JSR Corporation 開發(fā)的吸收特定波長并阻擋光傳輸的彩色光刻膠，只需一次半導體曝光工藝即可在 8 英寸基板上制造大量菲涅耳透鏡，如圖1所示。 我們表明，制造的透鏡可以將可見光聚焦到約 1.1 微米的光束直徑，并且還可以用作成像透鏡。 這種方法是工業(yè)上已經使用的半導體光刻系統(tǒng)（步進器）。這是一項可以低成本大規(guī)模生產平面透鏡的技術，有望對光學行業(yè)產生重大的連鎖反應。 '\I(n|\
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鏡頭是各種光學儀器（如相機和傳感器）中使用的最基本的光學元件之一。 從發(fā)明到現在，很長一段時間以來，鏡頭都是通過使用拋光等技術在球面上加工透明材料來制造的，但近年來，發(fā)明了一種技術，通過使用與光刻等微細加工技術產生的光波長相同或更小的亞微米人工結構來制造稱為超透鏡的平面透鏡。 由于其高可控性和緊湊性，它作為鏡頭制造技術的革命而備受關注。 然而，這些人工微結構的制造需要使用多種設備，例如薄膜沉積設備、半導體光刻設備和干法蝕刻設備，并且結構的制造過程復雜一直是一個問題。 cjEqN8
本研究制造的平面透鏡是一種稱為菲涅耳透鏡，它是不同寬度的環(huán)的同心排列。 環(huán)的寬度和間距在外側減小，在最外層達到約 1 微米（圖 2，右）。 這個環(huán)需要阻擋光線，在這項研究中，我們使用 JSR Corporation 開發(fā)的一種稱為彩色光刻膠的特殊光刻膠制造了一個平面透鏡。 這種光刻膠是一種在半導體微細加工過程中可以形成微圖案的光刻膠，具有吸收特定波長和阻擋光線的特性。 因此，這種彩色光刻膠可用于僅使用半導體曝光工藝生產菲涅耳透鏡。 yV!4Im.>
圖 2 顯示了單個 FZP 鏡頭的照片和電子顯微鏡圖像，圖 3 顯示了使用市售半導體光刻工藝設備（稱為步進機）在整個 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 鏡頭的整體照片。 當該透鏡用于聚焦波長為 550 nm 的光時，發(fā)現它可以將光聚焦到約 1.1 微米的光束直徑（圖 4，左）。 此外，這種光聚焦特性與數值計算結果非常吻合（圖 4，右）。 此外，當該鏡頭用作成像鏡頭時，圖 5 所示的結果表明，可以實現約 1.1 微米的分辨率。 我們已經成功地制造了對 450 nm 和 650 nm 波長的光表現出相同高聚光的透鏡，這種方法使得在各種波長的可見光范圍內輕松制造平面透鏡成為可能。 [34N/;5
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圖2.使用藍色光刻膠制造的 FZP 平面透鏡的顯微圖像（左）和電子顯微鏡圖像（右）左圖和右圖中的比例尺分別為 1 mm 和 2 μm。 FZP 透鏡的最小線寬約為 1.1 μm。 dtC@cK/,D
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圖3.使用綠色光刻膠在整個 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 平面透鏡 ^-_*@ e*JE
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圖4.制造的 FZP 平面透鏡焦點處的光束輪廓（左）和橫截面輪廓（右）的實驗和模擬比較光的波長為 550 nm。 左圖中比例尺的尺寸為 2 μm。 U
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