由東京大學(xué)理學(xué)研究生院小西國(guó)昭副教授和項(xiàng)目研究員山田良平以及 JSR Corporation 的岸田博之領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功開(kāi)發(fā)了一種僅使用半導(dǎo)體光刻工藝即可大規(guī)模生產(chǎn)平面透鏡的方法。

光學(xué)鏡片長(zhǎng)期以來(lái)一直使用拋光技術(shù)制造，但近年來(lái)，超透鏡被用于使用與光波長(zhǎng)大致相同的亞微米結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡片的功能，這類新型平面透鏡引起了人們的關(guān)注。 在這項(xiàng)研究中，僅使用半導(dǎo)體光刻工藝，我們使用了由同心環(huán)結(jié)構(gòu)組成的菲涅耳帶板 （FZP）。我們開(kāi)發(fā)了一種以極其簡(jiǎn)單的方式生產(chǎn)平面透鏡的方法。 在這種方法中，通過(guò)使用 JSR Corporation 開(kāi)發(fā)的吸收特定波長(zhǎng)并阻擋光傳輸?shù)牟噬�光刻膠，只需一次半導(dǎo)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(jiàn)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(jīng)使用的半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)（步進(jìn)器）。這是一項(xiàng)可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)平面透鏡的技術(shù)，有望對(duì)光學(xué)行業(yè)產(chǎn)生重大的連鎖反應(yīng)。

圖片:fig1.png

鏡頭是各種光學(xué)儀器（如相機(jī)和傳感器）中使用的最基本的光學(xué)元件之一。 從發(fā)明到現(xiàn)在，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，鏡頭都是通過(guò)使用拋光等技術(shù)在球面上加工透明材料來(lái)制造的，但近年來(lái)，發(fā)明了一種技術(shù)，通過(guò)使用與光刻等微細(xì)加工技術(shù)產(chǎn)生的光波長(zhǎng)相同或更小的亞微米人工結(jié)構(gòu)來(lái)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(shù)的革命而備受關(guān)注。 然而，這些人工微結(jié)構(gòu)的制造需要使用多種設(shè)備，例如薄膜沉積設(shè)備、半導(dǎo)體光刻設(shè)備和干法蝕刻設(shè)備，并且結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程復(fù)雜一直是一個(gè)問(wèn)題。

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(cè)減小，在最外層達(dá)到約 1 微米（圖 2，右）。 這個(gè)環(huán)需要阻擋光線，在這項(xiàng)研究中，我們使用 JSR Corporation 開(kāi)發(fā)的一種稱為彩色光刻膠的特殊光刻膠制造了一個(gè)平面透鏡。 這種光刻膠是一種在半導(dǎo)體微細(xì)加工過(guò)程中可以形成微圖案的光刻膠，具有吸收特定波長(zhǎng)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(dǎo)體曝光工藝生產(chǎn)菲涅耳透鏡。

圖 2 顯示了單個(gè) 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(dǎo)體光刻工藝設(shè)備（稱為步進(jìn)機(jī)）在整個(gè) 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 鏡頭的整體照片。 當(dāng)該透鏡用于聚焦波長(zhǎng)為 550 nm 的光時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(shù)值計(jì)算結(jié)果非常吻合（圖 4，右）。 此外，當(dāng)該鏡頭用作成像鏡頭時(shí)，圖 5 所示的結(jié)果表明，可以實(shí)現(xiàn)約 1.1 微米的分辨率。 我們已經(jīng)成功地制造了對(duì) 450 nm 和 650 nm 波長(zhǎng)的光表現(xiàn)出相同高聚光的透鏡，這種方法使得在各種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光范圍內(nèi)輕松制造平面透鏡成為可能。

圖片:fig2.png

圖2.使用藍(lán)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。

圖片:fig3.png

圖3.使用綠色光刻膠在整個(gè) 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 平面透鏡

圖片:fig4.png

圖4.制造的 FZP 平面透鏡焦點(diǎn)處的光束輪廓（左）和橫截面輪廓（右）的實(shí)驗(yàn)和模擬比較光的波長(zhǎng)為 550 nm。 左圖中比例尺的尺寸為 2 μm。

圖片:fig5.png

圖5.使用制造的 FZP 平面透鏡拍攝的目標(biāo)圖像左圖和右圖中的比例尺分別為 30 μm 和 5 μm。

這項(xiàng)研究的意義由于這種方法可以原樣使用，因此已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用的半導(dǎo)體光刻設(shè)備（步進(jìn)機(jī)）有可能使用這些現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)平面透鏡的大規(guī)模生產(chǎn)和降低成本。 因此，用這種方法制造的鏡頭有望在光學(xué)行業(yè)產(chǎn)生顯著的連鎖反應(yīng)，基于這些結(jié)果，預(yù)計(jì)未來(lái)將促進(jìn)可應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用的平面鏡頭的開(kāi)發(fā)，例如智能手機(jī)和各種傳感器的相機(jī)。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01725-6由東京大學(xué)理學(xué)研究生院小西國(guó)昭副教授和項(xiàng)目研究員山田良平以及 JSR Corporation 的岸田博之領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功開(kāi)發(fā)了一種僅使用半導(dǎo)體光刻工藝即可大規(guī)模生產(chǎn)平面透鏡的方法。

光學(xué)鏡片長(zhǎng)期以來(lái)一直使用拋光技術(shù)制造，但近年來(lái)，超透鏡被用于使用與光波長(zhǎng)大致相同的亞微米結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡片的功能，這類新型平面透鏡引起了人們的關(guān)注。 在這項(xiàng)研究中，僅使用半導(dǎo)體光刻工藝，我們使用了由同心環(huán)結(jié)構(gòu)組成的菲涅耳透鏡。我們開(kāi)發(fā)了一種以極其簡(jiǎn)單的方式生產(chǎn)平面透鏡的方法。 在這種方法中，通過(guò)使用 JSR Corporation 開(kāi)發(fā)的吸收特定波長(zhǎng)并阻擋光傳輸?shù)牟噬�光刻膠，只需一次半導(dǎo)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(jiàn)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(jīng)使用的半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)（步進(jìn)器）。這是一項(xiàng)可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)平面透鏡的技術(shù)，有望對(duì)光學(xué)行業(yè)產(chǎn)生重大的連鎖反應(yīng)。

圖片:fig1.png

鏡頭是各種光學(xué)儀器（如相機(jī)和傳感器）中使用的最基本的光學(xué)元件之一。 從發(fā)明到現(xiàn)在，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，鏡頭都是通過(guò)使用拋光等技術(shù)在球面上加工透明材料來(lái)制造的，但近年來(lái)，發(fā)明了一種技術(shù)，通過(guò)使用與光刻等微細(xì)加工技術(shù)產(chǎn)生的光波長(zhǎng)相同或更小的亞微米人工結(jié)構(gòu)來(lái)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(shù)的革命而備受關(guān)注。 然而，這些人工微結(jié)構(gòu)的制造需要使用多種設(shè)備，例如薄膜沉積設(shè)備、半導(dǎo)體光刻設(shè)備和干法蝕刻設(shè)備，并且結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程復(fù)雜一直是一個(gè)問(wèn)題。

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(cè)減小，在最外層達(dá)到約 1 微米（圖 2，右）。 這個(gè)環(huán)需要阻擋光線，在這項(xiàng)研究中，我們使用 JSR Corporation 開(kāi)發(fā)的一種稱為彩色光刻膠的特殊光刻膠制造了一個(gè)平面透鏡。 這種光刻膠是一種在半導(dǎo)體微細(xì)加工過(guò)程中可以形成微圖案的光刻膠，具有吸收特定波長(zhǎng)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(dǎo)體曝光工藝生產(chǎn)菲涅耳透鏡。

圖 2 顯示了單個(gè) 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(dǎo)體光刻工藝設(shè)備（稱為步進(jìn)機(jī)）在整個(gè) 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 鏡頭的整體照片。 當(dāng)該透鏡用于聚焦波長(zhǎng)為 550 nm 的光時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(shù)值計(jì)算結(jié)果非常吻合（圖 4，右）。 此外，當(dāng)該鏡頭用作成像鏡頭時(shí)，圖 5 所示的結(jié)果表明，可以實(shí)現(xiàn)約 1.1 微米的分辨率。 我們已經(jīng)成功地制造了對(duì) 450 nm 和 650 nm 波長(zhǎng)的光表現(xiàn)出相同高聚光的透鏡，這種方法使得在各種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光范圍內(nèi)輕松制造平面透鏡成為可能。

圖片:fig2.png

圖2.使用藍(lán)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。

圖片:fig3.png

圖3.使用綠色光刻膠在整個(gè) 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 平面透鏡

圖片:fig4.png

圖4.制造的 FZP 平面透鏡焦點(diǎn)處的光束輪廓（左）和橫截面輪廓（右）的實(shí)驗(yàn)和模擬比較光的波長(zhǎng)為 550 nm。 左圖中比例尺的尺寸為 2 μm。

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圖5.使用制造的 FZP 平面透鏡拍攝的目標(biāo)圖像左圖和右圖中的比例尺分別為 30 μm 和 5 μm。

這項(xiàng)研究的意義由于這種方法可以原樣使用，因此已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用的半導(dǎo)體光刻設(shè)備（步進(jìn)機(jī)）有可能使用這些現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)平面透鏡的大規(guī)模生產(chǎn)和降低成本。 因此，用這種方法制造的鏡頭有望在光學(xué)行業(yè)產(chǎn)生顯著的連鎖反應(yīng)，基于這些結(jié)果，預(yù)計(jì)未來(lái)將促進(jìn)可應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用的平面鏡頭的開(kāi)發(fā)，例如智能手機(jī)和各種傳感器的相機(jī)。

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