使用半导体光刻工艺量产平面透镜
由东京大学理学研究生院小西国昭副教授和项目研究员山田良平以及 JSR Corporation 的岸田博之领导的研究小组成功开发了一种仅使用半导体光刻工艺即可大规模生产平面透镜的方法。 Z$XpoDbOy
光学镜片长期以来一直使用抛光技术制造，但近年来，超透镜被用于使用与光波长大致相同的亚微米结构来实现镜片的功能，这类新型平面透镜引起了人们的关注。 在这项研究中，仅使用半导体光刻工艺，我们使用了由同心环结构组成的菲涅耳带板 （FZP）。我们开发了一种以极其简单的方式生产平面透镜的方法。 在这种方法中，通过使用 JSR Corporation 开发的吸收特定波长并阻挡光传输的彩色光刻胶，只需一次半导体曝光工艺即可在 8 英寸基板上制造大量菲涅耳带板 （FZP）透镜，如图1所示。 我们表明，制造的透镜可以将可见光聚焦到约 1.1 微米的光束直径，并且还可以用作成像透镜。 这种方法是工业上已经使用的半导体光刻系统（步进器）。这是一项可以低成本大规模生产平面透镜的技术，有望对光学行业产生重大的连锁反应。 S$WM&9U
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镜头是各种光学仪器（如相机和传感器）中使用的最基本的光学元件之一。 从发明到现在，很长一段时间以来，镜头都是通过使用抛光等技术在球面上加工透明材料来制造的，但近年来，发明了一种技术，通过使用与光刻等微细加工技术产生的光波长相同或更小的亚微米人工结构来制造称为超透镜的平面透镜。 由于其高可控性和紧凑性，它作为镜头制造技术的革命而备受关注。 然而，这些人工微结构的制造需要使用多种设备，例如薄膜沉积设备、半导体光刻设备和干法蚀刻设备，并且结构的制造过程复杂一直是一个问题。 ~`H<sJ?9
本研究制造的平面透镜是一种称为菲涅耳带板 （FZP）透镜，它是不同宽度的环的同心排列。 环的宽度和间距在外侧减小，在最外层达到约 1 微米（图 2，右）。 这个环需要阻挡光线，在这项研究中，我们使用 JSR Corporation 开发的一种称为彩色光刻胶的特殊光刻胶制造了一个平面透镜。 这种光刻胶是一种在半导体微细加工过程中可以形成微图案的光刻胶，具有吸收特定波长和阻挡光线的特性。 因此，这种彩色光刻胶可用于仅使用半导体曝光工艺生产菲涅耳透镜。 (*BW/.Fq
图 2 显示了单个 FZP 镜头的照片和电子显微镜图像，图 3 显示了使用市售半导体光刻工艺设备（称为步进机）在整个 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 镜头的整体照片。 当该透镜用于聚焦波长为 550 nm 的光时，发现它可以将光聚焦到约 1.1 微米的光束直径（图 4，左）。 此外，这种光聚焦特性与数值计算结果非常吻合（图 4，右）。 此外，当该镜头用作成像镜头时，图 5 所示的结果表明，可以实现约 1.1 微米的分辨率。 我们已经成功地制造了对 450 nm 和 650 nm 波长的光表现出相同高聚光的透镜，这种方法使得在各种波长的可见光范围内轻松制造平面透镜成为可能。 H12@12v
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图2.使用蓝色光刻胶制造的 FZP 平面透镜的显微图像（左）和电子显微镜图像（右）左图和右图中的比例尺分别为 1 mm 和 2 μm。 FZP 透镜的最小线宽约为 1.1 μm。 fC|u
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图3.使用绿色光刻胶在整个 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 平面透镜 wm7 1,R1
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图4.制造的 FZP 平面透镜焦点处的光束轮廓（左）和横截面轮廓（右）的实验和模拟比较光的波长为 550 nm。 左图中比例尺的尺寸为 2 μm。 MT0{hsuK9
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图5.使用制造的 FZP 平面透镜拍摄的目标图像左图和右图中的比例尺分别为 30 μm 和 5 μm。 oy: MM
这项研究的意义由于这种方法可以原样使用，因此已经在半导体行业广泛使用的半导体光刻设备（步进机）有可能使用这些现有设备实现平面透镜的大规模生产和降低成本。 因此，用这种方法制造的镜头有望在光学行业产生显着的连锁反应，基于这些结果，预计未来将促进可应用于各种光学应用的平面镜头的开发，例如智能手机和各种传感器的相机。 uJ[Vv4N%9
相关链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01725-6由东京大学理学研究生院小西国昭副教授和项目研究员山田良平以及 JSR Corporation 的岸田博之领导的研究小组成功开发了一种仅使用半导体光刻工艺即可大规模生产平面透镜的方法。 ^W'[l al.
光学镜片长期以来一直使用抛光技术制造，但近年来，超透镜被用于使用与光波长大致相同的亚微米结构来实现镜片的功能，这类新型平面透镜引起了人们的关注。 在这项研究中，仅使用半导体光刻工艺，我们使用了由同心环结构组成的菲涅耳透镜。我们开发了一种以极其简单的方式生产平面透镜的方法。 在这种方法中，通过使用 JSR Corporation 开发的吸收特定波长并阻挡光传输的彩色光刻胶，只需一次半导体曝光工艺即可在 8 英寸基板上制造大量菲涅耳透镜，如图1所示。 我们表明，制造的透镜可以将可见光聚焦到约 1.1 微米的光束直径，并且还可以用作成像透镜。 这种方法是工业上已经使用的半导体光刻系统（步进器）。这是一项可以低成本大规模生产平面透镜的技术，有望对光学行业产生重大的连锁反应。 >cL2PN_y
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镜头是各种光学仪器（如相机和传感器）中使用的最基本的光学元件之一。 从发明到现在，很长一段时间以来，镜头都是通过使用抛光等技术在球面上加工透明材料来制造的，但近年来，发明了一种技术，通过使用与光刻等微细加工技术产生的光波长相同或更小的亚微米人工结构来制造称为超透镜的平面透镜。 由于其高可控性和紧凑性，它作为镜头制造技术的革命而备受关注。 然而，这些人工微结构的制造需要使用多种设备，例如薄膜沉积设备、半导体光刻设备和干法蚀刻设备，并且结构的制造过程复杂一直是一个问题。 w'XgW0j{
本研究制造的平面透镜是一种称为菲涅耳透镜，它是不同宽度的环的同心排列。 环的宽度和间距在外侧减小，在最外层达到约 1 微米（图 2，右）。 这个环需要阻挡光线，在这项研究中，我们使用 JSR Corporation 开发的一种称为彩色光刻胶的特殊光刻胶制造了一个平面透镜。 这种光刻胶是一种在半导体微细加工过程中可以形成微图案的光刻胶，具有吸收特定波长和阻挡光线的特性。 因此，这种彩色光刻胶可用于仅使用半导体曝光工艺生产菲涅耳透镜。 X+8p2xSO|
图 2 显示了单个 FZP 镜头的照片和电子显微镜图像，图 3 显示了使用市售半导体光刻工艺设备（称为步进机）在整个 8 英寸玻璃基板上制造的 FZP 镜头的整体照片。 当该透镜用于聚焦波长为 550 nm 的光时，发现它可以将光聚焦到约 1.1 微米的光束直径（图 4，左）。 此外，这种光聚焦特性与数值计算结果非常吻合（图 4，右）。 此外，当该镜头用作成像镜头时，图 5 所示的结果表明，可以实现约 1.1 微米的分辨率。 我们已经成功地制造了对 450 nm 和 650 nm 波长的光表现出相同高聚光的透镜，这种方法使得在各种波长的可见光范围内轻松制造平面透镜成为可能。 a6P.Zf7
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图2.使用蓝色光刻胶制造的 FZP 平面透镜的显微图像（左）和电子显微镜图像（右）左图和右图中的比例尺分别为 1 mm 和 2 μm。 FZP 透镜的最小线宽约为 1.1 μm。 -~f.>@Wb
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图4.制造的 FZP 平面透镜焦点处的光束轮廓（左）和横截面轮廓（右）的实验和模拟比较光的波长为 550 nm。 左图中比例尺的尺寸为 2 μm。 ,+.#
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图5.使用制造的 FZP 平面透镜拍摄的目标图像左图和右图中的比例尺分别为 30 μm 和 5 μm。 koZp~W-
这项研究的意义由于这种方法可以原样使用，因此已经在半导体行业广泛使用的半导体光刻设备（步进机）有可能使用这些现有设备实现平面透镜的大规模生产和降低成本。 因此，用这种方法制造的镜头有望在光学行业产生显着的连锁反应，基于这些结果，预计未来将促进可应用于各种光学应用的平面镜头的开发，例如智能手机和各种传感器的相机。 edx'p`%d5
相关链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01725-6
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