超构表面透镜设计制造全流程：从纳米柱单元库到流片实测

说实话第一次见到超构表面透镜这个名字的时候我心里是有点犯嘀咕的——听起来像从哪本修仙小说里蹦出来的法宝名字。「秀秀」就是我们在实验室里给那枚直径不到一厘米的样品起的昵称起因特别简单负责画版图的小姑娘觉得这玩意儿圆溜溜的、在显微镜下还挺精致张口就是一句咱们这个秀秀呀……结果整个项目组就这么一路叫了下来。叫顺口之后反倒把这个技术本身的严肃感冲淡了不少。按我们组里的笔记排序这一章恰好是第135章记录的是一枚超构表面透镜从理论公式到流片实测的完整过程。它不是什么科幻概念也不是实验室里摆着好看的模型而是一块厚度不到一毫米的石英玻璃表面密密麻麻排布着几亿个亚波长尺寸的纳米柱不用传统玻璃的曲面磨削也不靠多片镜片对装单纯靠平整表面就能完成会聚光束、成像、消色差这些活儿。文章里我会把「秀秀」的设计出发点、单元相位库怎么建、版图怎么画、光刻刻蚀怎么做、实测环节有哪些坑一条条掰开来讲。适合正在做轻量化光学模组的光学工程师、涉足纳米加工的学生以及那些手里攥着AR/VR或者车载激光雷达方案想找一种更薄、更轻的透镜路线的产品人。1. 平面透镜凭什么能取代曲面透镜从一块水坝说起1.1 传统凸透镜靠的是形状超构表面靠的是微结构阵列要理解超构表面透镜Metalens得先把普通透镜为什么能聚光这件事重新想清楚。一束平行光经过凸透镜后会汇聚到焦点本质上是因为玻璃的曲面让光在透镜的不同位置穿过的厚度不一样光程由此发生变化波前被重新整形从平面波变成了球面波。这有点像一片池塘里立了一块弯曲的堤坝水流经过时有的地方被挡得多、有的地方挡得少最后在某个位置汇成一股。传统镜片要磨出精确的曲面半径和非球面系数加工难、厚度大、几片镜片之间还要严格对准这些痛点长期存在。超构表面透镜的思路完全不同。它不需要曲面基底就是一块平整的玻璃片真正起作用的是玻璃表面上那些高度一致、宽度从几十纳米到几百纳米不等的小圆柱或纳米鳍。每个柱子可以理解成一个极短的波导它对入射光施加一个局部相位延迟。只要在设计时把这个相位延迟在二维平面上排布得恰到好处——中心区域给一个相位边缘区域给另一个相位——波前就能被逐点裁剪成想要的样子比如一个完美的会聚球面波。用水流打比方的话传统透镜是摆了一整座水坝超构表面则是沿着水流方向隔几厘米插一根小桩每根桩的高度和角度都单独调节结果也能让水流在某个点汇合。这里有一个概念必须反复强调亚波长这三个字是命门。柱子与柱子之间的距离通常称为周期必须小于或者接近工作波长的一半阵列才能对入射光形成连续的电磁响应而不是像光栅那样产生一堆离散的衍射级次。如果周期太大光会被打散成杂散光聚焦效率会断崖式下降。这也是超构表面在三十年前根本做不出来的原因——那时候电子束光刻技术还不够成熟在晶圆上大面积均匀加工几亿个纳米柱属于天方夜谭现在工艺进步了这个概念才真正落地。1.2 秀秀要解决什么问题用一片玻璃干掉一摞镜片做「秀秀」这个项目的直接起因是我们当时在给一款AR眼镜的光机减重。传统方案里一个普通的可见光成像镜头模组往往要堆四到六片镜片总高度冲到5到6毫米都很常见。这个体积放在手机摄像头里也许凑合放在AR眼镜的镜腿里就非常尴尬更何况还有重量、成本、装配公差一系列问题。组长拍板尝试超构表面透镜目标非常激进把光学模组的厚度压到1毫米以内同时保证成像分辨率和透过率不崩掉。近几年国内外做超构表面透镜的团队逐渐变多技术路径也趋于多样但核心价值就那么几条第一厚度极薄一片平面玻璃就能实现传统多片镜片组合的效果第二设计自由度很高通过调整纳米柱的几何尺寸可以在同一个表面上同时实现聚焦和像差校正甚至把一块透镜当成偏振分光器来用第三非常适合和平面晶圆工艺兼容理论上可以大批量复制。应用场景不用往远看眼下就有几个地方特别需要它一是AR/VR光机镜腿里塞不进传统镜组平面片状透镜几乎是唯一解二是手机镜头如果能用一片超构表面替代三片传统镜片摄像头凸起的问题就能彻底解决三是车载和工业用的激光雷达与ToF模块收发通道都适合平面化四是内窥镜、小型显微物镜这类对尺寸极其敏感的设备。说白了这就是光学领域一次轻量化革命的抓手我们愿意在「秀秀」上押注也是因为它踩在了这几个大方向的交汇点上。2. 设计阶段必须先吃透的三个关键参数2.1 单元库怎么建相位延迟、透过率与几何尺寸的三方博弈任何一个超构表面透镜的设计都是从单元库开始的。所谓单元库就是一系列不同直径、不同形状的纳米柱在特定波长和周期下各自产生多少相位延迟、有多少透过率的对照数据。可以把它当成设计者的武器库——每个柱子的直径都对应一个相位值最终透镜的相位分布图说白了就是一张直径分布图。为什么柱子能控制相位把一个纳米柱当成一小段波导来看光在其中传播会感受到一个等效折射率n_eff。柱子的直径变粗等效折射率提高光通过相同物理高度h后累积的相位差也随之变大。表达式不复杂φ (2π/λ)·n_eff·h。如果我们把柱高固定下来那么改变柱宽就可以在0到2π之间得到几乎是连续的相位覆盖。当然实际的情况没有这么理想因为等效折射率还和占空比、相邻柱子的电磁耦和有关所以我们不会用解析公式直接拍脑袋定尺寸而是会用FDTD时域有限差分或者RCWA严格耦合波分析去做仿真扫描。建库的时候有个特别容易踩的坑只盯着相位覆盖够不够忽略了透过率。很多新手以为柱子的相位能凑满0到2π就万事大吉结果做出来的样品效率低得吓人。正确的做法是给每个数据点同时记录相位和透过率筛选时两个指标一起卡。我一般会要求透射率不低于70%并且相位至少覆盖0到2π如果某个直径区间的透过率掉得太厉害哪怕相位差刚好合适也得放弃。拿「秀秀」的实际参数举例工作波长定在940纳米材料选了氢化非晶硅a-Si因为它在近红外波段折射率足够高、损耗低。基底是石英玻璃柱高设计成600纳米周期取500纳米。核心参数如下表所示项目参数备注中心波长940 nm近红外波段避开部分可见光吸收材料氢化非晶硅a-Si高折射率与CMOS工艺兼容基底双抛石英玻璃低损耗、热稳定性好周期500 nm亚波长条件抑制高阶衍射柱高600 nm保证相位覆盖又不至于深宽比过难加工柱直径扫描范围150 nm 到 320 nm直径太小时柱子难做太大时存在高次模设计透过率70%低于这个值直接淘汰这组参数不是凭空拍脑袋定的。周期取500纳米是因为940纳米波长下要维持亚波长条件周期必须明显小于波长柱高取600纳米是因为我们前期用FDTD扫过高度与相位覆盖的关系600纳米以上可以达到2π相位覆盖再高的话刻蚀深宽比会到3以上加工成品率会明显恶化。这一步打赢了后面整个设计流程会顺畅很多。2.2 相位分布公式从双曲相位到任意波前单元库搞定之后下一个核心问题是如何确定整个表面上每一个位置的相位目标值。绝大多数超构表面透镜的基础公式是双曲相位分布它是为了把一个平面波变成理想的球面波而推导出来的。假设一束平面波垂直入射到一个焦距为f的平面透镜上透镜上任一点到透镜中心的距离是r则这一点的补偿相位一般为φ(r) (2π/λ) × ( f - √(r² f²) )这个式子的逻辑很直白光从透镜面上某个位置走到焦点走过的几何距离是√(r²f²)而光从中心位置走到焦点只走f。为了让边上和中心的光同时到达焦点且在焦点处相位一致边缘位置必须额外补偿一段相位补偿量正好等于光程差2π/λ乘以f - √(r²f²)。值得提醒一句的是这个公式默认透镜表面在空气中、周围介质折射率为1如果样品泡在油里或者有保护层需要换成介质中的有效波长。需要进一步说明的是这个公式不是只能用来做普通汇聚透镜。把角度、位置等因素考虑进去之后它可以推广出偏折器、涡旋光板、多焦点透镜等各种变体。实际工程中我们甚至不直接依赖这个解析式而是先确定最终的波前目标比如希望焦平面上出现某个图案、或者是想让轴上像差为零然后反推全场的相位分布。这个过程可以用光线追迹或者衍射计算来完成。「秀秀」的目标相对务实它先按普通单焦点透镜来做焦距定为1毫米口径8毫米F数只有0.125算是个快镜头了。还要解释一个看似和直觉相悖的点为什么平面透镜也能产生球面波前因为有相位调制。波前整形并不一定需要真的改变介质厚度只要在每一小块面积上把相位等量补充到位光场在传播之后就会呈现出好像经过了特定几何形状介质的效果。这就好比一群人在起点被安排了不同的出发时间虽然所有人在同一个终点前都走一样长的路但有人晚出发最终也能整齐地同时到达终点。2.3 网格离散化把连续相位落格到像素点理论上得到的是连续相位分布函数但实际版图不可能做出连续变化的柱子尺寸我们必须按周期为单位对整个透镜口径做网格化离散。以「秀秀」为例周期是500纳米口径8毫米那么直径方向上有16000个格子总单元数约为3.14亿个。这些格子不是每个都独立自由设计而是根据相位分布函数反算出对应格点需要的相位再用之前建的单元库做反查把相位值映射成最接近的柱直径。这一步听起来简单做起来全是细节。第一个问题是环绕相位相位值是0到2π循环的如果相邻格点的目标相位一个是0.1π、另一个是1.9π直接查表反查出来的柱直径可能截然不同而实际上这两个相位在周期上只差0.2π属于连续变化我们要用相位展开unwrap处理掉这个跳变。第二个问题是离散误差相位库不是无限密集的我们一般会在直径扫描后做插值实际分配的相位和理想目标之间总会有些偏差这个偏差通常可以控制在几个度以内但它会转化为波前误差的一部分最终影响焦斑大小。网格化之后的数据规模非常恐怖。9到10毫米直径的镜片三亿个单元就算每个柱体的版图数据只占几个字节静态数据的体量也轻松上百GB。电脑处理起来会非常吃力所以这一步的工程经验是分区计算加合并同类型单元。很多成功的团队会把整个版图切成长条区域分块生成多边形最后用布尔运算合并相邻的重叠多边形再输出GDSII文件。导出时我还习惯把每个圆柱用12到16条边的多边形逼近这样既不会因为边数太少导致形状失真又不会让文件大到无法保存。3. 从CAD到亮晶晶的样品完整流片流程拆解3.1 版图生成几亿个纳米柱不能用手画超构表面透镜的版图生成必须用程序完成这不是建议而是必须。我见过有人试图在EDA工具里用脚本画阵列结果一张GDS文件几百GB机器卡到几乎没法动。我们的做法是先用Python生成相位矩阵再通过查找表映射为柱直径矩阵最后把每个格点上的直径在目标位置上画成多边形。为了减少文件量这里有几个实用的优化手段把所有同直径柱子按行和列做布尔联合、用阵列命令而不是逐点画多边形、导出时把单位坐标改成纳米避免不必要的浮点数精度冗余。生成流程大致可以分成下面几步根据口径和周期算出网格行列数与每个格点的坐标。计算理想相位分布用相位展开消除跳变。从单元库插入值反查每个格点对应的柱直径。对直径做修正比如制造偏差补偿或者加保护环。生成每个柱体的多边形并做图层归类。将多边形做区域合并导出GDSII。用KLayout或者Calibre做一次版图几何检查确认没有重叠和孔洞。有一件事是我反复叮嘱新人的设计焦距不等于透镜表面到探测器表面的机械距离。如果按单面超构表面透镜来算焦点位于透镜表面后方的1毫米处但如果样品贴在保护玻璃或者封装胶层后面等效光程会被折射率拉长这时候还按1毫米做机械设计做出来的实际焦面就偏了。我们后来在「秀秀」的版图里加了一个补偿层设计把保护层的折射率折合进去实测焦距才和仿真对上。3.2 光刻、刻蚀与清洗工艺窗口决定成品率版图文件送到加工厂之后的流程是标准的纳米加工工艺链双抛石英片清洗后沉积一层氢化非晶硅旋涂电子束胶用电子束曝光写出柱体图形显影后把胶上的圆形图案转移到下方硅层再用感应耦合等离子体刻蚀ICP-RIE把多余的硅刻掉留下竖着的纳米柱最后去胶和清洗。整个链条里最难的一步不是曝光而是刻蚀。为什么难在刻蚀因为柱子的高宽比很大——高600纳米、直径可能只有180纳米深宽比超过3。刻蚀过程中如果各向异性控制不好就会把柱子刻成锥形也就是上面细下面粗或者产生底切底部被过量腐蚀导致柱子随时会倒。我们当时的工艺参数大约是SF6 40 sccm、C4F8 80 sccm腔压5 mTorrICP功率1000W、偏压功率100W。C4F8的作用是形成钝化层保护侧壁SF6负责刻蚀。厂家做完后我们第一件事就是拿扫描电镜SEM拍断面确认柱子侧壁垂直度在±2°以内再上原子力显微镜AFM测粗糙度粗糙度如果超过5纳米散射损耗会变得极其明显。清洗环节也有讲究。普通去胶机里的氧灰化能去掉大部分光刻胶但如果胶残留在高深宽比柱子的底部光学性能会立刻拉垮。我们会先用氧气灰化再用湿法药液漂洗整个过程控制超声功率避免把柱子震倒。这个细节听着琐碎实际上决定了样品的良率——一次去胶过度可能让一片晶圆上几十个芯片全部报废。3.3 实测平台搭建不要一上来就拍焦点样品到手后最容易犯的错是直接拿激光照上去看有没有焦点。正确顺序是先检查微纳结构是否合格再做光学测试。我们搭建的测试光路大概是这样的激光器输出一个稳定的线偏振光束先经过扩束准直再通过偏振片和半波片控制入射偏振方向光穿过「秀秀」样品后由一个长工作距离的显微物镜和管镜组成成像系统把焦平面上的光斑放大到CMOS相机上样品和探测系统放在同一个电动位移台上沿光轴方向步进扫描就能测出焦点位置和光斑尺寸。在光学舱里我们主要测三个指标焦点处的光斑大小半高全宽FWHM、聚焦效率焦点光功率与入射光功率之比、焦距位置。理论衍射极限可以根据FWHM ≈ λ/NA来计算NA在这里约等于D/(2f)0.5所以理论极限是1.22×0.94/1≈1.15微米左右。实测如果超过这个值的10%到20%就要考虑是设计误差还是加工误差了。还有一个容易被忽略的点偏振敏感性。超构表面单元对入射偏振非常敏感很多柱形只在某个特定偏振方向下有最优相位响应。如果我们设计时用的是圆偏振或者TM/TE混合模式但测试只用了线偏振结果往往会比仿真差不少。「秀秀」在设计时特意选了较对称的柱形但这个影响依旧存在所以测试时必须先确认输入偏振态再在光路里加偏振片稳定它。4. 试产与测试阶段踩过的坑问题排查实录4.1 焦点位置漂移不是设计算错是CD偏了「秀秀」第一版样品上机后我们一测焦距发现和仿真差了将近6%。刚开始我以为公式写错了把文件调出来复核了好几遍相位分布没问题。后来拿SEM一量柱子的关键尺寸CD才发现问题出在加工环节光刻剂量偏大柱子整体比设计值粗了大约8%。这个过程非常灵敏因为单元库的相位-直径曲线在很多区间斜率很陡直径变化5纳米就可能带来十几度的相位偏差相位偏差累积在边缘区域就会让焦距移动好几个百分点。这个坑几乎是所有做超构表面的人都要经历的。排查思路建议按照先测量CD再看相位库敏感度的顺序进行不要一上来怀疑仿真软件。我们后来用同一张版图做了一个工艺容许度测试晶圆把曝光剂量从5%到-5%微差梯度扫描一次性洗出多个版本的样品实测焦点漂移和效率变化最终找出最佳剂量点。这一招非常省钱也比对着模拟曲线猜有效得多。4.2 焦点周围全是杂散光基板反射与高阶衍射「秀秀」第二版样品在暗室测试时焦点看着没问题但焦点周围有一圈明显的杂散光底晕对比度很差。刚开始怀疑是光路里的灰尘和反射换了洁净环境还是老样子最后追到样品本身。两个原因叠加在一起一是石英基板前后表面的菲涅耳反射尤其940纳米波段石英折射率1.45单面反射约3.6%两个面加起来对杂散光贡献不小二是周期虽然500纳米、满足亚波长条件但在大角度边缘入射情况下局部仍然可能激发高阶衍射通道。解决办法分成两条线。后处理上我们在样品背面镀了一层增透膜把背反射压到0.5%以下设计端则调整了边缘区域的周期和柱形让大角度入射时的衍射效率往主焦点上集中。这里我要强调一个设计习惯任何超构表面透镜在正式流片前都应该特意模拟一次非垂直入射的斜入射情况看高阶衍射会不会跑出来而不是只盯着垂直入射仿真结果。4.3 效率低但柱子形状又没问题问题可能出在单元库有一次我们对「秀秀」的改版样品测效率聚焦效率只有设计的55%。SEM显示柱子高度、直径、垂直度全部正常加工厂也表示他们按设计规则做得很准。后来我们回头查单元库发现问题出在相位覆盖区间为了得到一个更好的相位匹配我在库里选择了一组直径特别大的柱子它的相位满足要求但透过率只有40%。在一个8毫米口径的透镜上某几个环带的透过率局部下降整个透镜的效率就被拉下来了。这类问题和加工缺陷完全是两码事属于设计时就埋下的坑。超构表面透镜的效率从来不是单一柱子决定的而是整个口径上所有柱子的相位匹配和透过率匹配的折中。遇到效率异常先做几个确认用光谱仪测样品的透射光谱看整体透过率再拿SEM确认关键结构的形貌最后回到单元库里查每个直径点对应的透过率看是不是局部效率塌陷。这三个检查做完大部分问题都能定位。4.4 量产前必须面对的现实问题「秀秀」从研发转向产线预研时我们还碰到了一些之前完全没想到的实际问题。第一个是电子束光刻的写速度极慢一张8毫米口径的透镜电子束扫描可能要写一整个晚上这在打样阶段可以忍受量产完全不行现在产业界更看好纳米压印光刻和深紫外光刻来做批量复制。第二个是纳米柱本身太脆清洗或转移过程中稍微受点外力就可能倒掉一片所以后道工艺的环境管控要求非常高。第三是相位设计对加工误差太敏感量产时晶圆上不同位置的CD不均匀会导致同一片产品性能不一致除非引入更多的工艺窗口和反馈否则良率很难拉高。关于纳米压印我想多说一句。压印模具的制作成本很高但它一旦做出来复制效率确实非常可观适合真正量产的场景。不过模具本身也会磨损脱模时还有残留胶的问题模具的寿命和一致性研究在产业界仍然是个热门话题。初期打样用电子束光刻快速迭代一旦技术成熟再转压印这个节奏比较合理。5. 一点个人体会说回「秀秀」这个名字。当初大家都说它太随意不够论文腔但一个项目做下来反而是这个有点人情味的名字让大家在盯SEM图和反复调参的枯燥日子里轻松了不少。从技术角度我更愿意把超构表面透镜当成一次对传统光学设计逻辑的换轴——它不追求磨出一个理想的表面形状而是用成千上万的微观决策去凑一个宏观的光场结果。这句话说着轻巧实际做起来全是取舍相位和透过率的取舍、设计与工艺误差的取舍、性能与可制造性的取舍。如果一定要给后来者一个建议我会说拿到样品先测柱形再谈焦斑。千万别跳过AFM和SEM直接上光路那样一旦结果不对你根本分不清是设计错还是工艺错。另一个体会是设计端要尽早和加工厂对齐工艺窗口不要以为仿真里的完美相位库可以被完美地加工出来。像「秀秀」这样一块平平无奇的小玻璃片背后其实是光学设计、微纳加工、检测计量三个学科的接力赛。真把这条路走通之后你再看那些又厚又重的镜头模组心里会多一个坚定的念头也许下一代的成像元件就是一片又薄又轻的玻璃而已。