超表面是一种通过亚波长微纳结构实现光操控的新型光学器件，在成像、偏振控制、量子计算、通信、传感、激光等应用领域展现出巨大潜力。如何高效、精准地制造超表面微纳结构是实现超表面的关键之一。

近日，哈尔滨工业大学和香港城市大学研究团队在《光：先进制造》杂志发表题为《超表面器件：先进制造》的评论文章，总结了光学超表面器件的先进加工技术。

本文主要介绍了光学超表面加工技术的最新进展，讨论了三种超表面加工方法：无掩模刻蚀、掩模刻蚀和其他微纳加工技术，总结了各类加工技术的特点及其适合的应用场景，最后展望了超表面及其先进微纳加工技术在实现低成本、高通量、高精度制造多功能、集成化超表面系统的前景。

光学超表面

超表面是近年来兴起的一种新型光学器件，又称超器件。与传统光学元件需要相位积累才能实现光的操控不同，超表面可以通过亚波长尺度的微纳结构实现对光的幅度、偏振和相位的完全操控。这一特性有助于利用超表面实现光学器件的小型化，推动集成光学系统的实现。此外，超表面具有更大的设计自由度，可以实现更多的设计以满足多种需求。除了成像、偏振控制、全息等应用外，还用于实现传感、可调谐器件、量子光源等新应用。

超表面的另一大特点是易于加工。组成超表面的微纳结构均为二维平面图形，可以利用现有成熟的纳米加工技术进行制造，如电子束刻蚀、激光刻蚀、光刻等。一些研究者还利用自组装刻蚀、纳米压印刻蚀等技术实现超表面的加工制造，满足多种制造需求。

本文详细讨论了光学超表面的各种先进加工技术能机械加工的大连工厂，总结了各种加工制造技术的特点与挑战，最后提出了超表面加工技术未来的发展方向。

超表面微纳加工技术

本文根据纳米图案的形成方式，将加工技术分为三类：无掩模刻蚀、掩模刻蚀和其他微纳加工技术。这些技术的特点如表1所示。

表1. 超表面加工技术

无掩模蚀刻

无掩模刻蚀技术是指不用掩模版就能实现图案写入的技术，如图1所示。无掩模刻蚀技术可分为电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和激光刻蚀。电子束刻蚀不需要掩模版，直接利用聚焦电子束对电子束光刻胶进行曝光定义出图案，电子束刻蚀可以超高精度地写入任意图案。聚焦离子束刻蚀是一种通过直接轰击目标结构表面来写入图案的一步刻蚀方法表面必须机加工，聚焦离子束刻蚀具有精度高的特点，还可以实现自由表面形貌加工。激光刻蚀可分为激光直写刻蚀和激光干涉刻蚀。激光直写刻蚀是利用激光在光刻胶上直接写入图案，适用于高通量、大面积制造。激光干涉刻蚀引入更多的相干光束形成干涉图案，有助于实现大规模周期性阵列的制造。

图 1. 无掩模蚀刻。a. 电子束蚀刻。b. 通过电子束蚀刻制造的超表面的 SEM 图像。c. 聚焦离子束蚀刻。d. 通过聚焦离子束蚀刻制造的超表面的 SEM 图像。

掩模蚀刻

掩模刻蚀技术利用制备好的掩模版将图案转移到目标基底上，如图2所示。掩模刻蚀技术包括光刻、纳米压印刻蚀和自组装刻蚀。光刻是最常见的半导体微纳加工技术之一，通过将掩模版上的图案曝光于光刻胶上，可以实现大面积、高通量的超表面加工。纳米压印刻蚀是将带有微纳结构的压印模板压印到涂有聚合物的基底上，通过热或紫外光固化压印的聚合物，实现超表面加工。压印模板可重复使用，是一种高精度的大规模制造方法。自组装刻蚀利用悬浮液中的纳米微球作为掩模表面必须机加工，是一种低成本的周期性结构加工方法。

图 2. 掩模蚀刻。a. 光刻。b. 纳米压印蚀刻。c. 自组装蚀刻。

其他技术

其他微纳加工技术也用于超表面的制造，如图3所示，主要讨论了双光子聚合和激光烧蚀技术。双光子聚合是利用飞秒激光与光刻胶相互作用实现微纳结构制造的技术，光刻胶只在焦点处固化，可以实现三维结构的加工。激光烧蚀是直接利用飞秒激光对目标基底表面进行烧蚀或改性，也是一种适合大面积超表面加工的低成本、高通量的加工技术。

图 3. 其他加工技术。a. 双光子聚合。b. 激光烧蚀。

总结与展望

本文总结了适用于光学超表面的各种先进微纳加工技术铆焊加工，讨论了它们的特点和适用场景，综合考虑加工精度、加工面积、成本、加工时间、适用材料等，才能找到适合不同设计的最佳加工方法。

超表面在量子计算、通信、传感、激光等诸多应用场景中展现出巨大潜力，将超表面集成到集成系统中是提高设备效率、增强性能、实现小型化和商业化的重要一步。这些需求都希望微纳加工技术能够实现超表面的低成本、高通量、大面积、高精度、高重复性制造。同时，超表面微纳加工技术与半导体加工技术兼容，大大降低了超表面的加工门槛甘井子铆焊加工，促进了超表面和超光学的广泛发展。

双光子飞秒聚合设备

超级光刻3D，该设备由华中科技大学自主研发，并与上海金莱光电合作。

论文信息

冷博睿, 张耀, 蔡鼎平, 肖淑敏. 元设备：先进制造[J]. 光：先进制造 5, 5(2024). doi: 10.37188/lam.2024.005