纳米压印光刻技术推动光学超构表面规模化制造
2026-04-11 15:23:35   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光学超构表面（Metasurfaces）由亚波长尺度的二维“超构原子（meta-atoms）”构成，可实现对光波前的精准调控，从而以紧凑形态实现透镜成像、光谱/偏振成像、全息成像与增强现实（AR）等功能。为实现预期的光学功能，超构表面的制造需对高折射率材料进行纳米级图案化加工。在传统的超构表面制造工艺中，电子束光刻（EBL）常与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等薄膜沉积技术结合使用。虽然电子束光刻具有高分辨率的优势，但其逐点直写的特性存在吞吐量低、成本高昂以及难以规模化等问题。为了克服这些限制，纳米压印光刻（NIL）成为一种极具潜力的低成本、高吞吐量替代方案。然而，常规的纳米压印光刻树脂的折射率较低，限制了其直接用于光学器件，因此通常需要额外的工艺提升其折射率。

据麦姆斯咨询报道，针对光学超构表面制造领域，浦项科技大学在Optics and Photonics Research期刊上发表了题为“Nanoimprint lithography for scalable manufacturing of optical metasurfaces”的综述文章，阐述了用于超构表面制造的多种光刻技术，重点介绍了基于纳米压印光刻技术实现超构表面可扩展制造的两种策略：（1）混合材料策略（即在压印图案上沉积高折射率原子层沉积涂层）；（2）纳米颗粒掺杂树脂策略（即在压印树脂中直接掺入高折射率纳米颗粒），并探讨了纳米压印光刻技术在弥合超构表面实验室研究与大规模工业生产之间鸿沟的潜力。

传统的超构表面制造方法

超构表面的制造需要满足两个关键要素：高分辨率的图案化加工与高折射率材料的应用，传统的超构表面制造工艺主要基于电子束光刻（EBL）与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）结合实现的。

图1 传统的超构表面制造方法

传统的纳米压印光刻技术

电子束光刻虽然分辨率高，并且与高折射率材料兼容，同时适用于套刻工艺，但逐点直写的特性使其受限于吞吐量，导致成本高且加工速度慢。随着超构表面商业化需求的持续增长，纳米压印光刻成为超构表面制造的理想方案，其兼具低成本、高吞吐量以及灵活的图案化能力。根据树脂固化机制的不同，纳米压印光刻通常分为热压印（thermal NIL）和紫外压印（UV-NIL）两类。

图2 传统的纳米压印光刻工艺原理图

面向超构表面规模化制造的纳米压印光刻

尽管纳米压印光刻具备可规模化、低成本、高吞吐量等优势，但其在超构表面制造中的应用长期受到商用压印树脂低折射率（约为1.5）的限制。因此，开发高折射率树脂至关重要，因为只有具备足够的光程长度，才能实现对光相位的完全调控。以下介绍两种备受瞩目的高折射率纳米压印光刻策略——它们在超构表面制造中得到了广泛应用，且在应用过程中依然保留了纳米压印光刻工艺所固有的各项优势。

（1）混合材料策略

提升压印树脂有效折射率的第一种策略是采用混合材料，即在压印后的超构表面上涂覆一层原子层沉积（ALD）薄膜。原子层沉积可实现保形涂层并形成高折射率薄膜，从而有效地将光限制在高折射率层内，提高超构表面的有效折射率。

图3 利用压印树脂与原子层沉积薄膜构成的混合材料制备超构表面

（2）纳米颗粒掺杂树脂策略

另一种极具前景的策略是将高折射率纳米颗粒直接掺入压印树脂中。通过纳米颗粒掺杂树脂工艺，可一步成型制备超构表面，无需额外的折射率提升工序，大幅简化制备流程。

图4 利用基体树脂与纳米颗粒构成的颗粒掺杂树脂制备超构表面

（3）应用

纳米颗粒掺杂树脂的优势在于无需原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积等额外沉积工艺，即可实现高折射率材料的图案化转移。因此，仅需更换颗粒掺杂树脂溶液中的纳米颗粒材料，就能灵活调控转移材料与工作波长。例如：掺入氧化锆（ZrO₂）、氧化钛（TiO₂）与硅（Si）纳米颗粒，可以使其覆盖从紫外到可见光再到红外波段的全光谱范围。颗粒掺杂树脂的另一个显著优势是能够将超构表面转移至曲面基底上，这是传统光刻技术无法实现的。在曲面上进行图案化具有显著优势，能够为空间受限的应用（例如移动成像、AR/VR头显和可穿戴传感器）提供紧凑且轻便的光学系统。

图5 纳米颗粒掺杂树脂的广泛应用

总结

超构表面的商业化有望推动传统笨重的光学系统向紧凑型高性能器件转型，而制造技术的持续进步至关重要。将混合材料与颗粒掺杂树脂策略引入纳米压印光刻，在超构表面规模化制造中展现出重要潜力。这两种方法有效克服了商用纳米压印光刻树脂低折射率的瓶颈，同时保留了高吞吐量、低成本的固有优势，可根据具体应用需求、特征尺寸以及工作波长灵活选用。

针对超构表面规模化制造面临的高折射率材料与纳米图案化的挑战，除了上述杂化材料与颗粒掺杂树脂策略外，还可以探索将纳米压印光刻与其它光刻技术结合。例如，在介质超构表面制造中广泛应用的大马士革（Damascene）工艺可与纳米压印光刻集成。在此类工艺中，以光刻胶为介质的纳米压印光刻可以替代电子束光刻完成纳米图案化，从而实现低成本、高吞吐量的规模化制造。对这类复合方案的进一步研究，将为超构表面产业化提供新的技术路径与发展机遇。

论文信息：https://doi.org/10.55092/opr20250001

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》　

《光学MEMS产业现状-2026版》

《硅光子技术及市场-2025版》

《硅光子及集成光路（PIC）技术及市场-2026版》