Fabrication of metalens-structures using a spin-coatable organic hardmask

Abstract

Classical refractive lenses are widely used in optical systems, resulting in limitations in miniaturizing of these system. In this thesis, one proposed solution for this problem is presented. Metalenses, offer planar structure with a functionality of an classical refractive lens. In addition, the metastructures in these lenses can be designed to achieve completely new optical devices.

This thesis focuses on the fabrication of the metastructures used in metalenses from silicon nitride and gallium nitride. The main focus being on achieving anisotropic etching and finding out if a spin-coatable organic hardmask developed by PiBond could be used to create a simpler and faster process, while potentially reducing the less sustainable metallic hardmasks, often used in the fabrication of metalenses.

Anisotropic etching was achieved for both silicon nitride and gallium nitride, by developing the etching recipes to achieve more vertical sidewalls. For silicon nitride etching, the organic hardmask worked well, while problems were encountered with the gallium nitride etching. The chemical composition of the organic hardmask, could be incompatible with chlorine, which is used to etch gallium nitride. This incompatibility was seen as a non-uniform etching and damage to the patterned hardmask.

Klassisia refraktiivisia linssejä käytetään laajasti erilaisissa optisissa laitteissa ja elektroniikassa. Tämä on tiellä näiden laitteiden ja elektroniikan koon pienentämisessä. Tässä työssä esitellään yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan. Metalinnssit tarjoavat planaarisen rakenteen samalla toiminnallisuudella kuin klassiset linssit. Tämän lisäksi, näiden linssien metarakenne voidaan suunnitella mahdollistamaan täysinuusia optisia laitteita.

Tämä työ keskittyy metalinssien valmistukseen pii nitridistä ja gallium nitridistä. Työssä keskitytään laajimmin anistrooppisen etsauksen saavuttamiseen näille materiaaleille, sekä PiBondin kehittämän orgaanisen lujamaskin käyttöä metalinssien valmistuksessa. Tämä orgaaninen maski, voisi helpottaa ja nopeuttaa prosessointia, sekä auttaa vähentämään metallisten lujamaskien käyttöä metalinssien valmistuksessa.

Anistrooppinen etsaus onnistui sekä pii nitridillä että gallium nitridillä etsausreseptejä kehittämällä keskittyen sivuseinien vertikaalisuuden saavuttamiseen. Pii nitridiä etsatessa, orgaaninen lujamaski toimi hyvin, kun taas gallium nitridillä esiintyi ongelmia. Orgaanisen lujamaskin kemiallinen rakenne ei todennäköisesti ole yhteensopiva kloorikaasun kanssa, joka on gallium nitridin yleisinetsauskaasu. Yhteensopimattomuus näkyi kuvioidun lujamaskin epätasaisena etsauksena sekä siinä esiintyneinä vaurioina etsauksen jälkeen.