CN101614961B - 部分环带光子筛及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种部分环带光子筛，该部分环带光子筛由在透明介质上制作而成的衍射孔和刻蚀圆环构成，所述衍射孔是在透明介质上制作形成普通光子筛时普通光子筛的衍射孔，所述刻蚀圆环是在透明介质上制作形成普通光子筛后，在形成普通光子筛衍射孔以外的菲涅耳波带片圆环的环带上刻蚀形成的圆环位相环。利用本发明，实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的再提升和主瓣尺寸压缩。

Description

部分环带光子筛及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光光束波面整形技术领域，特别是一种用于实现激光束在远场衍射光斑主斑能量提升和尺度压缩的部分环带光子筛及其制作方法。该部分环带光子筛可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中。

背景技术

通过各种途径对于激光衍射斑主斑进行能量提升和尺度压缩，并且抑制旁斑的能量是实用的课题。在光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中均需要极小的主斑宽度和极高的主斑能量。

位相调制技术是通过改变衍射光线传播截面的位相分布从而实现预期衍射光强分布的技术。用于进行调制的方法有多种，有固定位相分布的位相板，也有用光电晶体制成的可由电压控制位相分布的调制片。因为衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。

所谓光子筛，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，利用它可以对X光聚焦和成像，这是一般棱镜和玻璃材料的成像光学器件无法实现的。光子筛与传统的光学元件Fresnel波带片相比，具有高分辨率和抑制二级衍射主极大等优点，能提高成像的对比度。而且，作为新型衍射元件，它具有体积小、重量轻、易复制等优点。

光子筛可以应用于高分辨率显微镜、天文望远镜、下一代光刻，激光可控核聚变(ICF)研究等。

在2001年，Kipper et al.首次提出了一种新型的衍射光学器件：光子筛，用它来对软X射线和EUV辐射光源聚焦和成像[Kipp，L.，Skibowski，M.，Johnson，R.L.，Berndt，R.，Adelung，R.，Harm，S.，and Seemann，R.Sharperimages by focusing soft X-ray with photon sieves.Nature[J]，2001.414，184-188.]。

2003年Gil and Menon报道在“光束扫描光刻”(ZPAL)***中用光子筛替代波带片[Menon，R.，Gil，D.Barbastathis，G.，and Smith，H.I.Photon-sieve lithography[J].Opt.Soc.Am.A，2005.22(2)，342-345.]。

此后，由于光子筛本身具有的优越的性能，人们对它越来越感兴趣，并将它应用于各种新的研究领域，如环绕太阳卫星的EUV望远镜，THZ波全息术等[S.Wang and X.Zhang.Terahertz tomographic imaging with aFresnel lens[J].Opt.Photon.2002.News 13，59]。

光子筛(Photon Sieve，PS)是在菲涅耳波带环上制作大量适当分布的具有不同半径的透光微孔的衍射光学元件(Diffraction Optical Element，DOE)。

光子筛在软X射线、极紫外线的聚焦和成像上有很好的应用，可应用于高分辨率显微术、光谱学、下一代光刻等领域。用光子筛(PS)代替菲涅耳波带片Fresnel zone plate(FZP)对软X射线聚焦和成像，可以得到更高的分辨率，降低对光刻技术制作工艺的要求。但是光子筛聚焦的光斑主板能量可以作进一步的提升。

位相型菲涅耳波带片，是具有浮雕表面结构的菲涅耳波带片。浮雕的厚度在波长量级，图形应尽可能接近设计值，可以实现预期的高的衍射效率。[参见二元光学，金国潘，严瑛白，邬敏贤，第四章]

我们定义中心能量比为衍射场中央主瓣的能量除以全部衍射场的能量。它可以表征中央主瓣能量的集中度。定义第一零点为主瓣与第一旁瓣之间的能量最小值所在的位置。它的位置可以表征中央主板的尺寸大小。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种部分环带光子筛及其制作方法，以实现激光束远场衍射斑的主斑能量的再提升和主瓣尺寸压缩。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种部分环带光子筛，该部分环带光子筛由在透明介质上制作而成的衍射孔和刻蚀圆环构成，所述衍射孔是在透明介质上制作形成普通光子筛时普通光子筛的衍射孔，所述刻蚀圆环是在透明介质上制作形成普通光子筛后，在形成普通光子筛衍射孔以外的菲涅耳波带片圆环的环带上刻蚀形成的圆环位相环；其中：

该部分环带光子筛的大小与所述普通光子筛的大小相当，所述衍射孔的直径为与其邻近且远离该部分环带光子筛中心方向上环带的宽度的1.5倍，衍射孔的透光率是1；

所述刻蚀圆环是在透明介质上菲涅耳波带片圆环的奇数环或偶数环的环带上刻蚀形成的圆环位相环，环带的刻蚀位相为π；奇数环或偶数环决定于普通光子筛衍射孔的位置奇偶；环带上被衍射孔占据的部分并不刻蚀，位相仍为0；

所述衍射孔和刻蚀圆环共同构成该部分环带光子筛的透光部分，该部分环带光子筛的其余部分不透光。

上述方案中，同一环带的位相值是相同的，都是π，衍射孔的位相是0。

一种制作部分环带光子筛的方法，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，该方法包括：

利用电子束直写法制作出母版；

通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中，形成部分环带光子筛。

上述方案中，所述通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上的步骤中，所述接触曝光的复制误差小于0.5μm，所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。

上述方案中，所述将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中的步骤中，所采用的刻蚀气体为三氟甲烷CHF₃，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。

(三)有益效果

本发明提供的部分环带光子筛，是通过控制改变普通光子筛衍射的圆形孔径为衍射孔加上刻蚀圆环，使通过其的准直平行激光在远场形成中心主斑比光子筛衍射的中心主斑能量提高，同时主瓣大小减少的光场分布，进而实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的再提升和主瓣尺寸压缩。本发明将位相型菲涅耳波带片的高衍射效率和新兴的光子筛结合起来，实现了光子筛聚焦衍射的主斑能量再提高的光强分布，即实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的再提高，这是传统的光子筛所无法实现的，这也是传统的位相型菲涅耳波带片所不能实现的。

附图说明

图1是普通的50环光子筛示意图，衍射单元是圆形衍射孔径；

图2是本发明环带光子筛实施例之一的108环部分环带光子筛结构的示意图，衍射单元是衍射孔和刻蚀的环带；

图3是本发明提供的基于10环菲涅耳波带片的部分环带光子筛；图中黑色为刻蚀的位相为π的衍射环，白色为衍射孔，灰色为不透光的部分；

图4是108环部分环带光子筛的衍射光强和108环普通光子筛的衍射光强与径向距离的对比图。图中我们看到中心能量比，普通光子筛是0.9592，第一零点位置在9，部分环带光子筛的中心能量比是0.9802，第一零点位置在7。并且在相同的入射光情况下，部分环带光子筛的衍射光强峰值约是普通光子筛的8倍，极大地增加了衍射场的光能量；

图5是部分环带光子筛的实验检测装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

部分环带光子筛是一种新型的衍射光学位相元件，又称为位相板。该部分环带光子筛放置于衍射极限透镜之前或之后，对激光束远场衍射光斑各级谱光强度进行修正，实现比普通光子筛的衍射中心光斑能量更集中的衍射中心衍射斑。

本发明的部分环带光子筛采用的衍射孔和位相为π的刻蚀圆环取代普通光子筛的单圆衍射孔。衍射孔和刻蚀圆环的位置和数量大小与普通的光子筛一致。本发明给出了衍射孔和刻蚀圆环的设计结构，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用部分环带光子筛可以实现激光束远场主光斑能量的进一步提升。本发明技术可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中。

本发明提供的这种部分环带光子筛，由在透明介质上制作而成的衍射孔和刻蚀圆环构成，所述衍射孔是在透明介质上制作形成普通光子筛时普通光子筛的衍射孔，所述刻蚀圆环是在透明介质上制作形成普通光子筛后，在形成普通光子筛衍射孔以外的菲涅耳波带片圆环的环带上刻蚀形成的圆环位相环。

该部分环带光子筛的大小与所述普通光子筛的大小相当，所述衍射孔的直径为与其邻近且远离该部分环带光子筛中心方向上环带的宽度的1.5倍，衍射孔的透光率是1。

所述刻蚀圆环是在透明介质上菲涅耳波带片圆环的奇数环或偶数环的环带上刻蚀形成的圆环位相环，环带的刻蚀位相为π；奇数环或偶数环决定于普通光子筛衍射孔的位置奇偶；环带上被衍射孔占据的部分并不刻蚀，位相仍为0。

所述衍射孔和刻蚀圆环共同构成该部分环带光子筛的透光部分，该部分环带光子筛的其余部分不透光。同一环带的位相值是相同的，都是π，衍射孔的位相是0。

图2是本发明环带光子筛实施例之一的108环部分环带光子筛结构的示意图，刻蚀圆环位相是π，图中的黑色，衍射孔位相是0，图中的白色。其余灰色部分不透光。如果所有位相板上衍射孔和刻蚀圆环的位相只有两个值，0和π，就叫做二值位相部分环带光子筛。

二值位相板(binary phase-only mask)。所谓环带是指位相板的位相分布是同心圆环，部分环带光子筛描述参数有

1)部分环带光子筛的中心能量比：准直的相干光通过环带光子筛，所产生的衍射场中，主斑和总衍射场的能量比值。比值越高，说明主斑聚集的能量越多。

2)部分环带光子筛的第一零点：第一零点是主斑与第一衍射极大之间极小值的位置。值越大，说明主斑底盘越大。值越小，说明主斑底盘越小。

由衍射光学角谱的结论可知：

设在z＝0平面上引入一个无穷大的包含有光子筛结构的不透明屏，理想的平面波照在光子筛上。光子筛的透过率函数为：

$E(x,y,0)=\left\{\begin{array}{cc}1& {(x-x_{\mathrm{ij}})}^2+{(y-y_{\mathrm{ij}})}^2\≤{r_i}^2\\ 0& \mathrm{other}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在(1)中，xij，yij表示波带上微孔圆心坐标，i＝1，2......n，(n为波带片环数)j＝1，2，......m(m为相应环上的微孔数)。E(x，y，0)经过二维空间离散傅里叶变换得到入射光在衍射屏上的角谱F0(fx，fy，0)。

$E(f_x,F_Y,0)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}E(x,y,0)\exp [-j2\mathrm{\π}(f_{X}x+f_{Y}y)]\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

在(2)中，f_X，f_Y是空间频率，

(α，β是波矢

与X轴，Y轴之间的夹角)。入射光经过光子筛后沿Z方向传播。在Z＝z处，空间频率的频谱E.(fx，fy，z)为：

$E(f_X,f_Y,z)=E(f_X,f_Y,0)\exp (j2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}-f_X^2-f_Y^2}.z)---\left(3\right)$

在(3)中，f_x f_Y必须满足条件此式表明，传播一段距离的z的效应只是改变了各个角谱分量的相对相位。但是当

时，空间频率的频谱E.(fx，fy，z)为

E(f_X，f_Y，z)＝E(f_X，f_Y，0)exp(-μz)    (4)

在(4)中， $\mathrm{\μ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\left(\frac{x}{z}\right)}^2+{\left(\frac{y}{z}\right)}^2-1}.$

由于μ是一个正实数，这些波动分量因传播距离增大而迅速衰减。将(4)式做傅里叶逆变换，得到光波振幅E(x，y，z)

$E(x,y,z)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}E(f_X,f_Y,0)\exp (j2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}-f_X^2-f_Y^2}.z)\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_{X}x+f_{Y}y)\right]{\mathrm{df}}_{X}d{f}_Y---\left(5\right)$

以上是普通光子筛的衍射理论。针对部分环带光子筛，需要修改的就是每一个透过率函数。由完全透光的圆形孔径变成圆孔加上圆环位相型衍射单元。

本发明给出了部分环带光子筛的设计参数。我们在图4中给出了中心能量比和第一零点的比较曲线。我们选择了108环的普通光子筛和108环的部分环带光子筛。这样选择的原因是这两器件具有相同的最小衍射单元尺寸，即相同的最小外环半径和最小圆孔尺寸。这个尺寸受限于微电子的加工工艺的线宽。

两种位相板衍射比较为表1所示。普通光子筛的中心能量比是0.9592。由图4可知，部分环带光子筛较大幅度的提升了主斑衍射光强峰值，并且使得能量集中度有所提高，主瓣变小。

表1

本发明的部分环带光子筛在实际的应用如图5所示。1是准直激光器，2是聚焦透镜，3是本发明的部分环带光子筛，4是CCD光电探测器。从准直激光1发出的光经过聚焦透镜2和环带光子筛3，在聚焦透镜2的焦平面上产生主斑衍射图。这样的衍射主斑强度分布可以由放在聚焦透镜2的焦面上的CCD探测器4探测到并证实之。

实验证明加入所设计的部分环带光子筛后，确实实现了远场衍射光斑主瓣能量比普通光子筛的主斑能量的进一步提升，主瓣变小。这说明本发明可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀、强激光能量集中和其它需要能量聚焦到中心光斑的各种仪器中。

本发明还提供的这种制作部分环带光子筛的方法，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，具体包括以下步骤：

步骤1、利用电子束直写法制作出母版；

步骤2、通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

步骤3、利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中，形成部分环带光子筛。

上述制造部分环带光子筛，是利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术来实现的。首先，利用电子束直写法制作出母版，通过接触式光刻法，母版图案转移到了涂有光刻胶的光学玻璃上。所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8μm。接触曝光的复制误差小于0.5μm。部分环带光子筛各参数在前文中已给出。最后，利用感应耦合等离子刻蚀技术，将图案刻蚀到光学玻璃中。所采用的刻蚀气体为三氟甲烷(CHF₃)，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。对应于0.6328μm波长，光学玻璃的折射率为1.521，因而π位相对应深度为0.607μm。利用泰勒轮廓仪来测量圆环型光子筛的深度为0.607μm。按照图5的光路示意图，布置好测量光路.激光器工作波长是632.8nm。然后扩束、准直。在实验中，光子筛焦距是100毫米放置部分环带光子筛，然后在聚焦光斑处放置CCD探测器，由此可观测出衍射光斑的大小。实测数据证明了理论计算的正确性。

下面以一个108环的部分环带光子筛为例，描述其制作方法：

1、确定激光波长和光子筛焦距，环数；

2、根据工作需要确定要制作的普通光子筛；普通光子筛的圆孔半径是相应菲涅耳圆环半径的1.5倍。

3、按照本文所述的方法刻蚀其余环带的位相环。

4、制作环带光子筛。

假设激光波长是6328纳米，焦距是100毫米，环数是108环。总共有8222个微孔。假设微孔在菲涅耳波带片偶数环带，微孔的半径从大到小是(单位：微米)：

78.1482    50.5530    40.2655    34.4648    30.6163    27.8239    25.6786

23.9638    22.5522    21.3640    20.3458    19.4606    18.6817    17.9894

17.3688    16.8083    16.2987    15.8329    15.4049    15.0098    14.6436

14.3030    13.9851    13.6875    13.4081    13.1452    12.8971    12.6626

12.4404    12.2295    12.0290    11.8381    11.6559    11.4819    11.3155

11.1561    11.0033    10.8566    10.7156    10.5799    10.4493    10.3234

10.2020    10.0847    9.9714     9.8618     9.7557     9.6530     9.5535

9.4570      9.3634    9.2725     9.1842

刻蚀位相圆环的位置在奇数环的菲涅耳波带片，分别是(单位：微米)：

0.3558-0.4357    0.5031-0.5625    0.6162-0.6656    0.7115-0.7547

0.7955-0.8343    0.8714-0.9070    0.9412-0.9743    1.0062-1.0372

1.0673-1.0965    1.1250-1.1528    1.1799-1.2064    1.2324-1.2578

1.2827-1.3071    1.3311-1.3547    1.3778-1.4006    1.4230-1.4451

1.4668-1.4882    1.5093-1.5302    1.5507-1.5710    1.5910-1.6107

1.6303-1.6496    1.6686-1.6875    1.7061-1.7246    1.7428-1.7609

1.7788-1.7965    1.8140-1.8313    1.8485-1.8656    1.8825-1.8992

1.9158-1.9322    1.9485-1.9647    1.9807-1.9967    2.0124-2.0281

2.0436-2.0591    2.0744-2.0896    2.1047-2.1196    2.1345-2.1493

2.1640-2.1785    2.1930-2.2074    2.2217-2.2359    2.2500-2.2640

2.2779-2.2918    2.3055-2.3192    2.3328-2.3464    2.3598-2.3732

2.3865-2.3997    2.4128-2.4259    2.4389-2.4519    2.4647-2.4775

2.4903-2.5029    2.5156-2.5281    2.5406-2.5530    2.5654-2.5777

2.5899-2.6021

另外，环中被圆孔覆盖的部分并不刻蚀。

以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种部分环带光子筛，其特征在于，该部分环带光子筛由在透明介质上制作而成的衍射孔和刻蚀圆环构成，所述衍射孔是在透明介质上制作形成普通光子筛时普通光子筛的衍射孔，所述刻蚀圆环是在透明介质上制作形成普通光子筛后，在形成普通光子筛衍射孔以外的菲涅耳波带片圆环的环带上刻蚀形成的圆环位相环；其中：

该部分环带光子筛的大小与所述普通光子筛的大小相当，所述衍射孔的直径为与其邻近且远离该部分环带光子筛中心方向上环带的宽度的1.5倍，衍射孔的透光率是1；

所述刻蚀圆环是在透明介质上菲涅耳波带片圆环的奇数环或偶数环的环带上刻蚀形成的圆环位相环，环带的刻蚀位相为π；奇数环或偶数环决定于普通光子筛衍射孔的位置奇偶；环带上被衍射孔占据的部分并不刻蚀，位相仍为0；

所述衍射孔和刻蚀圆环共同构成该部分环带光子筛的透光部分，该部分环带光子筛的其余部分不透光。

2.根据权利要求1所述的部分环带光子筛，其特征在于，同一环带的位相值是相同的，都是π，衍射孔的位相是0。

3.一种制作权利要求1所述部分环带光子筛的方法，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，其特征在于，该方法包括：

利用电子束直写法制作出母版；

通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；

利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中，形成部分环带光子筛。

4.根据权利要求3所述的制作部分环带光子筛的方法，其特征在于，所述通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上的步骤中，所述接触曝光的复制误差小于0.5μm，所采用的光刻胶为Shipleys1818，厚度为1.8μm。

5.根据权利要求3所述的制作部分环带光子筛的方法，其特征在于，所述将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中的步骤中，所采用的刻蚀气体为三氟甲烷CHF₃，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为0.077μm/min。

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