CN101881844A - 环带光子筛及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环带光子筛，该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。这样在波带片的奇数和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数环的刻蚀位相环带，或者偶数环的透光孔和奇数环的刻蚀位相环带。每个透光孔的大小和相应的环带宽度相同。本发明同时公开了一种制作环带光子筛的方法。利用本发明，实现了光子筛聚焦衍射光强的提高，即实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的提升。

Description

环带光子筛及其制作方法

技术领域

本发明属于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的环带光子筛及其制作方法。该种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

目前，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。因此，通过各种途径对于激光衍射斑主斑进行能量提升，并且抑制旁斑的能量是实用的课题。

对于远场衍射中央主斑宽度的压缩和峰值光强的提高是光学领域的传统课题。现有以下几种途径来实现这种效果，比如采用位相调制技术的位相版方法。位相版方法是把振幅衍射器件做成位相型衍射器件，比如位相型菲涅尔波带片。近几年发展起来的新型光学衍射器件光子筛，也可以实现更小的远场衍射光斑，同时压缩旁瓣效应。

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。用于进行位相调制的方法有多种，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(Photon Sieve，PS)，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，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)，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.首次提出了光子筛这种新型的衍射光学器件，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.，andSeemann，R.Sharper images by focusing soft X-ray with photonsieves.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。

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]

本发明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瓣的尺寸大小。

但是，由于在实际需求当中光子筛所产生的远场主瓣仍然不够小。比如在光子筛取代普通透镜应用到光刻技术中，对于更小的衍射主办的追求从来没有停止过。更小的衍射斑可以实现微电子加工工艺的更小的加工线宽，在光刻工艺中有着迫切的需求。如果能够对普通光子筛的设计结构进行改进，使得光子筛聚焦的光斑主板能量还可以作进一步的提升，同时减小衍射斑的大小，这将是一个非常有价值的光子筛的改进型器件。本发明就是这样一种新型的光子筛器件。

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。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种环带光子筛，该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。

上述方案中，所述衍射孔环带由多个相邻的衍射圆孔构成，该衍射圆孔的直径与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。

上述方案中，在所述衍射孔环带上各衍射圆孔之间的区域是不透光的，且该衍射圆孔的透光率是1。

上述方案中，所述多条同心的刻蚀圆环环带刻蚀形成于同心菲涅耳环带上，且该刻蚀圆环环带的宽度等于该菲涅耳环带的宽度。

上述方案中，所述多条同心的刻蚀圆环环带与所述衍射孔环带上的各衍射圆孔构成位相板。

上述方案中，所述刻蚀形成于同心菲涅耳环带上的刻蚀圆环环带，其奇数环或者偶数环构成位相衍射单元，刻蚀圆环环带的位相值是π，奇数环或者偶数环决定于在靠近该环带光子筛中心方向与刻蚀圆环环带相邻的衍射圆孔的位置奇偶。

上述方案中，所述多条同心的刻蚀圆环环带与所述衍射孔环带上的各衍射圆孔共同构成该位相器件的透光部分，其余部分不透光。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作环带光子筛的方法，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，包括以下步骤：

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。

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

本发明提供的环带光子筛，就是通过控制改变普通光子筛衍射的圆形孔径为圆孔加上刻蚀的位相环衍射单元，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，但是主瓣大小并不显著增加的光场分布。本发明就是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内容。

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50环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是基于10环菲涅耳波带片的环带光子筛；图中黑色为刻蚀的位相为π的衍射环，白色为透光孔，灰色为不透光的部分。

图4是50环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，环带光子筛的中心能量比是0.9698，第一零点位置在14。并且在相同的入射光情况下，环带光子筛的衍射光强峰值约是普通光子筛的2.5倍，极大地增加了衍射场的光能量。

图5是环带光子筛的实验检测装置。

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。

环带光子筛是一种新型的衍射光学位相元件，即位相板。该位相板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。本发明的位相板(环带光子筛)采用的较小的衍射圆孔和位相为π的刻蚀衍射环结构取代普通光子筛的单园衍射孔径。衍射单元的位置和数量与普通的光子筛一致。本发明给出了圆环衍射位相单元的设计结构，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用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。

本发明提供的这种环带光子筛，由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。

衍射孔环带由多个相邻的衍射圆孔构成，该衍射圆孔的直径与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。多条同心的刻蚀圆环环带刻蚀形成于同心菲涅耳环带上，且该刻蚀圆环环带的宽度等于该菲涅耳环带的宽度。多条同心的刻蚀圆环环带与所述衍射孔环带上的各衍射圆孔构成位相板。

多条同心的刻蚀圆环环带与所述衍射孔环带上的各衍射圆孔共同构成该位相器件的透光部分，其余部分不透光。在衍射孔环带上各衍射圆孔之间的区域是不透光的，且该衍射圆孔的透光率是1。刻蚀形成于同心菲涅耳环带上的刻蚀圆环环带，其奇数环或者偶数环构成位相衍射单元，刻蚀圆环环带的位相值是π，奇数环或者偶数环决定于在靠近该环带光子筛中心方向与刻蚀圆环环带相邻的衍射圆孔的位置奇偶。

本发明提供的这种环带光子筛，是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，但是光子筛的衍射孔径缩小为相应菲涅耳圆环的一倍(普通光子筛衍射孔直径是相应菲涅耳环带宽度的1.5倍)，然后在其余菲涅耳环带处刻蚀圆环位相环，形成位相型的菲涅耳波带片，该刻蚀圆环和衍射孔构成位相板。所述位相板的大小与对应的普通的光子筛相当，环带的位相分布在同一圆环内的位相值是相同的，都是π。圆孔的位相是0。

图2是本发明圆环型光子筛实施例之一的50环环带光子筛结构的示意图，刻蚀环带位相是π，图中的黑色，圆孔位相是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单元的位相只有两个值，0和π，就叫做二值位相环带光子筛。

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，环带光子筛描述参数有

1)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)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)

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

以上是普通光子筛的衍射理论。针对环带光子筛，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50环的环带光子筛。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，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。

表1

本发明的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。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。

本发明提供的这种制作环带光子筛的方法，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。

上述制造环带光子筛，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。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环带光子筛的深度为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50环的环带光子筛为例，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；但是所有圆孔的半径与相应菲涅耳波带片环带宽度相同，不再是普通光子筛的圆孔半径的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50环。总共有2673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：

52.0988，33.7020，26.8437，22.9765，20.4109，18.5493，17.119115.9758，15.0348，14.2427，13.563912.9737，12.4544，11.9929 11.5792，11.2055，10.8658，10.5553，10.2699，10.0065，9.7624，9.5353 9.3234，9.1250微米。

刻蚀位相圆环的位置再奇数环的菲涅耳波带片，分别是：0.3558-0.4357，0.5031-0.56250.6162-0.6656，0.7115-0.7547，0.7955-0.8343，0.8714-0.9070，0.9412-0.9743，1.0062-1.0372，1.0673-1.0965，1.1250-1.1528，1.1799-1.2064，1.2324-1.2578，1.2827-1.3071，1.3311-1.3547 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毫米。

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 (10)

1.一种环带光子筛，其特征在于，该环带光子筛由多条同心的衍射孔环带与多条同心的刻蚀圆环环带交替嵌套而成，且与该环带光子筛中心距离最近的是一衍射孔环带；衍射孔环带的宽度与刻蚀圆环环带的宽度分别由该环带光子筛中心向外逐渐递减，且衍射孔环带的宽度与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。

2.根据权利要求1所述的环带光子筛，其特征在于，所述衍射孔环带由多个相邻的衍射圆孔构成，该衍射圆孔的直径与在远离该环带光子筛中心方向与其相邻的刻蚀圆环环带的宽度相等。

3.根据权利要求2所述的环带光子筛，其特征在于，在所述衍射孔环带上各衍射圆孔之间的区域是不透光的，且该衍射圆孔的透光率是1。

4.根据权利要求1所述的环带光子筛，其特征在于，所述多条同心的刻蚀圆环环带刻蚀形成于同心菲涅耳环带上，且该刻蚀圆环环带的宽度等于该菲涅耳环带的宽度。

5.根据权利要求1所述的环带光子筛，其特征在于，所述多条同心的刻蚀圆环环带与所述衍射孔环带上的各衍射圆孔构成位相板。

6.根据权利要求1所述的环带光子筛，其特征在于，所述刻蚀形成于同心菲涅耳环带上的刻蚀圆环环带，其奇数环或者偶数环构成位相衍射单元，刻蚀圆环环带的位相值是π，奇数环或者偶数环决定于在靠近该环带光子筛中心方向与刻蚀圆环环带相邻的衍射圆孔的位置奇偶。

7.根据权利要求1所述的环带光子筛，其特征在于，所述多条同心的刻蚀圆环环带与所述衍射孔环带上的各衍射圆孔共同构成该位相器件的透光部分，其余部分不透光。

8.一种制作环带光子筛的方法，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。

9.根据权利要求8所述的制作环带光子筛的方法，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。

10.根据权利要求8所述的制作环带光子筛的方法，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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