CN103091749A - 一种高透过率光子筛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高透过率光子筛，包括：多组不同边长的透光方形微孔，每组方形微孔间隔分布在同一圆环上，各组方形微孔所在的圆环为一系列半径不同的同心圆，方形微孔的边长为其所在圆环环带宽度的0.5倍～2倍。因为聚焦光斑尺寸相同时，方孔光子筛比普通圆孔光子筛的面积要大，所以在工作光的光强一定，形成相同的聚焦光斑的时候，方孔光子筛可以透过更多的光，提高光的透过率，从而进而提高了聚焦光斑处光的强度，提升了光刻效果。

Description

一种高透过率光子筛

技术领域

本发明属于衍射光学元器件领域领域，尤其涉及一种高透过率光子筛。

背景技术

传统的光学透镜由玻璃制成，玻璃透镜的聚焦和成像是通过折射入射光实现的，所以成为折射透镜。另外有种透镜，是一种衍射光学聚焦元件，通过选择过滤入射光的波前，让过滤后的光波在空间衍射，形成聚焦，因此被成为衍射透镜，由于是根据菲涅耳衍射定理制作的，所以又称为菲涅耳波带片。

菲涅尔波带片的分辨率取决于它的最外环宽度，但是，该尺寸受到加工工艺的限制，所以菲涅耳波带片的分辨率难以进一步提高。有鉴于此，在2000年，有人提出了一种叫做光子筛衍射光学器件。

光子筛是基于菲涅尔波带片的一种新型的衍射光学器件，它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍。因此，可以放宽对加工工艺的要求，进而制作更大口径的光子筛，提高了数值孔径，从而提高成像的分辨率。此外，这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉，从而能够有效的抑制旁瓣效应和高级衍射，提高了分辨率，得到更为锐利的焦斑。而且，光子筛的重量比相同参数的菲涅尔波带片更轻，因而在高分辨率成像、亚波长光刻和显微镜等领域有着更加广阔的前景。

但是，在利用光子筛进行的光刻时，光子筛的透过率较低，聚焦光斑处的光强也就较低，光刻效果较差，如果采用较强的光进行光刻，则对于光源的要求比较高，所以如何在工作光的光强一定的时候提高聚焦光斑处的光强成了现在亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高透过率光子筛，以解决在利用光子筛进行的光刻时，工作光的光强一定，在聚焦光斑处的光强较低，光刻效果较差的问题。

该光子筛包括：

多组不同边长的透光方形微孔，每组方形微孔间隔分布在同一圆环上，各组方形微孔所在的圆环为一系列半径不同的同心圆，第m个圆环的半径r_m和环带宽度w_m满足关系式：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²，w_m＝r_m-r_m-1，m＝1、2、3...

所述λ是入射光波长，所述f是光子筛焦距；

并且分布在第m个圆环的方形微孔的边长a_m满足关系式：

a_m＝0.5wm～2wm。

优选的，所述方形微孔的对角线与其所在环带的切线平行或垂直。

优选的，所述方形微孔的边长为w_m。

优选的，所述方形微孔分布在不透光金属薄膜上。

优选的，所述不透光金属薄膜厚度大于80nm。

优选的，所述不透光金属薄膜的制作材料为铬。

优选的，所述不透光金属薄膜的制作材料为铜。

优选的，所述不透光金属薄膜镀在透光衬底上。

优选的，所述透光衬底的材料为透光材料。

优选的，所述透光材料为有机玻璃。

由上述方案可以看出，本发明所提供的高透过率光子筛选用边长为a_m＝0.5w_m～2w_m的方形微孔代替圆形微孔，因为聚焦光斑尺寸相同时，方孔光子筛比普通圆孔光子筛的面积要大，所以在工作光的光强一定，形成相同的聚焦光斑的时候，方孔光子筛可以透过更多的光，提高光的透过率，从而进而提高了聚焦光斑处光的强度，提升了光刻效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种高透过率光子筛的示意图；

图2为本发明聚焦光路实验示意图；

图3为本发明聚焦光路实验结果分析图；

图4为本发明普通圆孔光子筛(PS)和方孔光子筛(SPS)的直径(或边长)D-GDSII数据量曲线图；

图5为本发明所提供的高透过率光子筛不同的方孔取向图；

图6为本发明另一种聚焦光路实验结果分析图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，利用现有光子筛进行的光刻时，工作光的光强一定，在聚焦光斑处的光强较低，光刻效果较差的问题。

发明人经研究发现，聚焦光斑尺寸相同时，方孔光子筛比普通圆孔光子筛的面积要大，所以在形成相同的聚焦光斑的时候，方孔光子筛可以透过更多的光，提高光的透过率，进而解决工作光的光强一定时，在聚焦光斑处的光强较低，光刻效果较差的问题。

本发明公开了一种高透过率光子筛，所述高透过率光子筛包括：多组不同边长的透光方形微孔，每组方形微孔间隔分布在同一圆环上，各组方形微孔所在的圆环为一系列半径不同的同心圆，第m个圆环的半径r_m和环带宽度w_m满足关系式：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²，w_m＝r_m-r_m-1，m＝1、2、3...

所述λ是入射光波长，所述f是光子筛焦距；

并且分布在第m个圆环的方形微孔的边长a_m满足关系式：

a_m＝0.5w_m～2w_m。

由上述方案可以看出，本发明所提供的高透过率光子筛选用边长为a_m＝0.5w_m～2w_m的方形微孔代替圆形微孔，由于聚焦光斑尺寸相同时，方孔光子筛比普通圆孔光子筛的面积要大，所以在形成相同的聚焦光斑的时候，方孔光子筛可以透过更多的光，工作光的光强一定时，提高光的透过率，从而提高了聚焦光斑处光的强度，提升了光刻效果。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

本实施例公开了一种高透过率光子筛，如图1所示，图中横纵坐标所标数值为截取的光子筛尺寸，包括：

多组不同边长的透光方形微孔，每组方形微孔间隔分布在同一圆环上，各组方形微孔所在的圆环为一系列半径不同的同心圆，第m个圆环的半径r_m和环带宽度w_m满足关系式：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²，w_m＝r_m-r_m-1，m＝1、2、3...，即m为从1开始的不包括0的一系列自然数；

所述λ是入射光波长，所述f是光子筛焦距，一般焦距f是按实际情况固定下来的，所以可以通过选用的光的波长来最终确定圆环的半径r_m以及环带宽度w_m；

并且分布在第m个圆环上的方形微孔的边长a_m满足关系式：

a_m＝0.5w_m～2w_m。

具体的，所述方形微孔分布在厚度大于80nm的不透光金属薄膜上，所述不透光金属薄膜的制作材料优选为为铬、铜、金或铝。所述不透光金属薄膜镀在透光衬底上，所述透光衬底的材料为透光材料，所述透光材料优选为有机玻璃、熔融石英或普通玻璃。

发明人通过聚焦实验发现在保持的聚焦光斑相同时，方孔光子筛所需要的面积比普通圆孔光子筛大，而光路的聚焦实验为本领域技术人员熟知的实验方式。试验情况具体如下：

如图2所示，355nm激光器1发出355nm的激光，激光经过透镜2、针孔3和扩束镜4得到大面积的平行光束，之后，光束射到光子筛5上，经过光子筛5将光束聚焦到CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器上，CCD图像传感器与计算机6连接，在计算机6上可以观察到聚焦结果。

检测到的聚焦光斑如图3(a)、(b)、(c)所示，图3(a)、(b)、(c)分别是普通圆孔光子筛(PS)、方孔光子筛(SPS)以及与普通圆孔光子筛相同版图数据量的方孔光子筛(same data SPS)的聚焦结果。可以看到，前二者的聚焦光斑大小相同，直径都约为1μm，对旁瓣的抑制作用也都很明显，且亮度相近。后者的光斑明显要小很多，约为前二者的1/3，对旁瓣的抑制作用也很明显。其中，前二者的入射光强保持不变，由于方孔光子筛(SPS)的口径要大很多，因此聚焦光强也要大很多。图3(d)为相同入射光强下前二者的聚焦光斑强度分布图，纵坐标Focus intensity为聚焦光强，横坐标Focus spot为聚焦光斑的位置分布情况。可以看到普通圆孔光子筛(PS)的聚焦光强比相同口径的方孔光子筛(SPS)略小，但二者的分辨率大体相同，对旁瓣的抑制均很明显。图3(e)为三者聚焦光斑归一化光强分布图(右上角的附图为细化的聚焦光斑归一化光强分布图)，Normalalized intensity为聚焦光斑的归一化光强，Focus spot为聚焦光斑的分布情况。可以看到，与普通圆孔光子筛(PS)具有相同版图数据量的方孔光子筛(same data SPS)的分辨率有明显提高，旁瓣抑制作用也很明显。这说明，与普通圆孔光子筛(PS)具有相同数据量的方孔光子筛(samedata SPS)可以制作更大的口径，因而可以达到更高的分辨率和聚焦光强。

所以在工作光线的强度一定时，形成相同的聚焦光斑的时候，方孔光子筛可以透过更多的光，进而提高了聚焦光斑处光的强度，提升了光刻效果。

另外，图4为普通圆孔光子筛(PS)和方孔光子筛(SPS)的直径(或边长)D-数据量曲线，纵坐标GDSII data为GDSII版图的数据量，横坐标Diameter为普通圆孔光子筛(PS)和方孔光子筛(SPS)的直径(或边长)。由图中可以看出，随着D的增加，普通圆孔光子筛(PS)的GDSII版图数据量急剧增加，而方孔光子筛(SPS)的数据量增长较为平缓。D越大，方孔光子筛(SPS)相对于普通圆孔光子筛(PS)减少的数据量越多。D相同的方孔光子筛(SPS)的版图数据量比普通圆孔光子筛(PS)低85％左右。当普通圆孔光子筛(PS)的D为90mm时，版图数据量达到3.1GB，而对应的方孔光子筛(SPS)的版图数据量仅为360MB。因此，方孔光子筛(SPS)能够极大的减少版图的数据量。而对于相同的版图数据量，方孔光子筛(SPS)的直径可以达到普通圆孔光子筛(PS)的3倍。如果按照电子束光刻机目前的制造水平——版图数据量上限为1GB，则只能制造出直径为50mm的普通圆孔光子筛(PS)。对于方孔光子筛(SPS)，则其直径可以达到150mm。这大大降低了大口径光子筛的加工难度，使得光子筛应用于大口径成像领域成为可能。

实施例二：

用方形微孔代替圆形微孔可以提高聚焦光斑处的光强，但是，对于方形微孔的不同设置可以取得不同的效果，为了取得最佳效果，本实施例公开了一种最优的高透过率光子筛，本实施例所述光子筛包括：

透光石英衬底和镀在其上的不透光的金属铬薄膜，所述石英衬底的直径为10cm，在金属铬薄膜上分布有多组不同边长的透光方形微孔，每组方形微孔间隔分布在同一圆环上，方形微孔的对角线与其所在环带的切线平行或垂直，且各组方形微孔所在的圆环具有共同圆心且半径不同，其中从该圆心向外的各圆环序号m是选自1～370之间的自然数，包括1和370，且第m个圆环的中心半径r_m和环带宽度w_m满足关系式：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²，则r₃₇₀＝8.875mm，w_m＝r_m-r_m-1，则w₃₇₀＝6μm，

所述λ是入射光波长，本实施例所述λ＝355nm，所述f是光子筛焦距，本实施例所述f＝0.3m；

并且分布在第m个圆环的方形微孔的边长a_m满足关系式：

$a_m=\sqrt{2}{w}_m,$ 则 $a_{370}=6\sqrt{2}\mathrm{\μm}.$

具体的，如图5所示，方形微孔的设置方式主要包括两种：其一如图5(a)所示，方形微孔的边与其所在环带的切线平行或垂直；其二如图5(b)所示，方形微孔的对角线与其所在环带的切线平行或垂直。上述两种方式之外的方式均为上述两种方式之间的过渡，在此不做赘述。

如图5(a)所示，当方孔边长变大时，多出来的白色部分的面积比阴影部分的面积要小，而多出来的白色部分的透射光在聚焦光斑处的相位相差在0～π/2之间，在远场干涉后能够叠加增强，多出来的阴影部分的透射光在聚焦光斑处的位相差在-π/2～0之间，在远场干涉后能够叠加减弱。所以，方孔随着边长的增加，叠加减弱部分的面积增加值比叠加增强部分的面积增加值大，其远场衍射效率会随着边长的增加而下降。因此，在透过光子筛的光一定时，这种方向取向的方孔光子筛的聚焦光斑处的光强会因衍射效率的下降而下降。

如图5(b)所示，方孔随着边长的增加，多出来的白色部分比阴影部分的面积要大，所以远场干涉后叠加增强部分的面积增加值减去叠加减弱部分的面积增加值也要大，因此这种方向取向的方孔光子筛具有较大的衍射效率。但是，随着方孔边长的增大，叠加增强部分的面积增加值减去叠加减弱部分的面积增加值并不是一直增大的，因此这种方向取向的方孔光子筛具有一个最大的衍射效率。经过计算，这种方向取向的方孔随着边长的增大，叠加增强部分的面积增加率为：

${\mathrm{dS}}_{+}=2*(\sqrt{2}\mathrm{dx}*2a)=4\sqrt{2}\mathrm{adx},$

取微分后，得：

$\frac{d{S}_{+}}{\mathrm{dx}}=4\sqrt{2}a,$

叠加减弱部分的面积增加值为：

$S_{-}=2*\frac{(\sqrt{2}x-a)*2(\sqrt{2}x-a)}{2}=2*{(\sqrt{2}x-a)}^2$

取微分后，得到面积增加率为：

$\frac{{\mathrm{dS}}_{-}}{\mathrm{dx}}=8x-4\sqrt{2}a,$

其中，S+，S-分别为叠加增强和叠加减弱部分的面积，x为方孔边长值的一半，a为相应环带宽度的一半。可见，叠加增强部分的面积增加率保持不变而叠加减弱部分的面积增加率逐渐增加。当二者面积增加率相同的时候，远场的衍射效率能够取到最大值。计算得到此时即当方孔边长为环带宽度的倍时，衍射效率最大，聚焦光斑处的光强亦取最大值。

通过上述计算，得到方孔光子筛的最优化设计参数为：方孔的对角线与其所在环带的切线垂直或平行，边长为相应环带宽度的

倍。此时方孔光子筛可以取得最优的聚焦效果，其他的设置方式亦可以相对于普通的普通圆孔光子筛得到更好的聚焦效果。

为更好的证明方孔的对角线与其所在环带的切线垂直或平行，边长为相应环带宽度的

倍的参数是最优的参数，发明人采用如同实施例一所述的光路聚焦实验，得到如图6所示的曲线。

图6(a)所示为a/w＝1.414、1.065、1.5、1.59时的光强/焦斑半径的示意图，纵坐标为聚焦光斑的光强，横坐标为聚焦光斑的半径，可见，聚焦光斑半径相同时，当a/w＝1.414，即

时，聚焦光斑的强度最大；图6(b)为方孔的对角线与其所在环带的切线垂直或平行，即垂直取向，和方孔的对边与其所在环带的切线垂直或平行，即水平取向，时的光强/焦斑半径示意图，纵坐标为聚焦光斑的光强，横坐标为聚焦光斑的半径，可见，聚焦光斑半径相同时，当方孔的对角线与其所在环带的切线垂直或平行，即垂直取向时，聚焦光斑的强度最大。

实验结果与理论分析结果一起证明了方孔的对角线与其所在环带的切线垂直或平行，边长为相应环带宽度的

倍时，衍射效率最大，聚焦光斑处的光强亦取最大值。

本发明各实施例中对所述高透过率光子筛的描述各有侧重点，相关、相似之处可相互参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高透过率光子筛，其特征在于，包括：

多组不同边长的透光方形微孔，每组方形微孔间隔分布在同一圆环上，各组方形微孔所在的圆环为一系列半径不同的同心圆，第m个圆环的半径r_m和环带宽度w_m满足关系式：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²，w_m＝r_m-r_m-1，m＝1、2、3...

所述λ是入射光波长，所述f是光子筛焦距；

并且分布在第m个圆环的方形微孔的边长a_m满足关系式：

a_m＝0.5w_m～2w_m。

2.根据权利要求1所述光子筛，其特征在于，所述方形微孔的对角线与其所在环带的切线平行或垂直。

3.根据权利要求2所述光子筛，其特征在于，所述方形微孔的边长为

w_m。

4.根据权利要求1所述光子筛，其特征在于，所述方形微孔分布在不透光金属薄膜上。

5.根据权利要求4所述光子筛，其特征在于，所述不透光金属薄膜厚度大于80nm。

6.根据权利要求4所述光子筛，其特征在于，所述不透光金属薄膜的制作材料为铬。

7.根据权利要求4所述光子筛，其特征在于，所述不透光金属薄膜的制作材料为铜。

8.根据权利要求4所述光子筛，其特征在于，所述不透光金属薄膜镀在透光衬底上。

9.根据权利要求8所述光子筛，其特征在于，所述透光衬底的材料为透光材料。

10.根据权利要求9所述光子筛，其特征在于，所述透光材料为有机玻璃。

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