CN101324759A - 光学头与光学蚀刻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学头和光学蚀刻装置。一种微型光学头，可提供次波长聚焦光点与超长景深，其包含透光基材、不透光薄膜与至少一个次波长环孔。通过同步光线穿透支撑光学头的透明基层与经过适当设计的次波长圆环孔后，能克服光束因衍射而发散的限制并有效提升穿透能量。穿透光在一段距离后会形成次波长尺寸宽度的光束并维持相当长的距离不发散。

Description

光学头与光学蚀刻装置

技术领域

本发明涉及一种光学头，且特别涉及一种微型光学头，能提供次波长的光点，且具有充足的景深，并涉及使用该光学头的光学蚀刻装置。

背景技术

将光束聚得更小一直是物理学家们追求的目标，然而当光束缩小的同时会造成景深缩短或穿透能量骤减，如此严重地限制了光学光刻及光学储存的发展。

光学透镜聚焦光点大小主要受到衍射极限的限制。由于光的波动性质具有干涉及衍射效应，在远场范围下，使用透镜聚焦的聚焦光点大小会由入射光的波长和所使用透镜的数值孔径(Numerical Aperture，NA)决定，而透镜聚焦点的景深(Depth of Focus，DOF)与焦点大小同样受波长及数值孔径影响。从理论可以得知，聚焦点光点尺寸无法小于0.61λ(λ入射光波长)。此外，当聚焦点缩小则景深也随之缩小。为了得到更小的光点，除了缩短波长外，还可以使用数值孔径大的透镜，然而数值孔径大的透镜却也使得景深变的更短，景深短则曝光刻写时环境的要求以及平台控制的精度都会因此变得更严苛。

目前已知克服衍射极限的方式是利用近场光学的原理。即利用光通过一个纳米尺度的光学孔洞后，在离开孔洞数十纳米衍射现象尚未明显发生的距离内进行曝光，可得到一个与孔洞大小相当的光点。然而当光通过比其波长还小的孔洞时，穿透率与孔洞直径和波长比值的四次方((d/λ⁴))有关。由此可知，使用近场光学的方法欲得到一次波长的孔洞，限制的一为穿透孔洞能量的强度。越小的孔洞其衍射现象越严重，当距离这个孔洞越来越远时，光点尺寸会急速扩大，所以此一次波长光点发生的距离只有距孔洞数十纳米以内，工作距离必须由精密回馈机制控制。

另外，Ebbesen等人于1998年提出的异常穿透现象。对特定波长的入射光，对银薄膜的穿透量具有异常增加的现象。发生异常穿透量的波长约大于孔洞直径十倍。这些具异常穿透的波长与孔洞阵列的周期与排列方式相关，而穿透能量强度与孔洞本身的深寛比有关。另外一个关键因素是金属薄膜的材料，但只有特定金属才具有此异常穿透现象。

除了使用金属次波长结构有机会达成缩小聚焦光点、增长景深的光束外，一种称之为贝氏光束(Bessel beam)具有光束不发散的特性，也就是理论上景深是无限大的。科学家们陆续采用不同的实验架构产生贝氏光束。例如，将激光光打在放在透镜的焦平面上的圆环掩模，会在透镜后方的区域形成贝氏光束，或者将激光光打在锥状透镜(Axicon)或全像式元件上，穿透光会在透镜后方一段区域内会产生贝氏光束等等。然而上述的方法都所使用的元件都还是传统光学元件的大小，后来虽然有人使用纳米工艺制作微米尺寸的锥状透镜，但还是采用相同的原理来产生贝氏光束。例如，有人提出将圆环掩模放在透镜焦平面上，以产生不发散的贝氏光束。但由于实施上需要外加透镜在圆环后，所以使得整个光机系统难以被微小化。此外，也有人尝试利用一个单一圆环当掩模，使其穿透光与另一道高斯光束作干涉，也可以产生贝氏光束。然而目前的方法都所使用的元件都还是传统光学元件的大小。

由于以传统透镜聚焦及近场光学的方式在应用上皆有所限制，目前需要光学头具有制造简易及适合微小化等优点，且可以产生次波长聚焦光点和超长景深的光束。

发明内容

如上所述，本发明提供一种微型光学头，其能提供次波长的光点且具有充足的景深。此光学头用于将入射光转换成次波长尺寸光束。光学头包括透光基层、不透光薄膜以及至少一次波长环孔。不透光薄膜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。透光基层则贴附于第一表面上。前述次波长环孔为形成于不透光薄膜中，由第一表面延伸至第二表面，能使由透光基层往不透光薄膜行进的入射光于不透光薄膜上产生表面等离子体波。

在一个实施例中，上述次波长环孔为圆环结构。次波长环孔的宽度可为0.05至0.95个该入射光的波长。此外，光学头更可包括至少一环沟，形成于不透光薄膜上的次波长环孔内侧，使表面等离子体波在环沟再进行耦合成光。前述次波长环孔与环沟具有共同的中心。环沟为圆环结构。光学头可还包括同步光源，用以产生入射光。

在一个实施例中，环沟的深度可为0.05至0.5个该入射光的波长。不透光薄膜的相对介电常数可为-2至-32之间，或+1.5至+16之间。不透光薄膜的厚度为0.25至2个该入射光的波长。另外，透光基层的相对介电常数可为+1.5至+16之间。

本发明更提出一种光学蚀刻装置，其包括上述光学头外，可利用上述光学头所提供的次波长尺寸光束的能量，对目标物(例如晶片)进行曝光显影。此外，光学蚀刻装置可以还包含移动平台，使光学头与光刻胶层间的相对位置产生变化。

通过上述的光学头结构，本发明可以简单的构造，产生贝氏光束，使其具有次波长焦点并且具有更长的景深。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明所绘示的微型光学头的剖面示意图。

图2是绘示图1的微型光学头的上视图。

图3绘示SAA结构的近场光学量测结果，入射光的电场偏振方向如图中箭头所示。

图4绘示SAA结构的近场光学量测结果，入射光的电场偏振方向旋转90度，如图中箭头所示。

图5绘示SAA结构的近场光学量测结果，入射光波长为442nm，中心处无表面等离子体聚焦光点。

图6绘示银-空气介面的表面等离子体传播长度。

图7绘示SAA结构的远场观测结果，其中(左)侧为次波长环孔表面的穿透光场；(右)侧为离次波长环孔表面20μm处产生聚焦光点。

图8绘示距离次波长环孔表面不同高度的远场光点大小关系图。

图9绘示距离次波长环孔表面不同高度的远场光点强度大小关系图。

图10绘示次波长环孔、穿透光角度、焦点距离(位置)与景深之间的关系示意图。

图11绘示不透明薄膜的垂直共振腔示意图。

图12绘示次波长环孔结构的波传模型示意图。

图13绘示具有环沟与次波长环孔的不透明薄膜的剖面示意图。

图14绘示不同半径的环沟对光强度的实验结果。

图15绘示不同宽度但相同深度的环沟对于散射强度与散射相位差的影响。

图16为将本发明微型光学头应用在光学蚀刻的例子。

附图标记说明

100：微型光学头    102：透光基层

103：聚焦点        104：不透光薄膜

106：次波长环孔    108：环沟

110：入射光场      112：穿透光场

DOF：景深

具体实施方式

本发明利用局限模态(localized mode)产生贝氏光束(Bessel beam)的概念为基础，提出使用次波长圆环来产生贝氏光束的微型光学头。本发明的微型光学头不仅具有制造简易及适合微小化等优点，更以实验证明次波长聚焦光点和超长景深光束的存在。

图1是依据本发明所绘示的微型光学头的剖面示意图，图2是绘示图1的微型光学头的上视图。如图1与2所示，所示，微型光学头100至少包括透光基层102与不透光薄膜104。不透光薄膜104具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，其中透光基层102贴附于第一表面上。不透光薄膜104上形成有次波长环孔106。次波长环孔106形成于该薄膜中，并且由第一表面延伸至第二表面，能使由透光基层102往不透光薄膜104行进的入射光110于不透光薄膜104上产生表面等离子体波。此外，光学头100更可以包括同步光源(未绘出)，用以产生入射光100。

在此范例中，次波长环孔106的直径为a，不透光薄膜104的厚度为b，次波长环孔106的孔道尺寸为c。此外，图1虽只例示一个次波长环孔106，但是在实际应用上可以依据所需，形成多数个次波长环孔。

如图1所示，次波长环孔106的直径a、不透光薄膜104的厚度b以及环孔的孔道尺寸c，共同决定聚焦光点103所产生最小光点的尺寸、景深DOF与聚焦光点103的位置。

透光基层102的作用为支撑不透光薄膜104，但同时又不会阻挡入射光110。不透光薄膜104的作用则为使入射光110几乎无法直接穿透不透光薄膜104，而仅能经由薄膜上的次波长环孔106通过。在特定模态下，于出口处放出能量。而次波长环孔106可对穿透光场进行调制，不透光薄膜104的材料特性可控制光在次波长孔洞中的模态，使其大部分能量能均匀分布在次波长大小的区域的中。通过调整不透光薄膜104的厚度b，使其在次波长沟道中形成特定模态，在出射面形成空间中特定的波传角度分布。上述光学头100所产生的聚焦光点103的大小约为3/4个波长，景深DOF则可达数十个波长。

接着，针对上述几个参数做说明。上述光学头100的不透光薄膜104上可以形成一个或多个次波长圆环孔106，其功用是做为次波长尺寸的光源。光学头100的每道出射光的行进方向是由不透光薄膜104的厚度b所决定，其厚度b可以0.25个入射光波长至2个入射光波长之间。不透光薄膜104的厚度b的作用主要是影响穿透光场的强度，如前所述，其功能在于阻止入射光的直接穿透。故在选择厚度b时，以能有效达成上述功能即可，具体的尺寸并未特别限制。

此外，次波长环孔106的直径a则是影响出射光的相交位置。次波长环孔106的直径a越大，则出射光相交的位置越远，但不影响指向机制的发生与否。以实验结果为例，次波长环孔106的半径(a/2)在10到30个入射光波长皆可有效产生次波长聚焦光点，但制作尺寸不以此范围为限。

次波长环孔106的直径a也会影响光学头100的聚焦位置103与景深DOF的深浅。次波长环孔106的直径a越大，则出射光相交的光点景深越深(图1中出射光交集的处)。一般而言，可以10～30个入射光波长的尺寸来进行制作，但制作尺寸不以此范围为限。

另外，光学头100的不透光薄膜104的材料，即相对介电常数，会影响次波长环孔内的模态以及能量分布。举例而言，银圆环内以HE11模态(TM与TE的混合膜态)为主，钨圆环内以TE11模态为主。例如，光学头100的不透光薄膜104的材料可以用金属材料(相对介电常数于-2至-32间的材料)或非金属材料(相对介电常数于+1.5至+16间的材料)。

此外，光学头100的次波长环孔106的宽度c可以为0.05个入射光波长至0.95个入射光波长的尺寸。

另外，光学头100的不透光薄膜104更可于其上制作圆环形表面结构，例如环沟(参考图12与13)，以进一步增加聚焦光点能量。环沟的深度须足以影响散射光的相位，深度必须介于0.05至0.5个入射光波长的尺寸。

接着，以金属银作为一个说明例，来说明本实施例的光学头的近场、远场光学特性，以及聚焦光点的相关特性。

首先，要制作此光学头，例如利用溅射机将约250nm的银膜镀(相当于前述的不透明薄膜104)在干净的玻璃基材(相当于前述的透明基层102)上，然后使用聚焦离子束(focused ion beam，FIB)在银膜镀的金属表面制作出线宽150nm、直径12μm的次波长圆环结构(subwavelength annular aperture，SAA结构)。上面的尺寸仅为方便下面说明之用，实施时并不限定在该些尺寸。以下将以银材料制作具有SAA结构的膜片称之为SAA试片。

近场光学特性

为了讨论近场光学特性，将线性偏振态波长633nm的氦氖(He-Ne)激光正向(垂直)地入射到上述制作的银SAA试片，并利用商用的近场光学显微镜进行收光模式(collection mode)的扫瞄，其结果如图3所示，可发现次波偿环孔的中心处出现光点。量测此光点干涉条纹的周期得到约307nm。在银与空气介面产生的表面等离子体波的波长，可根据下式(1)计算得到理论值612mn(其中λsp：表面等离子体波波长；λ：入射光波长；ε_m：金属的介电系数；ε_d：电介质介面的介电系数；k_sp：表面等离子体波波向量)。干涉条纹(307nm)差不多是表面等离子体波波长(612nm)的一半，由此可知上述光点是由次波长圆环激发表面等离子体波后传递到圆心处干涉所形成。

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{sp}}=\frac{2\mathrm{\π}}{k_{\mathrm{sp}}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\×{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}}=\mathrm{\λ}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m\×{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_d}}=633\left(\mathrm{nm}\right)\·\sqrt{\frac{-16\×1}{-16+1}}\≈612\left(\mathrm{nm}\right)---\left(1\right)$

由于只有TM波才能激发表面等离子体，因此改变入射光的偏振态方向理论上也会影响干涉条纹的方向。将入射光偏振态旋转90度再量测一次，量涉结果如图4所示，其中箭头方向代表入射光偏振态方向。由结果得知，当偏振态旋转90度，干涉条纹亦旋转90度，可验证出银SAA试片圆心的光点是由表面等离子体干涉所形成。

接着，将入射光源改为442nm的He-Cd激光，近场量测结果如图5所示。由图5可以清楚地知道，在此入射波长下，环孔中心并未有聚焦光点。仔细检视金属可见光波段下的材料参数并代入下面公式(2)，计算表面等离子体波的传递长度(L_sp：表面等离子体波的传递长度；k_sp，I：表面等离子体波波向量的虚部；ω：入射光频率；c：光在真空中的速度；ε_m，R：金属介电系数的实部；ε_m，I：金属介电系数的虚部；ε_d：电介质介面的介电系数)。

$L_{\mathrm{sp}}=\frac{1}{2\left(k_{\mathrm{sp},I}\right)};$ 其中 $k_{\mathrm{sp},I}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{m,R}\·{\mathrm{\ϵ}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{m,R}+{\mathrm{\ϵ}}_d}\right)}^{3/2}\·\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{m,I}}{2{\left({\mathrm{\ϵ}}_{m,R}\right)}^2}---\left(2\right)$

计算结果如图6所示，由图6可知在442nm和633nm的入射波长下，在银-空气介面表面等离子体的传递长度分别为2.3μm和21.6μm。相对于实验中所用半径为6μm的圆环，以波长442nm入射光所激发的表面等离子体波传递长度太短，能传递到环孔中心的能量太弱，故信号被隐藏在背景噪声中而无法被侦测。由此可知，选用的金属材料必须配合适当的入射光波长使得所激发出的表面等离子体波有足够的传播长度。

远场光学特性

以上的讨论显示银SAA试片对于合适的入射波长(如633nm)，在环孔表面中心会产生表面等离子体干涉的光点，可作为连接远场光和其他表面光学元件能量转换的桥梁。为了更进一步了解银SAA试片的远场特性，我们使用波长442nm激光正向地入射于SAA结构上，并移动显微镜物镜的焦平面在不同高度观察穿透光的光场分布。

如图7所示，在高度约20μm处会有聚焦光点，此光点可维持的数十μm不发散，此聚焦光束具有贝氏光束的特性。目前，产生贝氏光束的方式不外乎已知技术所述的几种方式，并无发现利用次波长环孔(本说明例为银环孔)如此简单架构即可产生贝氏光束的方式。为了进一步对此光束作定量的分析，我们用近场光学显微镜的收光模式，并控制压电平台的电压使探针在不同高度扫瞄，所得一系列图像如图8所示。

如图8所示，最小的聚焦光点为354nm，离开焦点42.6μm的距离后，光点大小仍维持1μm左右的大小。其焦点强度随z轴(垂直方向)变化整理如图9。由图9可知其景深长度的一半约有25μm左右(景深约50μm(113λ))，与使用传统透镜聚焦(高斯光束聚焦)相比较，若要达成相同的聚焦光点，必须使用数值孔径为0.75的透镜，此时其景深长度只剩下约2.26μm(5.1λ)。两者相比，可发觉银SAA试片的聚焦光点具有异常大的景深，即具有贝氏光束的特征。

接着，更进一步说明本实施例的光学头的贝氏光束产生的机制。图10绘示次波长环孔、穿透光角度、焦点距离(位置)与景深之间的关系示意图。在同一个银膜(～250nm)试片上制作三种不同直径的次波长环孔，分别为6μm、9μm、12μm。使用线性偏振态的波长442nm激光光正向地入射到所做的SAA结构，并在远场量测几个主要的参数。如图10所示，F代表能量最强的聚焦点，F₁、F₂分别代表聚焦点能量一半处的位置，景深DOF则是F₁、F₂之间距，θ₁、θ、θ₂分别为F₁、F、F₂所对应的出射角度。实验结果整理如表1。从整理的结果可发现聚焦光点大约与入射波长相等，焦点位置(F)与次波长环孔106的直径(D)成正比。此外，对于相同膜厚的银SAA试片，改变三种不同次波长环孔106的直径，其出射角度(θ₁、θ、θ₂)彼此间都很接近。

上述出射角度一致性以图1 1的模型来解释指向性的概念。图11绘示次波长环孔结构的波传模型示意图。由于次波长环孔中可激发柱状表面等离子体波(cylindrical surface plasmon，CSP)，当次波长环孔106中传递的表面等离子体波满足k_zL＝mπ时，在次波长环孔1 06的沟道的有限长度L(即图1中的不透光薄膜厚度b)中可形成稳定的模态(CSP mode)，而波导中特定的模态对应的是空间中特定的波传角度，在我们的实验中k_z＝mπ/L＝mπ/0.25(μm)＝12.56m(μm^-1)，而出射光在空气中传递，故出射光波向量k＝2πn/λ＝14.22(μm^-1)，由以上可知出射角度θ＝sin^-1(k_z/k)，如果考虑m＝1的模态(fundamental mode)，则时此出射角计算可得为62度。与表1的实验结果(63～66度)相比较可发现具有不错的一致性。

银SAA试片的所以可以产生贝氏光束的特性，主要是因为银SAA试片中，环孔的对称性加上环孔本身产生的局限模态(localized mode)，造成环孔的出射光可产生圆锥状的波向量，而圆锥状的波向量即为产生贝氏光束的必要条件。

表一

直径(μm)	聚焦点大小(FWHM)(nm)	焦长(μm)	F1(μm)	F2(μm)	发射角度(θ，°)	θ1(°)	θ2(°)	Δθ	DOF(F2-F1)(μm)
										6	474	6	3	17	63.43	45.00	79.99	34.99	14
9	426	10	5	26	65.77	48.01	80.18	32.17	21
										12	466	14	6	37	66.80	45.00	80.79	35.79	31

图12绘示图1的光学头结构的一种变化例示意图。图11绘示具有环沟与次波长环孔的不透明薄膜的剖面示意图。图12所示的结构与图1所示的结构的差异点在于次波长环孔106之内侧更形成环沟108(以虚线表示凹沟)。图12仅绘出差异构件部分，部分相同的结构则省略。图12所示的光学头结构可以将聚焦光点进一步增强能量。由先前讨论可以知道，当光通过环孔结构106时，出射光会有类似贝氏光束的现象，使得出射光在远场有次波长的聚焦光点大小，并且保持一个很长的景深。

图12所示为一种名为RCG(Ring containing Circular Groove)的纳米金属结构，可以使得入射光通过单一环孔106时，在金属表面上产生传递的表面等离子体，并且通过表面的环沟108再次将表面等离子体耦合变成光，散射到远场中，以增加其出射能量。在此，次波长环孔106的半径为R，环沟108的半径为r。

如图12所示，当入射光穿越过次波长环孔106后，可分为两部份。一部分为直接穿透在远场的光，另一部份则是在金属表面上传递的表面等离子体SP。假若我们制作一个圆环沟槽在圆环挟缝附近，则可以使得原先的表面等离子体散射至远场，增加其聚焦能量。

根据下面所示的公式(3)，其表示环沟108的散射光与直接穿透光相加结果的表示式。在RCG结构中，就是利用表面等离子体散射光与环孔106的直接穿透光的干涉情形来进行设计的。其中，Lsp为表面等离子体的在金属表面上的传播长度。Δ₁和Δ₃代表环孔106直接穿透光以及表面等离子体散射光在空间中传递所造成的相位变化，各别为

和

Δ₂代表表面等离子体在金属表面传播的相位差，为。其中，λsp为入射光在金属表面所传递的波长。而Δ_g和β代表表面等离子体被沟槽散射所产生的相位差以及散射强度。由于光穿透次波长环孔106后在金属表面传播的表面等离子体为圆柱波形式，所以在公式(3)中引入圆柱波传递时递减的形式为

其中x为传播长度。

在公式(4)中，将单一次波长环孔106的出射光能量对于RCG结构出射能量规一化的结果。从公式(4)可以发现随着环沟108的半径r改变时，RCG出射能量会被调制。假设若能适当的调整环沟108的尺寸，使得两道光的干涉为相长干涉，就可以使得RCG结构的出射光达到最大的能量。在Δ_g方面，可以将环沟108视为一个垂直共振腔。如图13所示，当表面等离子体传递到沟槽时，环沟108的深度为h，而环沟108为一种垂直共振腔。所以光被散射后，所得到的相位差为2πh/λ_sp。

$E_0=E_{\mathrm{ring}}+E_{\mathrm{scattering}}$

$=2\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{E}_{\mathrm{slit}}f\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Re}}^{-i{\mathrm{\Δ}}_1}\mathrm{d\θ}+2\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\±\frac{\mathrm{\β}}{\sqrt{|R-r|}}{E}_{\mathrm{slit}}f\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-i({\mathrm{\Δ}}_2+{\mathrm{\Δ}}_1\±{\mathrm{\Δ}}_g)}{e}^{-\frac{|R-r|}{2L_{\mathrm{sp}}}}\mathrm{rd\θ}---\left(3\right)$

$\frac{I_0}{I_{\mathrm{ring}}}=\frac{{\left|E_0\right|}^2}{{\left|E_{\mathrm{ring}}\right|}^2}=(1\±\frac{2\mathrm{\β}{e}^{-\frac{|R-r|}{2L_{\mathrm{sp}}}}\mathrm{Cos}(-{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{\Δ}}_2\±{\mathrm{\Δ}}_g+{\mathrm{\Δ}}_3)}{\sqrt{|R-r|}}\frac{r}{R}+\frac{{\mathrm{\β}}^2{e}^{-\frac{|R-r|}{L_{\mathrm{sp}}}}}{|R-r|}\frac{r^2}{R^2})---\left(4\right)$

为了更了解实际中干涉的情形，利用聚焦离子束在金属表面上制作RCG结构，并且利用波长532nm的激光作为光源。在实验中，制作四种不同宽度但具有相同深度的环沟，碧且观察其散射光与直接穿透光的干涉情形。图14为实验结果与公式(4)的比较，可以发现随着环沟108的半径r的改变，散射光与直接穿透光会有干涉情形。由实验时是在某一固定点去接收RCG结构所出射的光，所以在图14中可看出出射能量有被调制的现象。另外一方面，也可以看出随着环沟108的半径r的改变，RCG结构的聚焦长度也会跟着改变。另外，从图14可以看出，出射能量与单一次波长环孔比较，约可以增加20％-30％的出射能量。

另外，图15绘示出不同宽度但相同深度的环沟对于散射强度与散射相位差的影响。在散射相位差方面，利用波长532nm的激光，波长532nm的入射光激发出在空气与金属介面上的表面等离子体波长为505nm。所制作的环沟深度为55nm。因此，得到的散射相位差约为0.21π与实验结果相去不远。并且环沟的宽度对于散射相位没有太大的影响。因此，可以通过控制环沟的深度h，来改变其相位差。就可以调制RCG结构的出射能量。

接着，说明本发明的应用例。本发明的微型光学头可以应用的范围极为广泛，举凡需要精确对焦或超长景深者均适用。下面举出一个说明范例，但应用方面绝非只限制于下面的范例。

在上述实施例的说明中，为了说明方便，均以单一次波长环孔与单一环沟的结构来说明。但是，在实际的应用上，可以根据上述的理论说明，做最佳的修改。亦即，次波长环孔与环沟的数目并未做特别的限制，其可以依据实际状况，做最适当的调整与搭配。

图16为将本发明微型光学头应用在光学蚀刻的例子，其可提供波长等级的光点大小且具有超长景深的聚焦光点。如图16所示，入射光经过光学头(包含透光基层102与不透光薄膜104)，通过此光学头提供次波长等级大小且具有超长景深的聚焦光点103，聚焦至光刻胶30进行曝光。由此，便可定义出高深宽比的图形。202为欲转移图形的晶片，利用光学头刻写于光刻胶204上的图形可以干蚀刻等方式转移到晶片202上。200是移动平台，使其上的晶片202与光学头产生相对位置而定义出所需图形。

举例来说，光学头可以应用于光学光刻、光学储存、光钳远距离操控微纳米粒子及高深宽比结构的制作等，但不在此限。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (25)

1.一种光学头，用于将入射光转换成次波长尺寸光束，该光学头包括：

透光基层；

不透光薄膜，具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，其中该透光基层贴附于该第一表面上；以及

至少一次波长环孔，形成于该不透光薄膜中，由该第一表面延伸至该第二表面，能使由该透光基层往该不透光薄膜行进的该入射光在该不透光薄膜上产生表面等离子体波。

2.如权利要求1所述的光学头，其中该次波长环孔为圆环结构。

3.如权利要求2所述的光学头，其中该次波长环孔的宽度为0.05至0.95个该入射光的波长。

4.如权利要求1所述的光学头，还包括至少一环沟，形成于该不透光薄膜上的该次波长环孔内侧，使该表面等离子体波在该环沟再进行耦合成光。

5.如权利要求4所述的光学头，其中该次波长环孔与该环沟具有共同的中心。

6.如权利要求4所述的光学头，其中该环沟为圆环结构。

7.如权利要求4所述的光学头，其中该环沟的深度为0.05至0.5个该入射光的波长。

8.如权利要求1所述的光学头，其中该不透光薄膜的相对介电常数为-2至-32之间。

9.如权利要求1所述的光学头，其中该不透光薄膜的相对介电常数为+1.5至+16之间。

10.如权利要求1所述的光学头，其中该透光基层的相对介电常数为+1.5至+16之间。

11.如权利要求1所述的光学头，其中该不透光薄膜的厚度为0.25至2个该入射光的波长。

12.如权利要求1所述的光学头，还包括同步光源，用以产生该入射光。

13.一种光学蚀刻装置，至少包括：

光学头，用于将入射光转换成次波长尺寸光束，并且利用该次波长尺寸光束的能量，对目标物进行曝光显影，该光学头还包括：

透光基层；

不透光薄膜，具有第一表面和与该第一表面相对的第二表面，其中该透光基层贴附于该第一表面上；以及

至少一次波长环孔，形成于该不透光薄膜中，由该第一表面延伸至该第二表面，能使由该透光基层往该不透光薄膜行进的该入射光在该不透光薄膜上产生表面等离子体波。

14.如权利要求1所述的光学蚀刻装置，还包含移动平台，使该光学头与该光刻胶层间的相对位置产生变化。

15.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，其中该次波长环孔为圆环结构。

16.如权利要求15所述的光学蚀刻装置，其中该次波长环孔的宽度为0.05至0.95个该入射光的波长。

17.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，还包括至少一环沟，形成于该不透光薄膜上的该次波长环孔内侧，使该表面等离子体波在该环沟再进行耦合成光。

18.如权利要求17所述的光学蚀刻装置，其中该次波长环孔与该环沟具有共同的中心。

19.如权利要求17所述的光学蚀刻装置，其中该环沟为圆环结构。

20.如权利要求17所述的光学蚀刻装置，其中该环沟的深度为0.05至0.5个该入射光的波长。

21.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，其中该不透光薄膜的相对介电常数为-2至-32之间。

22.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，其中该不透光薄膜的相对介电常数为+1.5至+16之间。

23.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，其中该透光基层的相对介电常数为+1.5至+16之间。

24.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，其中该不透光薄膜的厚度为0.25至2个该入射光的波长。

25.如权利要求13所述的光学蚀刻装置，还包括同步光源，用以产生该入射光。

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