CN101470270A - 圆环型光子筛及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆环型光子筛，该圆环型光子筛是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，然后在每个普通光子筛的衍射孔处刻蚀双圆环位相环，形成有多个同心环带位相衍射单元的位相板。本发明同时公开了一种制作圆环型光子筛的方法。利用本发明，实现了光子筛聚焦衍射的主斑再压缩的光强分布，即实现了激光束远场衍射斑的主斑大小的再压缩。

Description

圆环型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压缩的圆环型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

通过各种途径对于激光衍射斑主斑进行压缩，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.，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)系统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 imagingwith a Fresnel 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 OpticalElement，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可以作进一步的压缩。

超分辨技术是一项被深入研究过的技术。超分辨技术的核心是通过改变入射光瞳的孔径透过率函数(振幅或位相调制)以实现小于爱里斑的中央衍射光斑。[参见Opt.Lett，T.R.M.Sales and G.M.Morris，22，pp.582-584，1997]。

超分辨技术关心的是中心零级谱点的尺寸大小，而对非零谱点间能量的分布比例情况并不考虑。但超分辨处理的往往是圆形孔径，因此，超分辨技术提供了有关孔径和圆环孔径光衍射的数学处理工具。超分辨技术给我们提供了描述中央主斑压缩得工具。它们是斯塔尔比(Strehl ratio)和第一零点比(first zero)。

斯塔尔比定义为主斑能量占衍射场总能量的比值，第一零点比定义为主斑与衍射第一级大之间衍射场能量的最低值之间的比率。

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圆环型光子筛及其制作方法，以实现激光束远场衍射斑的主斑大小的再压缩。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种圆环型光子筛，该圆环型光子筛是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，然后在每个普通光子筛的衍射孔处刻蚀双圆环位相环，形成有多个同心环带位相衍射单元的位相板。

上述方案中，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。

上述方案中，所述同心环带位相衍射单元相邻环带的位相值是0和π。

上述方案中，所述各环带位相板的归一化半径值分别为0.8200和1。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作圆环型光子筛的方法，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

本发明提供的圆环型光子筛，就是通过控制改变普通光子筛衍射的圆形孔径为双圆环位相型衍射单元，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更小，但是能量并不显著减少的光场分布。本发明就是将超分辨技术的圆孔衍射数学处理工具和新兴的光子筛结合起来，实现了光子筛聚焦衍射的主斑再压缩的光强分布，即实现了激光束远场衍射斑的主斑大小的再压缩，这是传统的光子筛所无法实现的。这也是传统的超分辨技术所不研究的内容。

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是本发明圆环型光子筛实施例之一的50环圆环型光子筛结构的示意图，衍射单元是双环二值位相环；

图3是圆环型光子筛的衍射单元；外环半径归一化为1，内环半径优化为r，位相分别为0，π；

图4是50圆环型光子筛的斯塔尔比和第一零点比随着衍射单元内环半径的变化图；从图中我们选出了最优化的内环半径，r＝0.8200；

图5是衍射单元内环最优化的情况下，圆环型光子筛和普通光子筛远场衍射主斑强度曲线对照图；右图是左图曲线弯曲部分的放大图；

图6是圆环型光子筛的实验检测装置；

图7是半圆环型光子筛的示意图。

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。

圆环型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更小的衍射中心衍射斑。本发明的位相板(圆环型光子筛)采用的双圆环二值位相分布结构取代普通光子筛的单园环衍射孔径。衍射单元的位置和数量与普通的光子筛一致。本发明给出了双圆环衍射位相单元的设计结构和优化参数，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用圆环型光子筛可以实现激光束远场主光斑的进一步压缩。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。

本发明提供的这种圆环型光子筛，是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，然后在每个普通光子筛的衍射孔处刻蚀双圆环位相环，形成有多个同心环带位相衍射单元的位相板。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。所述同心环带位相衍射单元相邻环带的位相值是0和π。所述各环带位相板的归一化半径值分别为0.8200和1。

图2是本发明圆环型光子筛实施例之一的50环圆环型光子筛结构的示意图，衍射单元内环带半径用r表示，各环位相用0，π表示，外环半径归一化为1。由图可见，本发明圆环型光子筛是一种在透明介质上形成普通光子筛的基础上，对原来圆形衍射孔径，改造为双圆环位相分布的位相板，同一环带内的位相值相同。如果所有圆环之间的位相只有两个值，0和π，就叫做二值位相圆环型光子筛。

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，圆环型光子筛描述参数有

1)圆环型光子筛的斯塔尔比：准直的相干光通过圆环型光子筛，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)圆环型光子筛的第一零点比：第一零点是主斑与第一衍射极大之间极小值的位置，第一零点比定义为圆环型光子筛的第一零点与普通光子筛第一零点的比值。比值为1，说明两个衍射主斑底盘大小一样。比值大于1，主斑大小膨胀，比值小于1，主斑大小压缩。

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：

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

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，fX，fY是空间频率， $f_X=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}},$ $f_Y=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\λ}}$ (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，fx fY必须满足条件 $f_X^2+f_Y^2\≤1/{\mathrm{\λ}}^2,$ 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 $f_X^2+f_Y^2>1/{\mathrm{\λ}}^2$ 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)

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

(5)

以上是普通光子筛的衍射理论。针对圆环型光子筛，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双圆环位相型衍射单元。

本发明给出了圆环型光子筛的优化参数。我们在图4中给出了斯塔尔比和第一零点比的优化曲线。最终选取的内环半径参数为表1所示。普通光子筛的斯塔尔比是0.6912。可见圆环型光子筛较大幅度的压缩了主斑大小，但是能量几乎没有损失。图5的对于远场主斑的强度模拟曲线也证明了这一点。

 

环数	归一化半径值	斯塔尔比	第一零点比
				2	0.8200，1	0.6840	0.4

表1

本发明的圆环型光子筛在实际的应用如图6所示。1是准直激光器，2是聚焦透镜，3是本发明的圆环型光子筛，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和圆环型光子筛3，在聚焦透镜2的焦平面上产生压缩的主斑衍射图。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。

因为加工线宽的限制，我们还提出了半圆环型光子筛，如图7所示，即只有靠向圆心的一半普通光子筛的衍射圆孔被双环衍射单元替代，这样可以减少加工的难度。但是效果是普通光子筛和圆环型光子筛的折衷。

实验证明加入所设计的圆环型光子筛后，确实实现了远场衍射光斑主瓣的比普通光子筛的主斑的进一步压缩。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圆环型光子筛的方法，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。

上述制造圆环型光子筛，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。圆环形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0.532μm波长，光学玻璃的折射率为1.521，因而π位相对应深度为0.511μm。利用泰勒轮廓仪来测量圆环型光子筛的深度为0。511μm。按照图6的光路示意图，布置好测量光路.激光器工作波长是532nm。然后扩束、准直。在实验中，光子筛焦距是1毫米放置圆环型光子筛，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环的圆环型光子筛为例，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；

3、按照本文所述的方法确定该普通光子筛对应的圆环型光子筛的参数；

4、制作圆环型光子筛。

表1中为归一化数据，实际中应根据需要换算出具体数据。假设激光波长是532纳米，焦距是1毫米，环数是50环。总共有1779个微孔。微孔的半径从大到小是：

22.6590，14.6578，11.6750，9.9931，8.8772，8.0625，7.4456，6.9483，6.5390，6.1945，5.8993，5.6426，5.4167，5.2160，5.0361，4.8736，4.7258，4.5908，4.4666，4.3521，4.2459，4.1476，4.0550，3.9687微米。

转化成圆环型光子筛的衍射单元内环半径是18.5804，12.0194，9.5735，8.1943，7.2793，6.6112，6.1054，5.6976，5.3620，5.0795，4.8374，4.6269，4.4417，4.2771，4.1296，3.9964，3.8752，3.7645，3.6626，3.5687，3.4816，3.4010，3.3251，3.2543微米。

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 (7)

1、一种圆环型光子筛，其特征在于，该圆环型光子筛是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，然后在每个普通光子筛的衍射孔处刻蚀双圆环位相环，形成有多个同心环带位相衍射单元的位相板。

2、根据权利要求1所述的圆环型的光子筛，其特征在于，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。

3、根据权利要求1所述的圆环型的光子筛，其特征在于，所述同心环带位相衍射单元相邻环带的位相值是0和π。

4、根据权利要求3所述的圆环型光子筛，其特征在于，所述各环带位相板的归一化半径值分别为0.8200和1。

5、一种制作圆环型光子筛的方法，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。

6、根据权利要求5所述的制作圆环型光子筛的方法，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Shipley s1818，厚度为1.8μm。

7、根据权利要求5所述的制作圆环型光子筛的方法，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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