CN103091839A

CN103091839A - 一种金属结构衍射光学元件及其设计方法

Info

Publication number: CN103091839A
Application number: CN2011103386382A
Authority: CN
Inventors: 谢常青; 辛将; 朱效立; 刘明
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明实施例公开了一种金属结构衍射光学元件的设计方法，该方法包括：根据入射波长λ，选择制作所述金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料；在所述金属材料上选择取样点，并根据入射波长确定所述取样点处要嵌入的金属方孔的边长，所述金属方孔的边长在0～λ内自由选取；根据所述取样点的位置及其所对应的金属方孔的边长，利用金属结构衍射光学元件表面任意点处的相位表达式以及所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系，计算所述金属方孔的深度。利用本发明所提供的金属结构衍射光学元件的设计方法，可以增强所述金属结构衍射光学元件的透射率，使其相对于传统衍射光学元件具有更高的衍射效率。

Description

一种金属结构衍射光学元件及其设计方法

技术领域

本发明涉及衍射光学元件设计制造技术领域，尤其涉及一种金属结构衍射光学元件及其设计方法。

背景技术

衍射光学元件是利用光的衍射现象对光波的波前进行调制，从而实现特定功能的光学元件的总称。这些衍射光学元件通常包括：各种光栅、波带片和光子筛等。它们在微电子光刻技术、波前整形、光通信、聚焦成像以及微细加工等领域获得了广泛的应用。例如，上述衍射光学元件中的波带片是具有自聚焦能力的衍射光学元件，目前的加工工艺可以使其分辨率达到十几纳米，因此，它可以应用到微电子光刻领域。

但是，这些传统的衍射光学元件的衍射效率较低，大大影响了它们的使用范围。

发明内容

为了解决传统衍射光学元件的衍射效率较低的问题，本发明实施例提供了一种金属结构衍射光学元件的设计方法，利用该方法制作的金属结构衍射光学元件相对于传统衍射光学元件具有更高的衍射效率。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种金属结构衍射光学元件的设计方法，该方法包括：

根据入射波长λ，选择制作所述金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料；

在所述金属材料上选择取样点，并根据入射波长确定所述取样点处要嵌入的金属方孔的边长，所述金属方孔的边长在0～λ内自由选取；

根据所述取样点的位置及其所对应的金属方孔的边长，利用金属结构衍射光学元件表面任意点处的相位表达式以及所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系，计算所述金属方孔的深度。

优选的，所述金属结构衍射光学元件表面任意点(x，y)处的相位表达式为：

其中，f为所述金属结构衍射光学元件的焦距，m为任意整数，选取合适的m值，使所述金属结构衍射光学元件表面(x，y)处的相位

处于0到2π之间。

优选的，所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系为：

其中，λ表示入射光波长，

表示所述取样点处的相位延迟，a表示所述金属方孔的边长，h表示所述金属方孔的深度。

优选的，所述取样点间要保持一定的间距，以确保所选取样点足够多且相邻取样点所对应的金属方孔彼此不发生重叠。

优选的，所述取样点在所述金属材料上的排布方式为规则排布、随机排布或非规则排布。

更优选的，所述规则排布为正方形排布，或平方点阵排布，或旋转对称排布或其他形式的规则排布。

优选的，所述基底材料为红外材料或可见光材料。

更优选的，所述红外材料为硅或锗。

更优选的，所述可见光材料为石英或玻璃。

优选的，所述金属材料为金或银。

优选的，所述金属方孔的边长为0.6～0.9倍的入射波长。

优选的，所述金属结构衍射光学元件的设计方法只适用于正入射的情况。

一种金属结构衍射光学元件，该元件包括：基底材料、位于所述基底材料上表面的金属层以及嵌入所述金属层中的金属方孔；

所述金属结构衍射光学元件是上述金属结构衍射光学元件的设计方法制作的。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案，是通过在金属材料上嵌入不同大小的金属方孔，来制作金属结构衍射光学元件：首先，根据入射波长确定所设计的金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料，然后在所述金属材料上进行取点，并根据入射波长确定所取点处要嵌入的金属方孔的边长，最后结合所述取点的位置与所对应的金属方孔的边长，利用金属结构衍射光学元件表面任意点处的相位表达式以及所述取点处的相位延迟与所述金属方孔的边长和所述金属方孔的深度之间的关系，计算出所述金属方孔的深度。这样就可以通过合理的设置所述金属方孔的边长和深度，采用在所述金属材料上嵌入大小不同的亚波长金属方孔结构，来实现所述金属材料上取样点的相位延迟，从而通过对所述金属方孔阵列透射电场的相位调制，使每个金属方孔的透射电场在所述金属结构衍射光学元件的设计焦点处相干叠加，进而增强所述金属结构衍射光学元件的透射率，使得所述金属结构衍射光学元件相对于传统衍射光学元件具有更高的衍射效率。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件上金属方孔的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的所述金属方孔深度与所述取样点处相位延迟之间的关系图；

图3为本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件的示意图，其中，灰色部分表示金属，为不透光区域，白色部分为金属方孔，为透光区域；

图4为本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件的剖视图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，传统的衍射光学元件的衍射效率较低，大大影响了它们的使用范围。发明人发现，1998年，《自然》杂志上刊登了一篇关于金属薄膜上周期性孔阵列异常光学透射现象的文章，该文章的实验结果得到了远大于传统衍射理论预测的透过率，进一步的研究表明这一现象是金属薄膜上周期性孔阵列所特有的，其物理原因是入射光激发了这种结构的表面波，与孔内的波导模式相互耦合，起了增强透射的作用。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种金属结构衍射光学元件的设计方法，该方法包括以下步骤：

在所述金属材料上选择取样点，并根据入射波长确定所述取样点要嵌入的金属方孔的边长，所述金属方孔的边长可在0～λ内自由选取；

根据所述取样点的位置与所对应的金属方孔的边长，利用金属结构衍射光学元件表面任意点处的相位表达式以及所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系，计算所述金属方孔的深度。

本发明实施例所提供的技术方案，针对单个金属方孔的结构，利用所述取点处的相位延迟与所述金属方孔的边长和所述金属方孔的深度之间的关系，通过合理的设置所述金属方孔的边长和深度，实现对所述金属方孔阵列透射电场的相位调制，使每个金属方孔的透射电场在所述金属结构衍射光学元件的设计焦点处相干叠加，从而增强了所述金属结构衍射光学元件的透射率，使得所述金属结构衍射光学元件相对于传统衍射光学元件具有更高的衍射效率。

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。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例一：

在对所述金属结构衍射光学元件进行设计时，首先需要根据入射光的波长，选择制作所述金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料。当入射光的波长在红外光范围内时，所述金属结构衍射光学元件的基底材料为红外材料，所述红外材料可选择硅或锗；当入射光的波长在可见光范围内时，所述金属结构衍射光学元件的基底材料为可见光材料，所述可见光材料可选择石英或玻璃。无论入射光的波长在红外光范围内还是可见光范围内，所述金属结构衍射光学元件的金属材料都可以选择金或银。本发明实施例中所选取的入射光的波长为220nm，所述金属结构衍射光学元件的基底材料为石英，所述金属结构衍射光学元件的金属材料为银。

在所述金属结构衍射光学元件的基底材料和金属材料选定之后，需要在所述金属材料上选取取样点，各点金属层厚度均相同。所述取样点即为所述金属材料上将要嵌入金属方孔的位置。在选取所述取样点时，所述取样点之间需要保持一定的间距，以确保所选取样点足够多且在所述取样点处嵌入金属方孔时，金属方孔和金属方孔之间不会发生重叠。所述取样点在所述金属材料上的排布方式可以为规则排布、随机排布或非规则排布，在所述取样点所对应的金属方孔不发生彼此重叠的情况下，所选取的取样点应尽可能的多。当所述取样点在所述金属材料上规则排布时，所述取样点可按正方形排布，或平方点阵排布，或旋转对称排布或其他形式的规则排布，只要金属方孔与金属方孔之间不会发生重叠即可。

在所述金属材料上的取样点确定之后，根据入射光的波长λ确定所述取样点将要嵌入的金属方孔的边长，所述金属方孔的边长可在0～λ内自由选取，为亚波长量级，其中，所述金属方孔的边长优选为0.6～0.9倍的入射波长。本发明实施例中所述金属方孔的边长选取为0.7λ，即为154nm。

所述金属结构衍射光学元件表面任意点(x，y)处的相位表达式为：

其中，f为所述金属结构衍射光学元件的焦距，由设计者根据的使用需求而定，本发明实施例中所述金属结构衍射光学元件的焦距为240μm；m为任意整数，选取合适的m值，可以使所述衍射光学元件(x，y)处的相位处于0到2π之间。此公式是一个广泛使用的公式，其推导过程可以参考微波、波导领域的相关书籍，这里不作具体推导。

当入射光正入射到所述金属材料上时，即入射角为0度时，利用上述公式即可计算出所述金属结构衍射光学元件表面所述取样点处的相位延迟。结合前面确定的所述金属结构衍射光学元件上所述金属方孔的边长a以及计算出的所述金属结构衍射光学元件表面所述取样点处的相位延迟

利用所述金属结构衍射光学元件上所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系式：

即可计算出所述金属结构衍射光学元件上所述金属方孔的深度h。如图1所示，图1为本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件上金属方孔的结构示意图。

需要说明的是，所述金属结构衍射光学元件上所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系式为一个广泛使用的公式，具体推导过程可参考相关书籍，这里不作详细描述。其中，λ表示入射光波长，

将所述金属结构衍射光学元件表面任意点(x，y)处的相位表达式和所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系式两个关系式联立，通过求解这两个关系式组成的方程组，可以获得所述金属方孔的深度与所述金属方孔所在取样点出的相位延迟之间的关系曲线，如图2所示，图中分别示出了当所述金属方孔的边长a＝0.6λ、a＝0.7λ、a＝0.8λ时，所述金属方孔的深度与所述金属方孔所在取样点处的相位延迟之间的关系曲线，其中，横轴表示所述金属方孔的深度，纵轴表示所述金属方孔所在取样点处的相位延迟。利用获得的所述金属方孔的深度与所述金属方孔所在取样点处的相位延迟之间的关系曲线，也可以计算出该取样点所对应的金属方孔的深度。从图2中可以看出，在a＝0.7λ时，所述金属方孔的深度为0λ到1.43λ之间时，可完成所对应取样点处的相位延迟从0到2π之间的调制，也就是完成一个相位调制周期。

本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件的设计方法，将对亚波长金属结构的特性研究扩展到了三维方向上，通过计算获得了相位延迟跟金属方孔深度之间的调制关系，然后通过衍射理论技术获得功能元件表面的相位分布，最后通过在所述金属材料上嵌入大小不同的亚波长金属方孔结构来实现所述金属材料上取样点的相位延迟，从而实现所述金属结构衍射光学元件上取样点相位在0到2π之间调制，使每个金属方孔的透射电场在所述金属结构衍射光学元件的设计焦点处相干叠加，增强了所述金属结构衍射光学元件的透射率，进而实现三维金属结构衍射光学元件的设计。

本发明还公开了一种金属结构衍射光学元件，该元件包括：基底材料、位于所述基底材料上表面的金属层以及嵌入所述金属层中的金属方孔；所述金属结构衍射光学元件是利用本发明实施例中所提供的金属结构衍射光学元件的设计方法制作的。

本发明实施例中所提供的金属结构衍射光学元件为口径为280μm的位相型金属结构衍射光学元件，如图3所示，其中，灰色部分表示金属，为不透光区域，白色部分为金属方孔，为透光区域。

需要说明的是，图3只是本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件的示意图，实际设计的金属结构衍射光学元件中所述金属方孔个数为几十到几万个。

参考图4，图4为本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件的剖视图，结合图3和图4可以看出本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件中各金属方孔的边长和深度不全相同，当入射光的波长为λ时，所述金属方孔的边长可在0～λ内自由选取，所述金属方孔的深度与所述金属方孔的边长有关，在0-2λ范围内。

利用本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件的设计方法制作的金属结构衍射光学元件，相对于传统衍射光学元件，具有更高的衍射效率。而且本发明所提供的金属结构衍射光学元件的设计方法在一块金属层面上即可以完成设计，设计过程简单，并且制作过程相对比较简单。

本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元件具有质量轻、易集成的优点，其最小特征尺寸为半个波长，并且与所述金属结构衍射光学元件的数值孔径无关，因此对制作精度要求也相对较低，这些特点使得它十分适合应用于极紫外光刻领域。利用本发明实施例所提供的金属结构衍射光学元进行极紫外光刻时，不仅大大提高了衍射效率，而且不需要掩膜，降低了极紫外光刻的成本。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种金属结构衍射光学元件的设计方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属结构衍射光学元件表面任意点(x，y)处的相位表达式为：

处于0到2π之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述取样点处的相位延迟、所述金属方孔的边长与所述金属方孔的深度之间的关系为：

其中，λ表示入射光波长，表示所述取样点处的相位延迟，a表示所述金属方孔的边长，h表示所述金属方孔的深度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述取样点间要保持一定的间距，以确保所选取样点足够多且相邻取样点所对应的金属方孔彼此不发生重叠。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述取样点在所述金属材料上的排布方式为规则排布、随机排布或非规则排布。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述规则排布为正方形排布，或平方点阵排布，或旋转对称排布或其他形式的规则排布。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料为红外材料或可见光材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述红外材料为硅或锗。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述可见光材料为石英或玻璃。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属材料为金或银。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属方孔的边长为0.6～0.9倍的入射波长。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属结构衍射光学元件的设计方法只适用于正入射的情况。

13.一种金属结构衍射光学元件，其特征在于，该元件包括：基底材料、位于所述基底材料上表面的金属层以及嵌入所述金属层中的金属方孔；

所述金属结构衍射光学元件是利用1～12任一项中所述的金属结构衍射光学元件的设计方法制作的。