CN104199136B - 一种长焦深光子筛 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长焦深光子筛，实现光子筛较长焦深的方法。该光子筛包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，所述不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，该透光圆孔呈环带状分布，分布原则为rn 2＝2nfnλ+n2λ2，其中rn为环带半径，n为圆孔所在环带的环数，最内环为第一环，n∈{1，2，…，Max}，Max为最大环带数；fn为第n环所对应的焦距；λ为波长。其中对应rn上的透光孔的直径为其中dn为透光孔的直径；wn为环带宽度；λ为波长；fn为第n环所对应的焦距；rn为环带半径。本发明突破原有固定焦点设计的思想，在不影响分辨力的情况下，采用光子筛环形分区设计，实现多焦点部分重叠，有效增大焦深，为光子筛直写光刻的实用化奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件设计技术领域，尤其涉及一种光子筛结构，利用环形分区实现光子筛长焦深的方法。
背景技术
光子筛作为一种新型衍射光学元件，是由L Kip.等人在传统波带片的基础上提出。它是用分布在波带片环带上的一系列透光小孔代替波带片的环带，小孔的中心位于波带片透光环带中心且随机分布，其直径随相应环带宽度变化而变化。光束通过各个小孔后到达衍射焦点，它们的光程差相同或相差波长的整数倍，经衍射相干迭加，形成高分辨聚焦的焦点。此外，与传统透镜通过改变折射率分布实现聚焦不同，光子筛是衍射干涉成像，可以在非常薄的基底材料上加工实现。正是因为光子筛这种超分辨和超轻薄的特点，可替换传统聚焦透镜，实现基于光子筛的激光直写光刻。2003年，麻省理工学院(MIT)电子研究实验室(RLE)的R.Menon和D.Gil报道了使用高数值孔径的光子筛作为聚焦光学元件应用于无掩模波带片阵列光刻系统(ZPAL)。2005年中科院微电子所开展光子筛聚焦特性研究，2008年中国科学院光电技术研究所开展了大数值孔径光子筛聚焦光刻方法研究。国内外均在光子筛聚焦以及直写光刻领域开展了研究工作。
基于光子筛直写光刻中，高分辨力与长焦深将有利于直写光刻的实现，而由光刻分辨力公式可知，高分辨力必然导致有效焦深的减小，因此，在超高光刻分辨力的条件下，如何增大焦深，已成为这种光刻方法的关键问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题就在于提供一种环形分区实现光子筛长焦深的方法，在光子筛聚焦分辨力一定的情况下，获得较大焦深。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种长焦深光子筛，该光子筛为透明的玻璃基底，在该透明的玻璃基底上镀不透光金属薄膜，在不透光金属薄膜上内部有多个透光小圆孔，该透光小圆孔呈环带状分布，所述的一种环形分区实现光子筛长焦深的方法设计过程如下：
(1)该透光圆孔呈环带状分布时，分布原则为rn 2＝2nfnλ+n2λ2，其中rn为环带半径，n为圆孔所在环带的环数，最内环为第一环，n∈{1，2，…，Max}，Max为最大环带数；fn为第n环所对应的焦距；λ为波长。为，其中，；对应rn上的透光孔的直径为 其中dn为透光孔的直径；wn为环带宽度；λ为波长；fn为第n环所对应的焦距；rn为环带半径。
(2)上述方案中，Max为最大环带数，将第一环、第二环…第b环作为一组，对应的焦距f1，f2…fb连续递增，增量为△，即△＝f2-f1＝f3-f2＝…＝fb-fb-1，其中fb为第b环所对应的焦距值。
(3)上述方案中，圆孔所在环带的环数n＝1，(b+1)，(2b+1)…(mb+1)对应的焦距相等，n＝2，(b+2)，(2b+2)…(m×b+2)对应的焦距相等，n＝3，(b+3)，(2b+3)…(mb+3)对应的焦距相等，以此类推，一直到n＝b，(2b)，(3b)…(m×b)对应的焦距相等。其中b为设计的间隔环带数；m为0，1，2，3…mod(Max/b)，即间隔b个环带对应的焦距相等，其中mod表示取整运算。
与现有设计方法相比，本发明技术方案产生的有益效果为：
在不降低光子筛分辨力和提高加工难度的情况下，本设计方法，可以有效的增大焦深，为光子筛直写光刻的实施奠定基础。
附图说明
图1为本发明提供的光子筛结构的示意图；
图2为本发明提供的光子筛结构的圆孔结构示意图；
图3为本发明提供的光子筛剖视图的不同环带的聚焦示意图。
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，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的光子筛结构，包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，所述不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，该透光圆孔呈环带状分布。透光衬底的材料可以为普通玻璃或有机玻璃等透光材料，不透光金属薄膜的材料可以为金、铝或铜等不透光金属。
如图1所示，图1为本发明光子筛结构示意图，其中白色孔为透光圆孔2；黑色区域为不透光区域1，即不透光的金属铬薄膜。所述不透光的金属铬薄膜1上分布若干透光圆孔2；所述圆孔呈环带状分布。
如图2所示，光子筛透光圆孔呈环带状分布时，分布原则为rn 2＝2nfnλ+n2λ2，其中rn为环带半径，n为圆孔所在环带的环数，最内环为第一环，n∈{1，2，…，Max}，Max为最大环带数；fn为第n环所对应的焦距；λ为波长。其中，对应rn上的透光孔的直径为 其中dn为透光孔的直径；wn为环带宽度；λ为波长；fn为第n环所对应的焦距；rn为环带半径。
获得环带半径rn，透光孔的直径dn，通过确定每一透光波带上单个小孔所占的张角θn，即可得到该环带上的微孔数目K＝总角度2π/单个小孔所占的张角θn。
如图3所示，fn为第n环所对应的焦距，n是1，2，3…Max。Max为最大环带数。
将第一环、第二环…第b环作为一组，对应的焦距f1，f2…fb连续递增，增量△＝f2-f1＝f3-f2＝…＝fb-fb-1，本发明中取b＝5，即每5个环为一组。
fmb与f(m+1)b对应的焦距相等，m是1，2，3…mod(Max/b)，及间隔b个环带，对应的焦距相等，本发明中取b＝5，因此n＝1，6，11...对应的焦点重合；同理，n＝2，7，12...对应的焦点重合；n＝3，8，13...对应的焦点重合；n＝4，9，14...对应的焦点重合；n＝5，10，15...对应的焦点重合。
本发明按照以上设计进行的仿真和实验表明，合理的设计焦距增量为△，可在不影响分辨力的情况下，获得极大的增大焦深。
本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公共常识。
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，还可以做出若干的改进和润饰，这些修改也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种长焦深光子筛，其特征在于：所述的光子筛为透明的玻璃基底，在该透明的玻璃基底上镀不透光金属薄膜，在不透光金属薄膜上内部有多个透光小圆孔，该透光小圆孔呈环带状分布；该透光圆孔呈环带状分布时，分布原则为rn 2＝2nfnλ+n2λ2，其中rn为环带半径，n为圆孔所在环带的环数，最内环为第一环，n∈{1，2，…，Max}，Max为最大环带数；fn为第n环所对应的焦距；λ为波长；其中对应rn上的透光孔的直径为其中dn为透光孔的直径；wn为环带宽度；λ为波长；fn为第n环所对应的焦距；rn为环带半径。
2.根据权利要求1所述的一种长焦深光子筛，其特征在于：所述的环带对应的焦距f1，f2…fb连续递增，增量为△，即△＝f2-f1＝f3-f2＝…＝fb-fb-1，其中fb为第b环所对应的焦距值，Max为最大环带数。
3.根据权利要求1所述的一种长焦深光子筛，其特征在于：所述的圆孔所在环带的环数n＝1，(b+1)，(2b+1)…(mb+1)对应的焦距相等，n＝2，(b+2)，(2b+2)…(m×b+2)对应的焦距相等，n＝3，(b+3)，(2b+3)…(mb+3)对应的焦距相等，以此类推，一直到n＝b，(2b)，(3b)…((m+1)×b)对应的焦距相等；其中b为设计的间隔环带数；m为0，1，2，3…mod(Max/b)，即间隔b个环带对应的焦距相等，其中mod表示取整运算。
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