CN105866870B - 具有准单级聚焦特性的梯形波带片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有准单级聚焦特性的梯形波带片，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元依次相接，且波带片的径向透光率满足公式：本发明与常见的Fresnel波带片相比，既能很好地抑制高级焦点的衍射效率，又能减小其峰值强度。并且当原梯形顶边:底边＝1:5时，本发明还具有消除3n级焦点的作用，同时将5级焦点的效率抑制到1级焦点(绝对效率6.93％)的0.16％。而与Gabor波带片相比，本发明的1级焦点效率要高于Gabor波带片的聚焦效率，且相对于很多二值化的Gabor波带片来说，更加容易制作。

Description

具有准单级聚焦特性的梯形波带片

技术领域

本发明涉及衍射聚焦元件领域，具体涉及的是一种具有准单级聚焦特性的梯形波带片。

背景技术

同X光光谱诊断技术一样，X光成像技术也是激光聚变研究中的重要检测手段，是对间接驱动惯性约束聚变中氘氚靶球压缩情况进行实时诊断的最直观的方式。而在X光波段，由于材料对X光的吸收以及接近1的折射率，使得常用于聚焦成像的光学透镜不再适用。

1871年，瑞利发明了Fresnel波带片(FZP)，它由一系列明暗相间的同心圆环半波带构成，依靠衍射方法实现聚焦，常用于聚焦X光。不过，FZP低效率、多焦点的特性也大大限制其在聚焦、成像和单色器波长选择等方面的应用。为了提高波带片的衍射效率，瑞利在1888年又提出了相位型波带片的概念，理论上可以将一级衍射效率提升至原振幅型FZP的4倍。

另一方面，为了抑制高级焦点，通过将FZP透过率函数的阶跃变化换成余弦变化，即获得了Gabor波带片，只具有一对共轭焦点。然而，由于记录介质的非线性相应和其他的一些不确定性，使得制作的Gabor波带片难以企及预期效果。直到1992年，Beynon和Kirk等人提出二值化Gabor波带片的概念，只需保证透过率沿径向呈余弦变化，二值化Gabor波带片便能获得与理想Gabor波带片相同的衍射模式。

受Beynon等人的启发，香港城市理工学院的Choy和Cheng改良了二值化的Gabor波带片，并提升了其聚焦效率。就国内近几年的Gabor波带片研究，环形扇元Gabor波带片，随机点阵Gabor波带片及错位排列波带片等也是各有千秋。

现有的二值化Gabor波带片大多存在很大的扇区数及大量的细小尖角，在制作加工时，大量基元分布的随机和离散性使得电子束写入设备工作效率低，而且也不利于获得用于刻蚀的波带片版图数据。对于像随机点阵波带片这类基元离散型过高的元件的加工，还需要加上大面积衬底，而衬底会导致大量X光的吸收，不利于其应用。

综上，现有的二值化Gabor波带片不仅难以实现自支撑，而且加工制作困难，并且大都难以实现在极紫外和X射线波段的应用。

发明内容

为了克服上述问题，本发明旨在提供一种既能实现自支撑、又便于实际加工制作、同时又有较Gabor波带片效率高的一级绝对衍射效率的准单级聚焦波带片，特别是能实现波带片在极紫外和X射线波段的实际应用。

为实现上述目的，本发明基于同一发明构思下，采用了如下三种技术方案：

方案一

具有准单级聚焦特性的梯形波带片，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；单个环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元、并按照相同的朝向依次相接，且波带片的径向透光率满足公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数；r₁为波带片的第一环半径。

方案二

具有准单级聚焦特性的梯形波带片，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；单个环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元、并按照相反的朝向依次相接，且波带片的径向透光率满足下列计算公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数；r₁为波带片的第一环半径。

方案三

具有准单级聚焦特性的梯形波带片，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；所述单个环形波带由一个经等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元环绕而成，且波带片的径向透光率满足下列计算公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数；r₁为波带片的第一环半径。

本发明的设计原理在于，本发明设计的波带片可以理解为圆形的变间距梯形光栅，由一个梯形光栅变化而来，即波带片半径0～R_N(波带片最外环半径)对应原光栅横向长度，圆心角0～2π对应原光栅纵向高度(如图1所示)。经过上述坐标变换后的波带片在径向的透过率分布不再是严格的梯形透过率，原梯形的两腰不再相等，并由直线变为抛物线的部分线段(波带片周期数足够大时，波带片的径向透过率可近似看作梯形透过率)。而波带片在径向的透光率满足公式：

其中，a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为原梯形光栅的周期序数(或者波带片的波带数序数)；r₁为波带片的第一环半径。如此一来，通过改变a、b的大小便可以调节波带片对高级衍射的抑制能力，实现一定程度上的单级聚焦效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计巧妙，其有效的结构设计不仅使得波带片可以实现自支撑，而且在结合径向透光率公式设计后，每个波带内可以只排列一个梯形孔的同时，不影响波带片的衍射结果，因而既能实现连续的单一结构，又能消除内环的大量尖角，大大降低了加工制作的难度。

(2)本发明有高于Gabor波带片的一级绝对衍射效率，计算机模拟与理论推导表明，本发明准单级聚焦波带片(透射式)在高度抑制高级次焦点的同时，一级绝对衍射效率高于6.7％；

(3)本发明实用性非常强，特别是单梯形孔结构形式的波带片，更易于实际推广应用(特别是真空紫外到软X射线波段)。

(4)本发明具有很强的扩展性，通过一定的制备方式，可使本发明形成透射式梯形孔准单级聚焦波带片、X射线光刻复制波带片、反波带片、相位型梯形孔准单级聚焦波带片等各种用途的波带片，满足不同的应用需要。

附图说明

图1为本发明所述波带片的原梯形光栅(即波带片在r²—θ坐标系下)的结构示意图；

图2为本发明一种波带片的结构示意图；

图3为本发明第二种波带片的结构示意图；

图4为本发明第三种波带片的结构示意图；

图5为本发明所述多梯形孔波带片和单梯形孔波带片沿光轴上的衍射模式对比示意图；

图6为本发明所述多梯形孔波带片和单梯形孔波带片在焦平面上的衍射模式对比示意图；

图7为Fresnel波带片、Gabor波带片和本发明在光轴上的强度对比示意图；

图8为Fresnel波带片、Gabor波带片和本发明所述梯形孔波带片焦平面衍射模式对比图；

图9为本发明在不同比值时，波带片的高级焦点抑制能力示意图；

图10为利用本发明制作透射式梯形孔准单级聚焦波带片的流程图；

图11为利用本发明制作反射式波带片的流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

本发明提供了一种具有准单级聚焦特性的梯形波带片，其主要由不透光的基底和若干个环形波带构成。如图2所示，本发明其中的一种梯形波带片，其结构设计为：采用十个环形波带，所有的环形波带以基底中心为圆心由内向外依次排列，波带片的径向尺寸由内到外受Fresnel波带片的半波带半径公式限制，而波带片每个扇区的大小则取决于切向梯形的个数。单个环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元、并按照相同的朝向依次相接(即螺旋状梯形孔基元采用首—尾相接的方式形成多梯形孔结构)。

如图3所示，本发明第二种梯形波带片，其结构设计为：采用十个环形波带，所有的环形波带以基底中心为圆心由内向外依次排列，并且同样的，波带片的径向尺寸由内到外受Fresnel波带片的半波带半径公式限制，而波带片每个扇区的大小取决于切向梯形的个数。单个环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元、并按照相反的朝向依次相接(即螺旋状梯形孔基元采用首—首和尾—尾相接的方式形成多梯形孔结构)。

如图4所示，本发明第三种梯形波带片，其结构设计为：采用五个环形波带，所有的环形波带以基底中心为圆心由内向外依次排列，并且同样的，波带片的径向尺寸由内到外受Fresnel波带片的半波带半径公式限制。所述单个环形波带由一个经等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元环绕而成(即单梯形孔结构)。

上述三种梯形波带片，其径向透光率均满足下列计算公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数(也可称之为原光栅周期序数)；r₁为波带片的第一环半径。

为更好地说明本发明的准单级聚集作用，以下对本发明的波带片的衍射特性进行计算机模拟，并将数据结果与同参数的Fresnel波带片、Gabor波带片进行对比。模拟的(单)梯形孔波带片参数与本实施例步骤a所述相同，三种波带片的基本参数一致(为减少计算量，模拟环数N＝16)，选择波长10nm的平行光源照射，模拟结果参考图7和图8。图5、图6为本发明波带片采用单梯形孔结构与多梯形孔结构的衍射模式图。图9为本发明的波带片在不同顶边、底边比值时对高级焦点的抑制，可以看出，本发明的梯形孔准单级聚焦波带片在轴上可以消除3n级焦点(n为非零整数)，并且能将5级及更高级衍射抑制到1级衍射的0.16％及以下的水平。但顶边:底边＝1:5时，即C＝(b-a)/(b+a)＝2/3时，波带片并不是处于其最好的高级衍射抑制点M(详见图9)。考虑到尽可能高的1级焦点效率，因而选择M点及其左边小范围内的C值均能体现本发明的波带片的准单级聚焦特性。

除此之外，本发明还可以分别通过一定的制备方式，形成透射式梯形孔准单级聚焦波带片、X射线光刻复制波带片、反波带片、相位型梯形孔准单级聚焦波带片等各种用途的波带片，从而满足不同的应用需要，具体如下：

实例1：透射式梯形孔准单级聚焦波带片的制备

步骤如下：

a：确定波带片参数(视不同波长来确定)

软X射线波长为几纳米到几十纳米，选取波带片第一环半径R₁＝100um，波带片总环数N＝2500，则波带片直径D＝1cm，等效最外环宽度约为1um，梯形孔实际最小尺寸还需由源梯形顶边与底边的比值决定；

b：将如图4所示结构的单梯形孔波带片按照步骤a中的参数求出波带片二值化透过率分布数据，并转化为LEDIT格式文件；

c：在双面抛光的(100)晶面的硅片上镀一层金膜，然后涂上一层光刻胶，对硅片基底开孔，形成一块镂空的自支撑金薄膜；

d：利用数控聚焦电子束光刻设备，由步骤b中产生的LEDIT文件控制，将如图3所示结构的螺旋状单梯形孔图形在步骤c产生的薄膜上进行电子束曝光，然后利用显影液和定影液进行显影，得到波带片的光刻胶图形；

e：利用刻蚀溶液对显影区域的金膜进行恰当时间的化学腐蚀，在显影区形成通孔；

f：去除光刻胶，即得到适用于软X射线/极紫外波段2500环的透射式单梯形孔准单级聚焦波带片，也可将此波带片作为X射线曝光的掩模板。

图10是透射式梯形孔准单级聚焦波带片的制作流程图，与步骤c、步骤d、步骤e、步骤f相对应，并且该种透射式梯形孔准单级聚焦波带片中，所有螺旋状梯形是不透光薄膜基底上的透光通孔。

实例2：X射线光刻复制波带片的制备

步骤如下：

a：同上述实例1中的步骤c；

b：将实施例1中产生的掩模板作为曝光原图，在步骤a产生的薄膜上进行X射线曝光；

c：同上述实例1中的步骤e；

d：去除光刻胶，得到具有准单级聚焦特性的梯形波带片的复制波带片。

实例3：反波带片的制备

步骤如下：

a：通过转印的方式，采用与实例1或者实例2相同的硅片、金膜和光刻胶材料，在金膜下加一层透光的基底作为支撑，制作与实例1或者实例2相反的图形结构，即可制成透射式梯形孔准单级聚焦波带片的反波带片，反波带片的衍射模式与实例1或者实例2的衍射模式相同。

实例4：反射式梯形孔准单级聚焦波带片的制备

步骤如下：

a：同实例1中的步骤a；

b：同实例1中的步骤b；

c：同实例1中的步骤c，增加金膜的厚度；

d：同实例1中的步骤d；

e：去除显影区域的残胶，将衬底装好放进亚硫酸盐金电镀液进行电镀；

f：去除光刻胶，即得到反射式梯形孔准单级聚焦波带片。

图11是反射式波带片制作流程图，与步骤c、步骤d、步骤e、步骤f相对应。

实例5：相位型梯形孔准单级聚焦波带片的制备

步骤如下：

a：同实例1中的步骤a；

b：同实例1中的步骤b；

c：同实施例1中的步骤c，按照相位变化要求限制所镀金膜的厚度(与波长相关)；

d：同实例1中的步骤d；

e：同实例1中的步骤e；

f：去除光刻胶，即得到相位型梯形孔准单级聚焦波带片。

本发明通过合理、巧妙的设计，使得设计出来的波带片与常见的Fresnel波带片相比，既能很好地抑制高级焦点的衍射效率，又能减小其峰值强度。特别地，当原梯形顶边:底边＝1:5时，本发明所述的波带片还具有消除3n级焦点(n为正整数)的作用，同时将5级焦点的效率抑制到1级焦点(绝对效率6.93％)的0.16％。而与Gabor波带片相比，本发明所述的波带片的1级焦点效率要高于Gabor波带片的聚焦效率，且相对于很多二值化的Gabor波带片来说，更加容易制作。因此，本发明不仅很好地解决了现有技术所存在的难题，而且还具有很强的扩展性，其与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.具有准单级聚焦特性的梯形波带片，其特征在于，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；单个环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元、并按照相同的朝向依次相接，且波带片的径向透光率满足公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数；r₁为波带片的第一环半径。

2.具有准单级聚焦特性的梯形波带片，其特征在于，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；单个环形波带包括至少两个均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元、并按照相反的朝向依次相接，且波带片的径向透光率满足下列计算公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数；r₁为波带片的第一环半径。

3.具有准单级聚焦特性的梯形波带片，其特征在于，包括不透光的基底和若干个以基底为中心由内向外依次排列的环形波带；所述单个环形波带由一个经等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋状的梯形孔透光基元环绕而成，且波带片的径向透光率满足下列计算公式：

其中，l(r)为到圆心距离为r、且处于透光基元内的弧长总和；a和b分别为在r²—θ坐标系下与梯形波带片结构等价的等腰梯形孔透光基元的顶边和底边边长，以距离的平方为单位；n为波带片的波带数序数；r₁为波带片的第一环半径。