CN202102135U - 一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，包括晶体材料和中间介质其特征在于：所述的晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，包括两块尺寸、形状构造以及光轴方向均相同的直角梯形棱镜或者直角三角形棱镜，将两块晶体棱镜沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成一个长方体；所述中间介质为胶合剂或空气隙等，设于两晶体斜面之间；所述棱镜切角α及中间介质的其折射率满足条件：o光在胶层界面处产生全反射，e光不发生全反射，并且中间介质胶层在紫外波段具有很高的透过率。本实用新型的偏振棱镜的透过率＞90％；具有高消光比，可达十万分之五；具有大的接收角，接收角＞30°。
Description
技术领域
本实用新型涉及偏振棱镜领域，尤其涉及一种工作波长在180～3500nm的深紫外、可见、近红外偏振棱镜。
背景技术
在目前高端集成电路芯片的制作过程中，其紫外光刻设备所采用的主光源为193nm的ArF准分子激光器。偏振棱镜作为一种重要的偏振元器件在光刻过程中有重要作用。
目前的偏振棱镜一般采用双折射晶体制作。常用的双折射晶体材料主要有方解石CaCO3晶体，金红石TiO2晶体，YVO4晶体，LiNbO3晶体，α-BBO晶体及Ca3(BO3)2晶体等。其中CaCO3晶体，TiO2晶体，YVO4晶体及LiNbO3晶体等由于在紫外区透过率低，不能用于制作紫外偏振棱镜。CaCO3晶体价格高且不易获得大尺寸晶体，TiO2亦存在价格昂贵的问题。α-BBO晶体的短波截止波长为190nm，但在波长190～200nm间晶体的透过率较低，在193nm处的透过率仅为50％左右。因此利用α-BBO晶体制作的偏振棱镜在190～200nm区间没有实用价值。
Ca3(BO3)2晶体是一种新型的双折射晶体，其在波长180nm～3500nm区间有较高透过率，且在193nm处的透过率可达90％以上，并具有大的双折射值，达0.138。Ca3(BO3)2晶体可采用提拉法进行生长，易获得大尺寸、价格便宜的晶体。因此本实用新型采用Ca3(BO3)2晶体制作深紫外、可见、近红外偏振棱镜，尤其是制作180～200nm波长的偏振棱镜，其可用于193nm的光刻技术工艺中。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可用于180～3500nm波长的偏振棱镜，尤其是180～200nm波长的偏振棱镜，其可用于193nm激光光刻技术中。
为达到上述目的，本实用新型所提出的技术方案为：一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，包括晶体材料和中间介质其特征在于：所述的晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，包括两块尺寸、形状构造以及光轴方向均相同的直角梯形棱镜或者直角三角形棱镜，所述棱镜切角α为65°-85°，将两块晶体棱镜沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成一个长方体；所述中间介质为胶合剂，设于两晶体斜面之间，其折射率为1.78-1.96。
进一步的，所述中间介质也可以为空气隙，处于两晶体斜面之间，即两块晶体材料直接接触，并留有空气隙；相应的，所述棱镜切角α为30.6°-34.3°。或者，所述中间介质为光胶膜和增透膜，先后镀于其中一块晶体材料的斜面上，二者的折射率与该晶体材料的e光折射率相同或相近；相应的，所述棱镜切角α为30.6°-34.3°，两块晶体沿斜面以旋转对称方式，通过光胶或深化光胶方式结合为一体。
进一步的，其中一块晶体材料采用光学玻璃或者各向同性晶体代替。
进一步的，所述的两块晶体材料形状为等腰梯形棱镜或平行四边形棱镜，或三角形棱镜，沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成梯形或平行六面体。
进一步的，所述偏振棱镜为格兰棱镜或者尼科尔棱镜，相对应于尼科尔棱镜，其胶合剂的折射率为1.35-1.60。
进一步的，所述偏振棱镜也可以为偏振分束棱镜；相对应的，所述两块晶体材料光轴方向相互垂直，其切角
两块晶体间可以采用胶合剂粘合，胶的折射率为1.35-1.60。两块晶体间也可以是光学接触(光胶结合)。
进一步的，所述偏振棱镜还可以为福斯纳棱镜，相对应的，包括两块各向同性材料制成的棱镜和一晶体材料波片，其特征在于：所述晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，该晶体的光轴垂直或平行于其切割面；所述各向同性材料制成的棱镜其折射率与晶体材料的o光折射率相同或相近；所述棱镜为两块尺寸及形状构造均相同的直角棱镜，其切角为15-45°范围。所述晶体材料波片厚度为毫米量级或厘米量级；所述各向同性材料如玻璃等。
本实用新型的有益效果：充分利用Ca3(BO3)2晶体在180～3500nm波长的高透过率的优点，实现再180～3500nm波长范围内使o光(正常光，大折射率)在胶合界面的入射角大于全反射角而产生全反射，同时使e光(非常光，小折射率)在胶合界面的入射角小于全反射角而能透过胶层，这样从出射端射出来的e光即为偏振光。本实用新型的偏振棱镜的透过率＞90％；具有高消光比，可达十万分之五；具有大的接收角，接收角＞30°。
附图说明
图1为本实用新型格兰棱镜实施例一示意图；
图2为本实用新型格兰棱镜实施例二示意图；
图3为本实用新型格兰棱镜实施例三示意图；
图4为本实用新型格兰棱镜实施例四示意图；
图5为本实用新型尼科尔棱镜实施例示意图；
图6为本实用新型偏振分束棱镜实施例示意图；
图7为本实用新型福斯纳棱镜实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步说明。
如图1(a)、(b)所示，本实用新型的格兰型偏振棱镜包括两块晶体材料101、102(或104，105)和中间介质胶合剂103，所述的两块晶体材料均为Ca3(BO3)2晶体，两块Ca3(BO3)2晶体的尺寸、形状构造以及光轴方向均相同，均为直角梯形棱镜101，102或直角三角形棱镜104，105，其切角α为65-85°，将两块晶体材料沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成一个矩形。在两个Ca3(BO3)2晶体的斜面之间设有中间介质胶合剂103，所述胶合剂的折射率为1.78-1.96，在紫外波段具有很高的透过率。直角梯形棱镜或直角三角形棱镜的切角α满足条件：o光在胶层界面处产生全反射，e光不发生全反射。
如图2(a)所示，本实用新型的格兰型偏振棱镜由晶体材料201和202组成，所述的晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，是尺寸、形状构造以及光轴方向均相同，且切角为30.6-34.3°的直角三角形棱镜，将两块晶体材料沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成一个矩形，两块晶体材料直接接触，并留有空气隙203。直角三角形棱镜的切角满足条件：o光在胶层界面处产生全反射，e光不发生全反射。如图2(b)所示，还可以在其中一块晶体材料201的光学斜面上镀光胶膜S1和所应用波段的增透膜S2，光胶膜S1和增透膜S2的折射率与Ca3(BO3)2晶体的e光折射率相同或相近。两块晶体沿斜面以旋转对称方式，通过光胶或深化光胶方式结为一体。通过全内反射分开o光与e光，从而获得偏振光。直角三角形棱镜的切角满足条件：o光在胶层界面处产生全反射，e光不发生全反射。
本实用新型还可以采用如图3的棱镜结构，包括一各向同性光学玻璃302，光胶膜、增透膜或胶合剂或空气隙等中间介质303，以及Ca3(BO3)2晶体材料301，其光轴垂直于纸面及主截面平行于切割面。其中光学玻璃302的折射率为n1，中间介质303的折射率为n，Ca3(BO3)2晶体材料301折射率为no和ne。由于no＞ne，n1≈n≈ne，此时o光在膜层界面发生全发射。晶体材料301的切角α为30.6-34.3°，满足条件：o光在胶层界面处产生全反射，e光不发生全反射。
本实用新型的格兰型偏振棱镜晶体材料的形状也可以根据消反射光，分光等各种实际应用需求，将其加工成各种形状，如图4(a)的等腰梯形棱镜，图4(b)的平行四边形棱镜等结构。
如图5(a)所示，本实用新型的尼科尔偏振棱镜包括两块晶体材料501、502和胶层503，504为晶体光轴方向。所述的晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，所述的两块Ca3(BO3)2晶体的尺寸、形状构造以及光轴方向均相同，晶体的切割角度为20-90°范围，晶体光轴与切割面的夹角为0＜γ＜90°，将两块晶体材料沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成一个平行四边形体。在两块Ca3(BO3)2晶体501，502的斜面之间设有胶层503，其折射率为1.35-1.60，在紫外波段有很高的透过率。还可以采用空气间隔代替胶层503，即两块Ca3(BO3)2晶体材料501，502沿斜面以旋转对称方式耦合，二者直接接触，其中间留有空气隙。还可以如图5(b)所示的方形端面尼科尔型棱镜，包括两块等腰直角三角形棱镜505，506，均为Ca3(BO3)2晶体材料，还包括一中间介质层507，可以为光胶膜、增透膜或胶合剂或空气隙等，508为其光轴方向。
图6(a)、(b)、(c)分别为本实用新型的偏振分束棱镜，均采用两块Ca3(BO3)2晶体材料601、602和胶层603组成，604和605表示光轴方向。两块晶体材料的尺寸、形状构造均相同，但光轴方向相互垂直。S为其切割角，满足公式：
其中δ为o光和e光的偏向角，此公式只对光在棱镜镜面上正入射时成立。两块晶体间可以采用胶合剂粘合，胶的折射率为1.35-1.60。两块晶体间也可以是光学接触(光胶)。
图7所示为采用Ca3(BO3)2晶体制作的福斯纳棱镜。包括由各向同性材料(如玻璃)制成的两直角棱镜701、702和一晶体材料波片703，两直角棱镜701、702的尺寸、形状构造均相同，且切角为15-45°，晶体材料波片703为Ca3(BO3)2薄片晶体，其厚度可为毫米或厘米量级，其光轴704垂直于晶体材料波片703的切割面。两直角棱镜701、702的折射率与晶体材料波片703的o光折射率相同或接近。晶体材料波片703的光轴704方向也可以平行于其切割面。
本实用新型充分利用Ca3(BO3)2在180～3500nm波长的高透过率的优点，可以实现在180～3500nm波长范围内使o光(正常光，大折射率)在胶合介面的入射角大于全反射而产生反射，同时使e光(非常光，小折射率)在胶合介面的入射角小于全反射而能透过胶层，这样从出射端面射出来的光即为偏振光。本发明的偏振棱镜的透过率＞90％；具有高的消光比，可达十万分之五；大的接收角，接收角＞30°。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上对本实用新型做出的各种变化，均为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，包括晶体材料和中间介质其特征在于：所述的晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，包括两块尺寸、形状构造以及光轴方向均相同的直角梯形棱镜或者直角三角形棱镜，所述棱镜切角α为65°-85°，将两块晶体棱镜沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成一个长方体；所述中间介质为胶合剂，设于两晶体斜面之间，其折射率为1.78-1.96。
2.如权利要求1所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述中间介质为空气隙，处于两晶体斜面之间；所述棱镜切角α为30.6°-34.3°。
3.如权利要求1所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述中间介质为光胶膜和增透膜，先后镀于其中一块晶体材料的斜面上，二者的折射率与该晶体材料的e光折射率相同或相近；所述棱镜切角α为30.6°-34.3°，两块晶体沿斜面以旋转对称方式，通过光胶或深化光胶方式结合为一体。
4.如权利要求1-3任一权利要求所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：其中一块晶体材料采用光学玻璃或者各向同性晶体代替。
5.如权利要求4所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述的两块晶体材料形状为等腰梯形棱镜或平行四边形棱镜，或三角形棱镜，沿斜面以旋转对称的方式耦合，组成梯形或平行六面体。
6.如权利要求5所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述偏振棱镜为格兰棱镜。
7.如权利要求5所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述偏振棱镜为尼科尔偏振棱镜；所述胶合剂的折射率为1.35-1.60；所述晶体的切割角度为20-90°范围，晶体光轴与切割面的夹角γ为0＜γ＜90°。
8.如权利要求1所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述偏振棱镜为偏振分束棱镜；所述两块晶体材料光轴方向相互垂直，其切角
所述两晶体通过光胶结合或者胶合剂粘合，所述胶合剂折射率为1.35-1.60.
9.一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，所述偏振棱镜为福斯纳棱镜，包括两块各向同性材料制成的棱镜和一晶体材料波片，其特征在于：所述晶体材料为Ca3(BO3)2晶体，该晶体的光轴垂直或平行于其切割面；所述各向同性材料制成的棱镜其折射率与晶体材料的o光折射率相同或相近；所述棱镜为两块尺寸及形状构造均相同的直角棱镜，其切角为15-45°范围。
10.如权利要求9所述的一种深紫外、可见、近红外偏振棱镜，其特征在于：所述晶体材料波片厚度为毫米量级或厘米量级；所述各向同性材料为玻璃材料。
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