专利名称：全环光子筛及其制作方法
技术领域：
本发明涉及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能量提升的全环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能量提升，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.， Bemdt， R., Adelung, R., Harm, S., and Seemann, R. Sharper images by focusing soft X-ray with photon sieves.Nature[J], 2001. 414,
4184-188.]。
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 imaging with 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 Optical Element, 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主板 能量可以作进一步的提升。
位相型菲涅耳波带片，是具有浮雕表面结构的菲涅耳波带片。浮雕的 厚度在波长量级，图形应尽可能接近设计值，可以实现预期的高的衍射效 率。[参见二元光学，金国潘，严瑛白，邬敏贤，第四章]
本发明定义中心能量比为衍射场中央主瓣的能量除以全部衍射场的 能量。它可以表征中央主瓣能量的集中度。定义第一零点为主瓣与第一旁 瓣之间的能量最小值所在的位置。它的位置可以表征中央主瓣的尺寸大 小。
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全环光子筛及其制作方 法，以实现激光束远场衍射斑的主斑能量的再提升。
(二) 技术方案为达到上述一个目的，本发明提供了一种全环光子筛，该全环光子筛 包括
光子筛，该光子筛制作在透明介质上，其衍射孔径与相应菲涅耳环带 宽度相等；刻蚀圆孔，该刻蚀圆孔位于其余的菲涅耳环带处；该刻蚀圆孔 数量和位置的决定规律与光子筛圆环相同，从原来的偶数环增加到奇数 环，或者从原来的奇数环增加到偶数环，在波带片的奇数环带和偶数环带 都有透光部分，分别是奇数环带的透光孔和偶数环带的刻蚀位相透光孔， 每个透光孔的直径和相应的环带宽度相同，且该刻蚀圆孔与原来的衍射孔 构成位相板。
上述方案中，所述刻蚀位相透光孔的位相是兀。
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，衍射孔
的大小由相应环带的1.5倍降为1倍，该衍射孔的透光率是1。
上述方案中，所述相应菲涅耳波带片圆环的奇数环或者偶数环构成刻
蚀同心环圆孔位相衍射单元，圆孔的位相值是Tl，奇数偶数决定于光子筛 圆孔的位置奇偶。
上述方案中，所述各刻蚀同心环圆孔位相衍射单元和光子筛衍射孔共 同构成透光部分，其余部分不透光。
为达到上述另一个目的，本发明一种制作全环光子筛的方法，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，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。
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0.5,，所采用的光 刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8,。
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0.077|nm / min。(三)有益效果
本发明提供的全环光子筛，是通过控制改变普通光子筛衍射的圆形孔 径为圆环孔加上刻蚀的位相圆孔衍射单元，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能量提高，但是主瓣大小并不显 著增加的光场分布。
本发明是将位相型菲涅耳波带片的高衍射效率和新兴的光子筛结合 起来，实现了光子筛聚焦衍射的主斑能量再提高的光强分布，即实现了激 光束远场衍射斑的主斑能量的再提高，这是传统的光子筛所无法实现的。 这也是传统的位相型菲涅耳波带片所不能实现的内容。
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是本发明环带光子筛实施例之一的50环全环光子筛结构的示意
图，衍射单元是衍射孔和刻蚀的圆孔；
图3是基于10环菲涅耳波带片的全环光子筛；图中黑色为刻蚀的位
相为7l的衍射圆孔，白色为透光孔，灰色为不透光的部分；
图4是50环全环光子筛的衍射光强和50环普通光子筛的衍射光强与 径向距离的对比图；图中可以看到中心能量比，普通光子筛是0.9137,第 一零点位置在17，全环光子筛的中心能量比是0.9713，第一零点位置在 17。并且在相同的入射光情况下，换代光子筛的衍射光强峰值约是普通光 子筛的4倍，极大地增加了衍射场的光能量；
图5是全环光子筛的实验检测装置。
具体实施例方式
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。
全环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^f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能量更集中的衍射中心衍射斑。
本发明的位相板(全环光子筛)采用的较小的衍射圆孔和位相为7l的刻蚀衍射圆孔结构取代普通光子筛的单园衍射孔径。本发明给出了圆孔衍射位 相单元的设计结构，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用全环光子筛 可以实现激光束远场主光斑能量的进一步提升。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。
本发明提供的这种全环光子筛，是一种在透明介质上，先制造普通的 光子筛，但是光子筛的衍射孔径縮小为相应菲涅耳圆环的一倍(普通光子 筛衍射孔直径是相应菲涅耳环带宽度的1.5倍)，然后在其余的菲涅耳环带 处仍然刻蚀圆孔，圆孔的数量和位置的决定规律与光子筛圆环相同，只是 从原来的偶数环增加到奇数环，或者从原来的奇数环增加到偶数环。这样 在波带片的奇数和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数 环的刻蚀位相透光孔，刻蚀位相透光孔的位相是7C。每个透光孔的大小和 相应的环带宽度相同。该刻蚀圆孔和原来的衍射孔构成位相板。所述位相 板的大小与对应的普通的光子筛相当，刻蚀圆孔的位相分布在同一圆孔内 的位相值是相同的，都是7r。原来圆孔的位相是0。
图2是本发明全环光子筛实施例之一的50环全环光子筛结构的示意 图，刻蚀圆孔位相是兀，图中的黑色，圆孔位相是0，图中的白色。其余
灰色部分不透光。如果所有位相板上衍射单元的位相只有两个值，o和兀，
就叫做二值位相全环光子筛。
二值位相板(binary phase-only mask)。全环光子筛描述参数有
1) 全环光子筛的中心能量比准直的相干光通过环带光子筛，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) 全环光子筛的第一零点第一零点是主斑与第一衍射极大之间极
小值的位置。值越大，说明主斑底盘越大。值越小，说明主斑底盘越小。
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
<formula>formula see original document page 8</formula>在(1)中，xij,yij表示波带上微孔圆心坐标，i=l， 2......n， (n为波
带片环数)j=l,2,......m ( m为相应环上的微孔数)。E(x，y,O)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FO(fk，fy,O)。
￡(厶,^,0)= _[ pO,;;,0)exp[—_/27rC/^ + /r;^W:v (2)
—CO—00
在(2)中，fx， fy是空间频率，fx=|， fY=f (a， )3是波矢2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.(&, fy, z)为
五(/x, /" z)=五(A, ,。) exp(乂2;r丄--《.z) ( 3 )
V儿
在(3)中，fx fY必须满足条件f〗+f〗《l"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g+f》l/A2时， 空间频率的频谱E.(fk, fy, z)为
五(/x, /" z) = A, A ,0) exp(-( 4 ) 2 r
在(4)中，p=，<formula>formula see original document page 9</formula>
由于"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)
以上是普通光子筛的衍射理论。针对全环光子筛，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圆孔加上刻蚀圆孔位相型衍 射单元。
本发明给出了全环光子筛的设计参数。本发明在图4中给出了中心能 量比和第一零点的比较曲线。本发明选择了 50环的普通光子筛和50环的 环带光子筛。这样选择的原因是这两器件基于相同环数的菲涅耳波带片。两种位相板衍射比较为表1所示。普通光子筛的中心能量比是0.9592。 由图4可知，全环光子筛较大幅度的提升了主斑衍射光强峰值，并且使得
能量集中度有所提高。
基于菲涅耳波带 片环数(F)中心能量比第一零点(单位 衍射场点)
全环光子筛500.971317
普通光子筛500.913717
表1
本发明的全环光子筛在实际的应用如图5所示。1是准直激光器，2 是聚焦透镜，3是本发明的全环光子筛，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和全环光子筛3，在聚焦透镜2的焦平面上 产生主斑衍射图。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。
实验证明加入所设计的全环光子筛后，确实实现了远场衍射光斑主瓣 能量比普通光子筛的主斑能量的进一步提升。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全环光子筛的方法，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l、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。
上述制造全环光子筛，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1.8,。接触曝光的复制误差小于0.5^m。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垸(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0.077拜/min。对应于0.6328pm波长，光学玻璃的折射率为1.521， 因而7i位相对应深度为0.607^m。利用泰勒轮廓仪来测量全环光子筛的深 度为0.607pm。按照图5的光路示意图，布置好测量光路.激光器工作波 长是632.8nm。然后扩束、准直。在实验中，光子筛焦距是100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环的全环光子筛为例，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；但是所有圆孔的半径与 相应菲涅耳波带片环带宽度相同，不再是普通光子筛的圆孔半径的1.5倍。
3、 按照本文所述的方法刻蚀其余环带的位相圆孔。
4、 制作全环光子筛。
假设激光波长是6328纳米，焦距是100毫米，环数是50环。总共有 2673个原来微孔和新增加的2688个刻蚀衍射位相孔。总共5361个。位相 为0的微孔和位相为71的刻蚀微孔相间分布在菲涅耳波带片奇数偶数环 带，微孔的半径从大到小是
52.098839.976833.702029.692126.843724.685322.9765
21.580020.410919.413418.549317.791217.119116.5179
15.975815.483915.034814.622714.242713細813.5639
13.258912.973712.706112.454412.217111.992911.7806
11.579211.387711.205511.031810.865810.707210.5553
10.409710.269910.135710.00659.88229.76249.6469
9.53539.42769.32349.22269.12509.03048.9387微米。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种全环光子筛，其特征在于，该全环光子筛包括光子筛，该光子筛制作在透明介质上，其衍射孔径与相应菲涅耳环带宽度相等；刻蚀圆孔，该刻蚀圆孔位于其余的菲涅耳环带处；该刻蚀圆孔数量和位置的决定规律与光子筛圆环相同，从原来的偶数环增加到奇数环，或者从原来的奇数环增加到偶数环，在波带片的奇数环带和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环带的透光孔和偶数环带的刻蚀位相透光孔，每个透光孔的直径和相应的环带宽度相同，且该刻蚀圆孔与原来的衍射孔构成位相板。
2、 根据权利要求1所述的全环光子筛，其特征在于，所述刻蚀位相透光孔的位相是7T。
3、 根据权利要求1所述的全环光子筛，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，衍射孔的大小由相应环带的1.5倍降为 l倍，该衍射孔的透光率是l。
4、 根据权利要求1所述的环带光子筛，其特征在于，所述相应菲涅 耳波带片圆环的奇数环或者偶数环构成刻蚀同心环圆孔位相衍射单元，圆 孔的位相值是Tl，奇数偶数决定于光子筛圆孔的位置奇偶。
5、 根据权利要求4所述的环带光子筛，其特征在于，所述各刻蚀同 心环圆孔位相衍射单元和光子筛衍射孔共同构成透光部分，其余部分不透 光。
6、 一种制作全环光子筛的方法，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。
7、 根据权利要求6所述的制作全环光子筛的方法，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0.5jim，所采用的光刻胶为Shipley s1818，厚度为1.8^m。
8、根据权利要求6所述的制作全环光子筛的方法，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0.077pm / min。
全文摘要
本发明公开了一种全环光子筛，该全环光子筛包括光子筛，该光子筛制作在透明介质上，其衍射孔径与相应菲涅耳环带宽度相等；刻蚀圆孔，该刻蚀圆孔位于其余的菲涅耳环带处；该刻蚀圆孔数量和位置的决定规律与光子筛圆环相同，从原来的偶数环增加到奇数环，或者从原来的奇数环增加到偶数环，在波带片的奇数环带和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环带的透光孔和偶数环带的刻蚀位相透光孔，每个透光孔的直径和相应的环带宽度相同，且该刻蚀圆孔与原来的衍射孔构成位相板。本发明同时公开了一种制作全环光子筛的方法。利用本发明，实现了光子筛聚焦衍射光强的提高，即实现了激光束远场衍射斑的主斑能量的提升。
文档编号G02B5/18GK101676750SQ200810222330
公开日2010年3月24日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者明 刘, 谢长青, 佳 贾 申请人:中国科学院微电子研究所