专利名称：一种带调焦系统的衍射光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及衍射光学元件技术领域，具体涉及一种带调焦系统的衍射光学元件。
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，从而实现特定的光学功能的元件的总称。衍射光学元件包括各种光栅、波带片、光子筛等。它们在光谱学、波前整形、光通信、聚焦成像、微细加工等领域获得了广泛的应用。波带片和光子筛是具有自聚焦能力的衍射光学元件。其中，波带片由透明和不透明圆环交替构成。阻挡菲涅耳半波带中的奇数带或偶数带，在点光源照明下，经它能聚焦获得高强度的像点。波带片的分辨率由其最外环宽度决定。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。
光子筛是基于菲涅耳波带片的一种新型的衍射光学元件，它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的I. 5倍。这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉，从而能够有效地抑制旁瓣效应和闻级衍射，并且进一步提闻分辨率。利用衍射光学元件进行无掩模光刻，因为其不需要掩模，因此可以大幅度降低光刻的成本，有着广阔的发展前景。但是，目前利用衍射光学元件进行无掩模光刻，还有一些关键技术难题尚未克服，例如焦点的寻找方法等。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为了解决衍射光学元件进行无掩模光刻调焦困难的问题，本发明的主要目的在于提供一种带调焦系统的衍射光学元件。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种带调焦系统的衍射光学元件，包括透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有用于光刻的聚焦衍射光学元件和用于调焦的莫尔光栅组合。上述方案中，所述透光衬底的材料为透光材料，所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。上述方案中，所述不透光的金属薄膜的材料为铬、金、铝或铜，所述不透光的金属薄膜的厚度大于80nm。上述方案中，所述聚焦衍射光学元件包括波带片和光子筛，波带片由一系列透明环带构成，每一透明环带的中心半径为&，宽度为Wn，其中rn2 = 2nf A +n2 A 2, n = 1,2,3......,wn= A /2rn，其中\为波长，f为焦距；
光子筛由一系列随机分布的透光圆孔构成，该透光圆孔分布在中心半径为rn，宽度为wn的环带上，透光圆孔之间不重叠，圆心分布在环带中心半径rn上，其中rn2 = 2nf A +n2 A 2, n = 1,2,3......,对应4上的透光圆孔的直径为dn = wn = A /2rn,其中\为波长，f为焦距。上述方案中，所述莫尔光栅组合包括两组光栅，其周期分别是Pp P2，一束以e角入射的激光照在周期为P1的光栅上，其-I级衍射峰经过硅片面反射后再入射到周期为P2的光栅上，与周期为P2的光栅产生干涉，形成差动莫尔条纹；该差动莫尔条纹再通过探测器加以收集，当硅片面和版图面之间的间隙发生改变时，莫尔条纹也会发生位移，从而通过探测器得以呈现。
上述方案中，所述当硅片面和版图面之间的间隙发生改变时，莫尔条纹也会发生位移，从而通过探测器得以呈现，具体包括当所述间隙变化时，引起的光程差变化I为
八厂八厂AL =--1--cos 20 = 2AG cos 0
COS 沒 COS 沒，位相差变化为
. 、T In In AG Arp = Al,--=---
又 Pi tgO，
D 2其中，乃=，.。
2SinU 该位相差导致的条纹移动为
Ar = AG P2tgO IP2-P1I^莫尔条纹移动为
_AG P1+P2丽紗 |d |，当光栅周期P1, P2取值接近时，莫尔条纹得到了较大倍率的放大；对于一个较小的间隙变化，可产生较大的莫尔位移，利用此原理即可实现调焦对焦。(三)有益效果与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果为I、采用聚焦衍射光学元件进行无掩模光刻，不需要掩模，大大降低了光刻的成本。2、将莫尔光栅与聚焦衍射光学元件组合在一起，可以起到调焦的作用。该结构简单易行，成本低，可以满足高精度测量。
图I为本发明实施例中带莫尔光栅调焦系统的聚焦光子筛的示意图；图2为本发明实施例中聚焦光子筛示意图3为本发明实施例中莫尔光栅示意图；图4(a)是本发明实施例中聚焦光子筛的电镜照片；图4(b)是本发明实施例中莫尔光栅的电镜照片。
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。本发明提供的这种带调焦系统的衍射光学元件，采用莫尔光栅，利用莫尔条纹的位移来进行调焦，将聚焦衍射光学元件和莫尔光栅进行集成并采用恰当的排列方式，能够有效的起到光刻系统的调焦作用。该结构简单易行，成本低，并可以满足高精度测量。
本发明提供的这种带调焦系统的衍射光学元件，包括透光石英衬底和镀在其上的不透光的金属铬薄膜，透光衬底的材料还可以为普通玻璃或有机玻璃等透光材料，不透光的金属薄膜的材料还可以为金、铝或铜等不透光金属。所述不透光的金属铬薄膜上分布有用于光刻的聚焦光子筛和用于调焦的莫尔光栅组合。所述石英衬底的直径为2. 5cm，聚焦光子筛直径为5. 3pm，波长为355nm，焦距为200 ii m,最外环圆孔直径200nm。周期为Pl的光栅的周期为2 y m,周期为P2的光栅的周期为2. 2 ii m，各有50个周期，光栅宽度100 u m。为了保证版图在X和Y方向都是与硅片面平行，我们在两个方向都设计了相同的莫尔光栅。如图I所示，图I为带莫尔光栅调焦系统的聚焦光子筛的示意图，其中中间黑色圆形区域为两个光子筛，周围6个黑色方形区域为调焦莫尔光栅。在图I中，制作两个光子筛是为了在实际的试验中做对比，水平的两组莫尔光栅是为了测量水平方向的摩尔位移，竖直方向的四组莫尔光栅分别是对两个光子筛测量竖直方向的摩尔位移。如图2所示，图2为本发明实施例中聚焦光子筛的示意图。在图2中，白色部分为透光圆孔，黑色部分为不透光部分。如图3所示，图3为本发明实施例中莫尔光栅示意图及莫尔条纹干涉原理。在图3中，上半部分为差动莫尔条纹产生的原理图，原理详见前述说明，下半部分为莫尔光栅的照片及其局部放大图。如图4所示，图4为本发明实施例中聚焦光子筛和莫尔光栅的扫描电镜照片。在图4中，图4(a)是聚焦光子筛的电镜照片，白色部分为透光圆孔，灰色部分为不透明区域，图4(b)是莫尔光栅的电镜照片，白色部分为透光光栅，灰色部分是不透光部分。本发明的用于无掩模光刻的带调焦系统的衍射光学元件的设计方法中采用聚焦衍射光学元件来进行无掩模光刻，不需要掩模，降低了成本。并且将用于调焦的莫尔光栅组与该衍射光学元件集成在一起，实现了高精度调焦作用。整个系统具有结构简单，成本低的优点。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
1.一种带调焦系统的衍射光学元件，其特征在于，包括透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有用于光刻的聚焦衍射光学元件和用于调焦的莫尔光栅组合。
2.如权利要求I所述的带调焦系统的衍射光学元件，其特征在于，所述透光衬底的材料为透光材料，所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。
3.如权利要求I所述的带调焦系统的衍射光学元件，其特征在于，所述不透光的金属薄膜的材料为铬、金、铝或铜，所述不透光的金属薄膜的厚度大于80nm。
4.如权利要求I所述的带调焦系统的衍射光学元件，其特征在于，所述聚焦衍射光学元件包括波带片和光子筛， 波带片由一系列透明环带构成，每一透明环带的中心半径为rn，宽度为\，其中 rn2 = 2nf 入 +n2 入 2,n= 1,2,3......, wn = A /2rn,其中\为波长，f为焦距； 光子筛由一系列随机分布的透光圆孔构成，该透光圆孔分布在中心半径为rn,宽度为wn的环带上,透光圆孔之间不重叠，圆心分布在环带中心半径rn上,其中 rn2 = 2nf 入 +n2 入 2,n= 1,2,3......, 对应^上的透光圆孔的直径为 dn = wn = A /2rn,其中\为波长,f为焦距。
5.如权利要求I所述的带调焦系统的衍射光学元件，其特征在于，所述莫尔光栅组合包括两组光栅，其周期分别是？”^，一束以0角入射的激光照在周期为光栅上，其-I级衍射峰经过硅片面反射后再入射到周期为P2的光栅上，与周期为P2的光栅产生干涉，形成差动莫尔条纹；该差动莫尔条纹再通过探测器加以收集，当硅片面和版图面之间的间隙发生改变时，莫尔条纹也会发生位移，从而通过探测器得以呈现。
6.如权利要求5所述的带调焦系统的衍射光学元件，其特征在于，所述当硅片面和版图面之间的间隙发生改变时，莫尔条纹也会发生位移，从而通过探测器得以呈现，具体包括 当所述间隙变化时，引起的光程差变化ZL为 八厂八厂 AL =cos 2沒=2AG cos 沒COS 沒 COS 沒， 位相差变化为 . 、T In In AG Arp = Al,--=--- 又 Pi tgO， 其中，巧=丨. 9 该位相差导致的条纹移动为P2tgO IP2-PlIj 莫尔条纹移动为以,AG Pl+P1 mor tge IP2-P1I^ 当光栅周期P1A2取值接近 时，莫尔条纹得到了较大倍率的放大；对于一个较小的间隙变化，可产生较大的莫尔位移，利用此原理即可实现调焦对焦。
全文摘要
本发明公开了一种带调焦系统的衍射光学元件，包括透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有用于光刻的聚焦衍射光学元件和用于调焦的莫尔光栅组合。其中，透光平面可以为熔融石英、普通玻璃、有机玻璃等透光材料，不透光薄膜为透光衬底上制备的一层铬、金、铝、铜等金属挡光层，衍射光学元件所在的位置没有金属挡光层。本发明利用聚焦衍射光学元件进行无掩模光刻，不需要掩模，成本低；利用莫尔光栅组合进行光刻系统的调焦，不仅调焦精度高，而且结构简单，集成度高，成本低。
文档编号G02B5/18GK102681061SQ201110064609
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者刘明, 朱效立, 谢常青, 辛将 申请人:中国科学院微电子研究所