专利名称：光子筛及其制作方法
技术领域：
本发明涉及衍射光学元件技术领域，更具体地说，涉及一种光子筛及其制作方法。
技术背景
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1. 5倍。光子筛突破了波带片的分辨率限制，得到的聚焦光斑比同样特征尺寸的波带片聚焦光斑更小，而且有效的抑制了聚焦光斑的旁瓣，减小了背景光从而提高了分辨率。
光子筛与波带片相比制作简单、性能优越，在软X射线、极紫外光线的聚焦和成像上具有很好的应用，可用于高分辨率显微术、光谱学和下一代光刻等研究领域。
虽然如此，但目前普通的光子筛存在的主要问题就是衍射效率低，因此在其实际应用中就有了很大的限制。发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光子筛及其制作方法，以解决现有的光子筛衍射效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案
一种光子筛，所述光子筛包括
透光衬底；
位于所述透光衬底上的不透光多层膜，所述不透光多层膜包括多层相间设置的金属膜和介质膜；
设置在所述不透光多层膜上、呈多个环带状分布的多个小孔，每一环带上的多个小孔随机分布且彼此不重叠。
优选的，上述光子筛中，所述环带中心半径为rm2 = 2mfA+m2X2 ;其中，m为正整数，f为焦距，λ为波长。
优选的，上述光子筛中，每一环带上的多个小孔的直径均相同，且为dm = λ /2rffl, 其中λ为波长。
优选的，上述光子筛中，所述金属膜和介质膜均为五层。
优选的，上述光子筛中，每层金属膜和介质膜的厚度均为30nm。
优选的，上述光子筛中，所述金属膜材料为银。
优选的，上述光子筛中，所述介质膜材料为二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪或二氧化锆。
优选的，上述光子筛中，所述透光衬底为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。
本发明还提供了一种光子筛制作方法，该方法包括
对透光衬底进行抛光清洗；
在所述透光衬底上形成相间排列的金属膜和介质膜，从而在所述透光衬底上形成不透光多层膜；
在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔，且每一环带上的多个小 孔彼此不重叠。
优选的，上述方法中，在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔，具 体包括
在所述不透光多层膜上旋涂电子束抗蚀剂；
在具有多个环带状分布的多个小孔图案的掩膜版的遮挡下，采用电子束照射所述 电子束抗蚀剂，所述掩膜版上每一环带上的多个小孔彼此均不重叠；
对采用电子束照射后的电子束抗蚀剂进行显影，在所述电子束抗蚀剂内形成多个 环带状分布的多个小孔；
以所述具有多个环带状分布的多个小孔的电子束抗蚀剂为掩膜对所述不透光多 层膜进行刻蚀，在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔。
从上述技术方案可以看出，本发明所提供的光子筛包括透光衬底；位于所述透 光衬底上的不透光多层膜，所述不透光多层膜包括多层相间设置的金属膜和介质膜；设置 在所述不透光多层膜上、呈多个环带状分布的多个小孔，每一环带上的多个小孔随机分布 且彼此不重叠。本发明所提供的光子筛，由于透光衬底上设置有多层相间排列的金属膜和 介质膜，且在所述多层相间排列的金属膜和介质膜内设置有呈环带状分布的多个小孔，因 此，当光照射在所述光子筛上时，在金属膜和介质膜的表面等离子体极化和表面等离子体 耦合将得到增强，从而有效地提高了光的透过率，进而提高了光子筛的衍射效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的光子筛的结构示意图2为图1中虚线框指示部分的放大结构示意图3为本发明所提供的光子筛制作方法的流程示意图4为本发明所制成的光子筛的扫描电镜图5为本发明所制成的光子筛的聚焦特性仿真图6为采用传统工艺所形成的光子筛的聚焦特性仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参考图1，图1为本发明所提供的光子筛的结构示意图，所述光子筛包括透光衬底I ;位于所述透光衬底I上的不透光多层膜2，所述不透光多层膜2包括多层相间设置的金属膜和介质膜；设置在所述不透光多层膜2上、呈多个环带状分布的多个小孔3，每一环带上的多个小孔3随机分布且彼此不重叠。
为了更清楚地描述透光衬底I及其上不透光多层膜2的位置关系，对图1中虚线框部分进行了局部放大，得到的剖面示意图如图2所示，图2中示出了透光衬底1，位于透光衬底I上的不透光多层膜2，所述不透光多层膜2包括多层相间设置的金属膜21和介质膜 22。具体形成过程中，可以先在透光衬底I上形成金属膜，也可以先形成介质膜，对此本发明并无特别限制。
优选的，可以设置使得金属膜21和介质膜22各为五层，且通过控制形成时间使得各层金属膜21和介质膜22的厚度均为30nm。本实施例中所述金属膜21材料可以为银，所述介质膜22材料可以为二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、二氧化铪(HfO2)或二氧化锆 (ZrO2)等。
所述透光衬底，顾名思义，即是可以使光透过的衬底，所述透光衬底的材料可以为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃等。
位于不透光多层膜2上的多个小孔3可以为圆形，也可以为方形、正六边形等正多边形，本发明实施例中以圆形为例进行说明。
所述多个小孔3分布在多个环带上，且这些环带的中心半径rm，环带宽度Wm满足如下关系
rm2 = 2mf λ +m2 λ 2,
Wm= λ /2rm,
其中，m为正整数，f为焦距，λ为波长。
对于任一环带上的多个小孔均成随机分布状态，S卩同一环带上相邻小孔之间的间距没有限制，但同一环带上的多个小孔彼此之间均不重叠，且直径均相等并等于其所在环带的宽度，因此，分布在宽度为Wm的环带上的多个小孔的直径4为dm = wm= λ/2Γπ，其中λ为波长，rmS该环带的中心半径。
本发明实施例中设置在不透光多层膜2上的多个小孔3，是在不透光多层膜2厚度方向上设置的小孔，且所述多个小孔3贯穿所述不透光多层膜2，因此，当光照射该光子筛时，光线可由不透光多层膜2上的多个小孔3透过，再经透光衬底I最后聚焦或成像。由于所述不透光多层膜2包括多层相间排列的金属膜和介质膜，因此，当光线透过所述多个小孔3时，所述金属膜和介质膜的表面等离子体极化和表面等离子体耦合将达到光学场增强，进而可提闻光线的透光率，最终提闻光子筛的衍射效率。
实施例二
上面详细描述了本发明所提供的光子筛，下面介绍光子筛的制作方法。
参考图3，图3为本发明所提供的光子筛制作方法的流程示意图，该方法具体包括如下步骤
步骤S1:对透光衬底进行抛光清洗。
首先选取一透光衬底，并对所述透光衬底进行抛光清洗。该透光衬底选为石英衬底，石英衬底的厚度为1. 5mm,直径为25. 4mm,且该透光衬底在应用波长405nm的照射下透过率大于85%。对透光衬底进行抛光清洗后，使透光衬底的粗糙度小于O. 5nm，平整度小于
步骤S2 :在所述透光衬底上形成相间排列的金属膜和介质膜，从而在所述透光衬底上形成不透光多层膜。
本实施例中通过磁控溅射方法在所述透光衬底上依次溅射金属膜和介质膜，即 使金属膜和介质膜相间排列，当然，形成金属膜和介质膜的方法不限于磁控溅射方法。所述金属膜材料为Ag，所述介质膜材料为Al2O3,且使金属膜和介质膜各为五层，通过控制溅射时间使得各金属膜和各介质膜的膜厚均为30nm。
在透光衬底上形成相间排列的金属膜和介质膜后，即形成了不透光多层膜，相比于现有技术中的单层金属膜而言，本发明通过在透光衬底上形成不透光多层膜，从而当光照射该光子筛时，会使金属膜和介质膜的表面等离子体极化和表面等离子体耦合达到光学场增强，从而可提高光的透过率，进而提高光子筛的衍射效率。
本实施例中通过设置使得金属膜和介质膜的层数各位五层的原因在于金属膜和介质膜的层数少于五层，光的透过率较低，将达不到增强光子筛衍射效率的目的；而金属膜和介质膜的层数如果多于五层，则光子筛衍射效率的增长将很不明显，且层数越多，制作工艺难度越大，因此，较优的实施方案是设置金属膜和介质膜的层数各位五层。
步骤S3 :在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔，且每一环带上的多个小孔彼此不重叠。
该步骤又可包括如下几个步骤
步骤S31 :在所述不透光多层膜上旋涂电子束抗蚀剂。
本实施例中所用的电子束抗蚀剂为ZEP520A电子束抗蚀剂。
步骤S32 :在具有多个环带状分布的多个小孔图案的掩膜版的遮挡下，采用电子束照射所述电子束抗蚀剂，所述掩膜版上每一环带上的多个小孔彼此均不重叠。
本步骤中是借助于预先设计好的掩膜版(或称光子筛版图)对所述电子束抗蚀剂进行电子束曝光。所述预先设计好的掩膜版的形状与透光衬底的形状相同，且该掩膜版上设置有很多圆形的小孔，这些小孔分布在多个环带上，且每一环带的中心半径rm，环带宽度 Wm满足如下关系
rm2 = 2mf λ +m2 λ 2,
Wm= λ /2rm,
其中，m为正整数，f为焦距I μ m, λ为波长405nm。
任一环带的多个小孔均成随机分布状态，即同一环带上相邻小孔之间的间距没有限制，但同一环带上的多个小孔彼此之间均不重叠，且直径均相等并等于其所在环带的宽度，因此，分布在宽度为Wni的环带上的多个小孔的直径(Ini为(Ini = Wni = λ Ar111，其中λ 为波长，rm为该环带的中心半径。
使所述预先设计好的掩膜版遮挡在电子束抗蚀剂上，同时采用电子束照射所述掩膜版，由于所述掩膜版上设置有多个呈环带状分布的小孔，因此，电子束透过所述多个小孔照射在所述电子束抗蚀剂上，从而使得所述多个小孔下面所对应的电子束抗蚀剂与所述电子束相反应。
步骤S33 :对采用电子束照射后的电子束抗蚀剂进行显影，在所述电子束抗蚀剂内形成多个环带状分布的多个小孔。
对采用电子束照射后的电子束抗蚀剂进行显影，由于电子束抗蚀剂上对应掩膜版上多个小孔位置处的电子束抗蚀剂与所述电子束发生了反应，因此显影完成后在这些区域将去除了电子束抗蚀剂，从而在所述电子束抗蚀剂上形成了多个小孔，且这些小孔成环带状分布，任一环带上的多个小孔彼此之间均不重叠，且直径均相等并等于其所在环带的宽度，每一环带的中心半grm，环带宽度Wm满足如下关系
rm2 = 2mf λ +m2 λ 2,
Wm= λ /2rm,
其中，m为正整数，f为焦距I μ m, λ为波长405nm。
步骤S34 :以所述具有多个环带状分布的多个小孔的电子束抗蚀剂为掩膜对所述不透光多层膜进行刻蚀，在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔。
以步骤S33中显影后所得的电子束抗蚀剂为掩膜采用干法刻蚀工艺对不透光多层膜进行刻蚀，从而在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔。
本步骤中采用干法刻蚀工艺，以步骤S33中显影后所得的电子束抗蚀剂(所述电子束抗蚀剂上具有多个呈环带状分布的小孔)为掩膜对不透光多层膜进行刻蚀，刻蚀完成后即将电子束抗蚀剂中的图形转移到了不透光多层膜中，因此在所述不透光多层膜中形成了多个小孔，且这些多个小孔成环带状分布，每一环带上小孔的直径均与其所在环带的宽度相等，且这些环带的宽度Wm以及环带中心半径rm满足如下关系
rm2 = 2mf λ +m2 λ 2,
Wm= λ /2rm,
其中，m为正整数，f为焦距I μ m, λ为波长405nm。
刻蚀工艺完成后，去除不透光多层膜上的电子束抗蚀剂，完成光子筛的制作。对所制成的光子筛进行扫描电镜测试，所得结果见图4，由图4可看出，光子筛上的多个小孔成环带状分布，且中心环带上的小孔直径最大，越向边缘，小孔直径越小。
为了证明采用本发明所制成的光子筛相对现有技术中的光子筛具有较好的衍射效率，特别对本发明所制成的光子筛以及采用传统单层金属薄膜而制成的光子筛进行聚焦特性仿真测试，所得结果见图5和图6，图5和图6分别为本发明所制成的光子筛以及采用传统工艺所形成的光子筛的聚焦特性仿真图。由图5和图6可以看出，在相同焦距和相同波长入射光的照射下，本发明所制成的光子筛不仅衍射效率较高，而且具有较高的分辨率和锐利度。
综上可知，本发明所提供的光子筛，相对于传统的光子筛结构，利用多层金属膜和介质膜代替了单一的金属薄膜，在金属膜和介质膜界面具有特殊的亚波长光学特性，利用金属薄膜和介质薄膜的表面等离子体极化和表面等离子体耦合达到光学场增强来有效提升透过率，从而提高光子筛的衍射效率。
除此之外，本发明所提供的光子筛，相对于普通的波带片结构，其上随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉增强，从而能够有效地抑制旁瓣效应和高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。
本发明实施例中对光子筛及其制作方法的描述各有侧重点，相关、相似之处可相互参考。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
权利要求
1.一种光子筛，其特征在于，包括 透光衬底； 位于所述透光衬底上的不透光多层膜，所述不透光多层膜包括多层相间设置的金属膜和介质膜； 设置在所述不透光多层膜上、呈多个环带状分布的多个小孔，每一环带上的多个小孔随机分布且彼此不重叠。
2.根据权利要求1所述的光子筛，其特征在于，所述环带中心半径为rm2=2mfA+m2 λ 2 ;其中，m为正整数，f为焦距，λ为波长。
3.根据权利要求2所述的光子筛，其特征在于，每一环带上的多个小孔的直径均相同，且为(Ini = λ Ar111，其中λ为波长。
4.根据权利要求1所述的光子筛，其特征在于，所述金属膜和介质膜均为五层。
5.根据权利要求4所述的光子筛，其特征在于，每层金属膜和介质膜的厚度均为30nm。
6.根据权利要求1所述的光子筛，其特征在于，所述金属膜材料为银。
7.根据权利要求1所述的光子筛，其特征在于，所述介质膜材料为二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铪或二氧化锆。
8.根据权利要求1 7任一项所述的光子筛，其特征在于，所述透光衬底为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。
9.一种光子筛制作方法，其特征在于，包括 对透光衬底进行抛光清洗； 在所述透光衬底上形成相间排列的金属膜和介质膜，从而在所述透光衬底上形成不透光多层膜； 在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔，且每一环带上的多个小孔彼此不重叠。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔，具体包括 在所述不透光多层膜上旋涂电子束抗蚀剂； 在具有多个环带状分布的多个小孔图案的掩膜版的遮挡下，采用电子束照射所述电子束抗蚀剂，所述掩膜版上每一环带上的多个小孔彼此均不重叠； 对采用电子束照射后的电子束抗蚀剂进行显影，在所述电子束抗蚀剂内形成多个环带状分布的多个小孔； 以所述具有多个环带状分布的多个小孔的电子束抗蚀剂为掩膜对所述不透光多层膜进行刻蚀，在所述不透光多层膜中形成多个环带状分布的多个小孔。
全文摘要
本发明实施例公开了一种光子筛及其制作方法。所述光子筛包括透光衬底；位于所述透光衬底上的不透光多层膜，所述不透光多层膜包括多层相间设置的金属膜和介质膜；设置在所述不透光多层膜上、呈多个环带状分布的多个小孔，每一环带上的多个小孔随机分布且彼此不重叠。本发明所提供的光子筛由于在透光衬底上设置有多层相间排列的金属膜和介质膜，且在所述多层相间排列的金属膜和介质膜内设置有呈环带状分布的多个小孔，因此，当光照射在所述光子筛上时，在金属膜和介质膜的表面等离子体极化和表面等离子体耦合将得到增强，从而有效地提高了光的透过率，进而提高了光子筛的衍射效率。
文档编号G02B5/18GK103018808SQ201110286868
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者李海亮, 史丽娜, 朱效立, 李冬梅, 谢常青, 刘明 申请人:中国科学院微电子研究所