一种金刚石超透镜及其制备方法和深紫外波段光路测量系统

本发明涉及光学系统的，尤其涉及一种金刚石超透镜及其制备方法和深紫外波段光路测量系统。

背景技术：

1、深紫外波段光刻机主要采用的是传统光学系统，光学系统是光刻机最核心的部分之一。为了实现高分辨率和高稳定性，光刻机的物镜系统是由数十块的光学镜片组成，其光学零件表面的粗糙度要控制在几个纳米以内。虽然传统光学透镜系统的有着良好的光学性能，但是其结构复杂、体积庞大、制备工序复杂和成本高昂，很难适应高速曝光的未来趋势。传统光学系统是通过沿光路进行连续相位积累来实现对入射光的调控的，连续相位积累往往需要单个透镜中心和边缘厚度差距大，结果必然导致光学系统笨重。这对光学系统的设计与其他光学器件的集成构成了重大挑战。而超透镜恰好可以同时满足以上优异性能，因此如何在深紫外波段利用超透镜替代传统光学系统成为一个研究热点。

2、随着新材料不断涌现以及微纳加工技术的不断发展，使得超透镜的设计和制备更加成熟。超透镜是利用超表面实现成像和聚焦功能的平面透镜，超表面是一系列人工微纳结构。超透镜通过调控超表面上的亚波长尺度的微纳结构来控制透射或反射场中电磁波的振幅、相位和偏振态，即通过对入射光进行不连续相位设计来进行波前调控，基于共振相位、几何相位和传输相位等机理可以实现透射或反射场中聚焦和成像。因此，超透镜的日益成熟使得透镜的设计更加灵活、体积更小，稳定性更强。特别重要的一点是，超透镜为平面透镜，因此天然能克服传统光学镜片由于凹凸形貌带来的像差和慧差问题。

3、目前，超透镜材料主要有金属和介质材料，相比金属材料，介质材料的损耗更小。所以基于介质材料的超透镜越来越引起研究者们的兴趣。当前，介质材料中硅、二氧化钛和氮化硅为主流材料。二氧化钛(tio2)具有较高的折射率，其吸收边大概在450nm，同时由于二氧化钛纳米结构可以同时支持电偶极子模式和磁偶极子模式，二氧化钛超表面已经被成功的用于超透镜设计。硅的的吸收边大概在500nm左右，除了具备和二氧化钛支持电偶极子和磁偶极子的优点外，还具有更高的折射率，因此可以实现对光场模式很强的局限。氮化硅在近紫外波段、可见光波段以及红外波段折射率在2.0以上，吸收边在300nm左右，300nm以下的吸收损耗过大，无法达到在深紫外波段实现高效波前调控的目标。二氧化钛、硅和氮化硅在深紫外波段均有吸收，无法满足深紫外光刻机物镜的需求，所以急需一种深紫外波段吸收损耗小的材料。

4、因此，现有超透镜的材料和制备工艺无法满足深紫外波段光刻机物镜的需求，如何得到高效率、体积小和制备难度低的深紫外波段超透镜，实现超透镜作为重要器件在深紫外光学系统的示范应用，从而扩展超透镜领域的应用价值是一个巨大的难点和挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供了一种金刚石超透镜及其制备方法和深紫外波段光路测量系统。本发明制备得到的金刚石超透镜体积小、球差、慧差小，具有偏振不敏感的功能，可在任意偏振态的入射下实现聚焦和成像功能。本发明还提供了一种深紫外波段光路测量系统，所搭建的测量系统光源稳定，可对所制备的金刚石超透镜性能进行准确表征。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种金刚石超透镜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)在金刚石上蒸镀铬层作为铬硬掩膜；

5、(2)在铬硬掩膜上旋涂光刻胶；

6、(3)对光刻胶进行电子束曝光，制备图案掩模，并对光刻胶进行显影、定影处理；

7、(4)在定影后的金刚石上蒸镀二氧化硅，然后将光刻胶与铬硬掩膜进行剥离处理；

8、(5)刻蚀铬硬掩模；

9、(6)然后选用感应耦合等离子刻蚀机刻蚀金刚石，rf功率为80-85w，刻蚀时间为130-135s；

10、(7)将刻蚀后的金刚石去除铬硬掩模，得到金刚石超透镜，所述金刚石超透镜包括基底和位于基底上的若干圆柱体状的结构单元。

11、本发明制备方法操作简单，克服了传统制备工序复杂的问题，同时，通过上述方法制备得到的金刚石超透镜，其体积小、球差、慧差小，具有偏振不敏感的功能，可在任意偏振态的入射下实现聚焦和成像功能。

12、所述金刚石超透镜呈圆柱体状，而由于圆柱体具有极高的对称性，其几何形状在所有方向上都是对称的，高对称性保证了圆柱体在不同方向上的电磁响应表现一致，因此在入射光经过金刚石超透镜的过程中，不论光是在哪一个方向上偏振，各个方向上的圆柱体都会起到相同的作用，使得金刚石超透镜的出射光不会受到偏振的影响，从而使得金刚石超透镜具有偏振不敏感的功能。

13、本发明通过调节刻蚀金刚石时的rf功率和刻蚀时间，能够保证金刚石超透镜中结构单元的完整度，有利于提高金刚石超透镜的性能。

14、优选地，所述步骤(2)中旋涂光刻胶时，在转速速率为3000-3500r/min，旋涂时间为55-60s，所述光刻胶旋涂完毕后在180-185℃温度下烘胶15-20min。

15、本发明中控制转速与保持时间在上述范围内，能够调控光刻胶的厚度，有利于控制金刚石超透镜的大小。

16、优选地，所述步骤(4)中蒸镀二氧化硅时的速率为

17、本发明将蒸镀二氧化硅的速率控制在上述范围内，能够更好地将图案转移至铬上。

18、优选地，所述步骤(5)中刻蚀铬硬掩模时选用感应耦合等离子刻蚀机进行刻蚀，感应耦合等离子刻蚀机的功率为1450-1500w，rf功率为2-2.5w，刻蚀时间为35-38s。

19、优选地，所述步骤(6)中刻蚀金刚石时，刻蚀气体为通量为45-50sccm的o2，感应耦合等离子刻蚀机的功率为400-500w，刻蚀速率为3-3.5nm/s。

20、第二方面，本发明还提供一种由上述方法制备得到的金刚石超透镜。

21、优选地，所述金刚石超透镜的直径不大于100μm，且所述金刚石超透镜中的结构单元的高度为400nm。

22、第三方面，本发明还提供一种深紫外波段光路测量系统，包括深紫外光源和测量光路，所述测量光路包括飞秒激光器、倍频晶体、分光光栅、准直红光、照明白光、紫外物镜、ccd相机、光阑、反射镜、透镜以及金刚石超透镜。

23、本发明所述深紫外波段光路测量系统，通过传输相位的原理操纵入射光相位分布，在任意偏振态入射光的照射下实现聚焦。并且，本发明所设计的光路测量系统光源稳定，可对所制备的金刚石超透镜性能进行准确表征。

24、优选地，所述紫外物镜选用150倍，数值孔径大于0.8。

25、本发明选择特定参数的紫外物镜，能够在深紫外波段范围内有效收集光线，并将其成像传递到ccd相机上，通过使用这样的物镜，可以保证测量所用的光学系统的分辨率和灵敏度，并对后续的分析提供有效的支持。

26、优选地，所述紫外物镜的筒镜透镜焦距设置为150-200mm。

27、透镜和紫外物镜的组合会影响金刚石超透镜在ccd相机上的分辨率，若ccd相机采集的分辨率过小，则整个金刚石超透镜将超出ccd相机可以收集的范围；若ccd相机采集的分辨率过大，则会影响金刚石超透镜聚焦焦点半高宽的测量。因此，本发明选取合适的放大倍数的物镜和筒镜透镜作为紫外物镜，有利于提高金刚石超透镜在ccd相机上的分辨率。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

29、(1)本发明制备得到的金刚石超透镜的直径不大于100μm，体积小、球差、慧差小，并且，具有偏振不敏感的功能，可在任意偏振态的入射下实现聚焦和成像功能。

30、(2)本发明所述深紫外波段光路测量系统，通过传输相位的原理操纵入射光相位分布，在任意偏振态入射光的照射下实现聚焦。并且，本发明所设计的光路测量系统光源稳定，可对所制备的金刚石超透镜性能进行准确表征。同时，也打破了传统深紫外波段光学系统的制备方案，有望应用于深紫外波段光刻机上，该领域应用前景和发展广阔。