一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩。該光子篩結構包括透光襯底和鍍在該透光襯底上的不透光金屬薄膜，所述不透光金屬薄膜上分布有多個透光圓孔，該透光圓孔呈環帶狀分布，分布按公式rmn2＝2nfmnλ+n2λ2，其中rmn為環帶半徑；n為圓孔所在環帶的環數；fmn為第m號扇區內第n環所對應的焦距；λ為波長。對應rmn上的透光孔的直徑為其中wmn為環帶寬度；λ為波長；fmn為第m號扇區內第n環所對應的焦距；rmn為環帶半徑。本發明突破原有固定焦點設計的思想，針對于在不影響分辨力的情況下，采用光子篩扇形分區設計，實現多焦點部分重疊，有效增大焦深，為光子篩直寫光刻的實用化奠定基礎。
【專利說明】一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學元件設計【技術領域】，尤其涉及一種光子篩結構，利用扇形分區實現光子篩長焦深的方法。
【背景技術】
[0002]目前傳統的光學投影式光刻技術由于昂貴的掩模成本、缺乏應用于更短激光波長的透射材料、波長進一步縮短帶來的一系列技術難題等因素的影響，面臨著巨大的成本和技術挑戰。
[0003]光子篩作為一種新型衍射光學元件，是由L Kip.等人在傳統波帶片的基礎上提出。它是用分布在波帶片環帶上的一系列透光小孔代替波帶片的環帶，小孔的中心位于波帶片透光環帶中心且隨機分布，其直徑隨相應環帶寬度變化而變化。光束通過各個小孔后到達衍射焦點，它們的光程差相同或相差波長的整數倍，經衍射相干迭加，形成高分辨聚焦的焦點。
[0004]基于光子篩這一特點，各國學者都致力于有關光子篩的結構設計與應用研究，并取得了一系列的理論和實驗結果。2003年，美國麻省理工學院的Rajesh Menon等人發表文章，給出了光子篩在光刻系統中的具體應用實例。2005年中科院微電子所開展光子篩聚焦特性研究，2008年中國科學院光電技術研究所提出了光子篩作為衍射聚焦元件在激光直寫光刻系統中的應用。
[0005]光子篩用于激光直寫，分辨力和焦深是關鍵，而由光刻分辨力公式可知，高分辨力必然導致有效焦深的減小，因此，在超高光刻分辨力的條件下，如何增大焦深，已成為這種光刻方法的關鍵問題。
[0006]本發明提出一種光子篩結構，利用扇形分區實現光子篩長焦深的方法，將該光子篩應用于激光直寫，將激光直寫設備同時具有高分辨力、低成本、高生產效率等優點，故在下一代光刻技術競爭中將具有顯著優勢，對提升我國光刻【技術領域】研究的自主創新能力具有戰略意義。與此同時，可大大縮短我國微電子產業與先進國家的差距，對我國微電子產業在二十一世紀達到國際先進水平奠定堅實的理論和實驗基礎。
【發明內容】
[0007]本發明需要解決的技術問題就在于提供一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，在光子篩聚焦分辨力一定的情況下，獲得較大焦深。
[0008]為解決上述問題，本發明采用如下技術方案:
[0009]一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，該光子篩為透明的玻璃基底，在該透明的玻璃基底上鍍不透光金屬薄膜，在不透光金屬薄膜上有多個透光小圓孔，該透光小圓孔呈環帶狀分布，所述的一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩設計過程如下:
[0010](I)該光子篩采用扇形分區結構，即按照一定的張角V，將光子篩等分為Max個扇區，分區原則為Μαχ=./φ，其中Max是總扇區數；Ψ為光子篩扇形分區的張角；φ的選取應能保證Max為整數。扇區標示按照極坐標的方式確定，及張角為(Οι>)的扇區為I號扇區，張角為4?卻)的扇區為2號扇區,一直到張角為(dx-J) r Mo輝>)的扇區為Max號扇區。
[0011](2)各扇區對應各自焦距f1;f2，…f2n/"fMax，m是大于等于I并小于等于Max的整數，依據每個扇區采用光子篩的傳統設計方法，獲得各扇區內光子篩小孔的大小及位置。環帶滿足公式rm，n2 = 2η?.π，ηλ+η2λ2其中rm n為環帶半徑；n為圓孔所在環帶的環數，最內環為第I環；fm,n為第m號扇區內第η環所對應的焦距；λ為波長。對應上的透光孔的直徑為dm,/2r_，其中dm,n表示第m號扇區內第η環所對應的透光孔的直徑;wmn為環帶寬度；λ為波長；fm,n為第m號扇區內第η環所對應的焦距；rm,n為環帶半徑。
[0012](3)每個扇區對應各自焦距，為同時保證長焦深和聚焦質量，設定間隔d個扇區的焦距值相等，即fm,n = f(m+d),n, fm,n為第m號扇區內第η環所對應的焦距,f(m+d),n為第m+d號扇區內第η環所對應的焦距。
[0013](4)每個扇區對應的焦距值按照d為周期重復，但在單個周期內焦距值為等差遞增數列，即Λ= f2~f1 = f3-f2 =…=fd-fVp Λ為焦距增量值；fd為第d號扇區所對應的焦距值，d為設計指定值。
[0014](5)焦距增量值Λ= D0F/K，其中DOF為光子篩焦深；K為焦深擴展因子，數值K的設定依據實際需要。
[0015]與現有設計方法相比，本發明技術方案產生的有益效果為:
[0016]在不降低光子篩分辨力和提高加工難度的情況下，本設計方法，可以有效的增大焦深，為光子篩直寫光刻的實施奠定基礎。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明光子篩扇形分區的結構示意圖；
[0018]圖2為本發明光子篩扇形分區的通過小孔設計示意圖；
[0019]圖3為本發明光子篩示意圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明描述的是一種采用扇形分區方法，從而實現一種用于激光直寫的長焦深光子篩，該方法具有普適性，但為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實例和特例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0021]本發明提供的光子篩結構，包括透光襯底和鍍在該透光襯底上的不透光金屬薄膜，所述不透光金屬薄膜上分布有多個透光圓孔，該透光圓孔呈環帶狀分布。透光襯底的材料可以為普通玻璃或有機玻璃等透光材料，不透光金屬薄膜的材料可以為金、鋁或銅等不透光金屬。
[0022]如圖1所示，為本發明光子篩扇形分區的結構示意圖，為了描述方便，本發明設定張角『扣則依照分區原則Μαχ=360>=360730°=?2光子篩等分為12個扇區。扇區標示按照極坐標的方式確定，及張角為(0°?30° )的扇區為I號扇區，張角為(30°?60° )的扇區為2號扇區，張角為(60°?90° )的扇區為3號扇區，張角為(90°?120° )的扇區為4號扇區，張角為(120°?150° )的扇區為5號扇區，張角為(150°?180° )的扇區為6號扇區，張角為(180°?210° )的扇區為7號扇區，張角為(210°?240° )的扇區為8號扇區，張角為(240°?270° )的扇區為9號扇區，張角為(270°?300° )的扇區為10號扇區，張角為(300°?330° )的扇區為11號扇區，張角為(330°?360° )的扇區為12號扇區。
[0023]如圖2所示，各扇區對應各自焦距f1；f2, f3，f4，f5，f6，f7, f8, f9, f10, fn, f12依據每個扇區采用光子篩的傳統設計方法，獲得各扇區內光子篩小孔的大小及位置。環帶滿足公式!■_2 = 21!41>+112入2其中1*_為環帶半徑；11為圓孔所在環帶的環數；411為第111號扇區內第
η環所對應的焦距；λ為波長。對應rm,n上的透光孔的直徑為i/m,n=>/^mn = &/mn/2rmn，
其中dm,n表示第m號扇區內第η環所對應的透光孔的直徑;wm,n為環帶寬度；λ為波長；fm,n為第m號扇區內第η環所對應的焦距；rm,n為環帶半徑。每個扇區對應各自焦距，為同時保證長焦深和聚焦質量，設定間隔d個扇區的焦距值相等,這里設定d = 3,即= f4 = f7 =f10 ;f2 = f5 = f8 = fn ;f3 = f6 = f9 = f12。如圖2所示，每個扇區對應的焦距值以3為周期重復，但在單個周期內焦距值為等差遞增數列，即Λ= f2-f\ = f3_f2。Λ為焦距增量值。由公式Λ = D0F/K可知，Λ由光子篩焦深DOF所決定；Κ為焦深擴展因子，本實施例設定K =2。
[0024]圖3為本發明光子篩結構示意圖，其中白色孔為透光圓孔2 ;黑色區域為不透光區域1，即不透光的金屬鉻薄膜。所述不透光的金屬鉻薄膜I上分布若干透光圓孔2 ;所述圓孔呈環帶狀分布。
[0025]本發明按照以上設計進行的仿真和實驗表明，合理的設計焦距增量Λ，可在不影響分辨力的情況下，獲得極大的增大焦深。
[0026]本發明未詳細闡述的內容為本領域技術人員的公共常識。
[0027]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干的改進和潤飾，這些修改也視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，其特征在于:所述的光子篩采用扇形分區結構，即按照一定的張角φ，將光子篩等分為Max個扇區，分區原則為-Μ:/λ.=360 !φ,其中Max為總扇區數j為光子篩扇形分區的張角'Ψ的選取應能保證Max為整數，扇區標示按照極坐標的方式確定，即張角為O?P的扇區為I號扇區，張角為?的扇區為2號扇區，一直到張角為φ~ Μαχφ的扇區為Max號扇區。
2.根據權利要求1所述的一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，其特征在于:各扇區對應各自焦距f\，f2r……fMax，m是大于等于I并小于等于Max的整數,依據每個扇區采用光子篩的設計方法，獲得各扇區內光子篩小孔的大小及位置；環帶滿足公式rm，n2 = 2η?.π，ηλ+η2λ2其中rm,n為環帶半徑；n為圓孔所在環帶的環數，最內環為第I環；fm, η為第m號扇區內第η環所對應的焦距；λ為波長；對應rm, n上的透光孔的直徑為 = >/^vmn = ^iyinn /27“，其中Wnun為環帶寬度；λ為波長為第m號扇區內第η環所對應的焦距；rm,n為環帶半徑。
3.根據權利要求2所述的一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，其特征在于:每個扇區對應各自焦距，為同時保證長焦深和聚焦質量，設定間隔d個扇區的焦距值相等，即fm,n = f (m+d), η? η為第m號扇區內第Π環所對應的焦距，f(m+d),n為第m+d號扇區內第Π環所對應的焦距。
4.根據權利要求3所述的一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，其特征在于:每個扇區對應的焦距值按照d為周期重復，但在單個周期內焦距值為等差遞增數列，即Λ=f2-fi = f3-f2 =…=fd-fd+A為焦距增量值；fd為第d號扇區所對應的焦距值，d為設計指定值。
5.根據權利要求4所述的一種用于激光直寫的長焦深扇形分區光子篩，其特征在于:焦距增量值Λ = DOF/K，其中DOF為光子篩焦深；Κ為焦深擴展因子，數值K的設定依據實際需要。
【文檔編號】G02B5/18GK104199135SQ201410478006
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】嚴偉, 何渝, 李艷麗, 唐燕, 趙立新, 胡松 申請人:中國科學院光電技術研究所