一种用于激光直写的长焦深扇形分区光子筛

摘要

本发明公开了一种用于激光直写的长焦深扇形分区光子筛。该光子筛结构包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，所述不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，该透光圆孔呈环带状分布，分布按公式r

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件设计技术领域，尤其涉及一种光子筛结构，利用扇形分区实现光子 筛长焦深的方法。

背景技术

目前传统的光学投影式光刻技术由于昂贵的掩模成本、缺乏应用于更短激光波长的透射 材料、波长进一步缩短带来的一系列技术难题等因素的影响，面临着巨大的成本和技术挑战。

光子筛作为一种新型衍射光学元件，是由L Kip.等人在传统波带片的基础上提出。它是 用分布在波带片环带上的一系列透光小孔代替波带片的环带，小孔的中心位于波带片透光环 带中心且随机分布，其直径随相应环带宽度变化而变化。光束通过各个小孔后到达衍射焦点， 它们的光程差相同或相差波长的整数倍，经衍射相干迭加，形成高分辨聚焦的焦点。

基于光子筛这一特点，各国学者都致力于有关光子筛的结构设计与应用研究，并取得了 一系列的理论和实验结果。2003年，美国麻省理工学院的Rajesh Menon等人发表文章，给 出了光子筛在光刻系统中的具体应用实例。2005年中科院微电子所开展光子筛聚焦特性研 究，2008年中国科学院光电技术研究所提出了光子筛作为衍射聚焦元件在激光直写光刻系统 中的应用。

光子筛用于激光直写，分辨力和焦深是关键，而由光刻分辨力公式可知，高分辨力必然 导致有效焦深的减小，因此，在超高光刻分辨力的条件下，如何增大焦深，已成为这种光刻 方法的关键问题。

本发明提出一种光子筛结构，利用扇形分区实现光子筛长焦深的方法，将该光子筛应用 于激光直写，将激光直写设备同时具有高分辨力、低成本、高生产效率等优点，故在下一代 光刻技术竞争中将具有显著优势，对提升我国光刻技术领域研究的自主创新能力具有战略意 义。与此同时，可大大缩短我国微电子产业与先进国家的差距，对我国微电子产业在二十一 世纪达到国际先进水平奠定坚实的理论和实验基础。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于提供一种用于激光直写的长焦深扇形分区光子筛，在 光子筛聚焦分辨力一定的情况下，获得较大焦深。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于激光直写的长焦深扇形分区光子筛，该光子筛为透明的玻璃基底，在该透明的 玻璃基底上镀不透光金属薄膜，在不透光金属薄膜上有多个透光小圆孔，该透光小圆孔呈环 带状分布，所述的一种用于激光直写的长焦深扇形分区光子筛设计过程如下:

(1)该光子筛采用扇形分区结构，即按照一定的张角将光子筛等分为Max个扇区， 分区原则为其中Max是总扇区数；为光子筛扇形分区的张角；的选取应 能保证Max为整数。扇区标示按照极坐标的方式确定，及张角为的扇区为1号扇区， 张角为的扇区为2号扇区，一直到张角为的扇区为Max号扇 区。

(2)各扇区对应各自焦距f₁，f₂，…f_2m…f_Max，m是大于等于1并小于等于Max的整数， 依据每个扇区采用光子筛的传统设计方法，获得各扇区内光子筛小孔的大小及位置。环带满 足公式r_m,n²＝2nf_m,nλ+n²λ²其中r_m，n为环带半径；n为圆孔所在环带的环数，最内环为第1 环；f_m，n为第m号扇区内第n环所对应的焦距；λ为波长。对应r_mn上的透光孔的直径为d_m，其中d_m，n表示第m号扇区内第n环所对应的透光孔的直径；w_mn为环带宽度；λ为波长；f_m，n为第m号扇区内第n环所对应的焦距；r_m，n为环带半径。

(3)每个扇区对应各自焦距，为同时保证长焦深和聚焦质量，设定间隔d个扇区的焦 距值相等，即f_m，n＝f_(m+d)，n，f_m，n为第m号扇区内第n环所对应的焦距，f_(m+d)，n为第m+d 号扇区内第n环所对应的焦距。

(4)每个扇区对应的焦距值按照d为周期重复，但在单个周期内焦距值为等差递增数 列，即△＝f₂-f₁＝f₃-f₂＝…＝f_d-f_d-1，△为焦距增量值；f_d为第d号扇区所对应的焦距值，d为设 计指定值。

(5)焦距增量值△＝DOF/K，其中DOF为光子筛焦深；K为焦深扩展因子，数值K的 设定依据实际需要。

与现有设计方法相比，本发明技术方案产生的有益效果为：

在不降低光子筛分辨力和提高加工难度的情况下，本设计方法，可以有效的增大焦深， 为光子筛直写光刻的实施奠定基础。

附图说明

图1为本发明光子筛扇形分区的结构示意图；

图2为本发明光子筛扇形分区的通过小孔设计示意图；

图3为本发明光子筛示意图。

具体实施方式

本发明描述的是一种采用扇形分区方法，从而实现一种用于激光直写的长焦深光子筛， 该方法具有普适性，但为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 例和特例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的光子筛结构，包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光金属薄膜，所述 不透光金属薄膜上分布有多个透光圆孔，该透光圆孔呈环带状分布。透光衬底的材料可以为 普通玻璃或有机玻璃等透光材料，不透光金属薄膜的材料可以为金、铝或铜等不透光金属。

如图1所示，为本发明光子筛扇形分区的结构示意图，为了描述方便，本发明设定张角 则依照分区原则光子筛等分为12个扇区。扇区标示按 照极坐标的方式确定，及张角为(0°～30°)的扇区为1号扇区，张角为(30°～60°)的扇区为 2号扇区，张角为(60°～90°)的扇区为3号扇区，张角为(90°～120°)的扇区为4号扇区， 张角为(120°～150°)的扇区为5号扇区，张角为(150°～180°)的扇区为6号扇区，张角为 (180°～210°)的扇区为7号扇区，张角为(210°～240°)的扇区为8号扇区，张角为(240°～270°) 的扇区为9号扇区，张角为(270°～300°)的扇区为10号扇区，张角为(300°～330°)的扇区 为11号扇区，张角为(330°～360°)的扇区为12号扇区。

如图2所示，各扇区对应各自焦距f₁，f₂，f₃，f₄，f₅，f₆，f₇，f₈，f₉，f₁₀，f₁₁，f₁₂依据 每个扇区采用光子筛的传统设计方法，获得各扇区内光子筛小孔的大小及位置。环带满足公 式r_m,n²＝2nf_m,nλ+n²λ²其中r_m，n为环带半径；n为圆孔所在环带的环数；f_m，n为第m号扇区 内第n环所对应的焦距；λ为波长。对应r_m，n上的透光孔的直径为其中d_m，n表示第m号扇区内第n环所对应的透光孔的直径；w_m，n为环带宽度；λ为波长；f_m，n为第m号扇区内第n环所对应的焦距；r_m，n为环带半径。每个扇区对应各自焦距，为同时 保证长焦深和聚焦质量，设定间隔d个扇区的焦距值相等，这里设定d＝3，即f₁＝f₄＝f₇＝f₁₀； f₂＝f₅＝f₈＝f₁₁；f₃＝f₆＝f₉＝f₁₂。如图2所示，每个扇区对应的焦距值以3为周期重复，但在 单个周期内焦距值为等差递增数列，即△＝f₂-f₁＝f₃-f₂。△为焦距增量值。由公式△＝DOF/K 可知，△由光子筛焦深DOF所决定；K为焦深扩展因子，本实施例设定K＝2。

图3为本发明光子筛结构示意图，其中白色孔为透光圆孔2；黑色区域为不透光区域1， 即不透光的金属铬薄膜。所述不透光的金属铬薄膜1上分布若干透光圆孔2；所述圆孔呈环 带状分布。

本发明按照以上设计进行的仿真和实验表明，合理的设计焦距增量△，可在不影响分辨 力的情况下，获得极大的增大焦深。

本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公共常识。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些修改也视为本发明的保 护范围。