用于大口径成像的复合型光子筛及其制作方法

摘要

本发明公开了一种用于大口径成像的复合型光子筛及其制作方法，属于衍射光学元件技术领域。所述复合型光子筛包括透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，在不透光薄膜上设计有一系列透光环带和随机分布的透光小孔。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，透光环带和透光小孔所在的位置没有金属挡光层。本发明提供的复合型光子筛，相对于菲涅尔波带片，可以提高数值孔径，提高成像分辨率，能够有效的抑制光轴方向的旁瓣效应和高阶衍射；相对于普通光子筛，能够提高成像对比度，并且有效减小GDSII版图文件的数据量，降低大口径成像光子筛的加工难度。

说明书

技术领域

本发明涉及衍射光学元件技术领域，具体涉及一种用于大口径成像的复合型光子筛及其制作方法。

背景技术

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。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高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。

传统波带片在成像领域的分辨率取决于它的最外环宽度，该尺寸受到加工工艺的限制因而分辨率难以得到进一步的提高。光子筛由于其最外环小孔直径为对应波带片环宽的1.5倍，因此可以放宽对加工工艺的要求，进而制作更大口径的光子筛，提高了数值孔径，从而提高成像的分辨率。

光子筛的重量比相同参数的波带片更轻，因而在航天望远镜领域有着更加广阔的前景。光子筛的这些特性使得它在高分辨率成像、亚波长光刻、显微镜技术方面有着非常好的应用前景。

虽然大口径光子筛在紫外望远镜成像领域有着广阔的应用前景，但是其存在两个缺陷：

1)制作版图所需的数据量巨大，现有的加工工艺难以达到要求；

2)衍射效率低，成像对比度不好。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了提高光子筛的衍射效率，提高成像对比度，本发明的一个目的在于提供一种用于大口径成像的复合型光子筛。

为了解决现有加工工艺无法制作大口径成像光子筛的问题，本发明的另一目的在于提供一种用于大口径成像的复合型光子筛的制作方法，以有效降低版图数据量，使得现有的加工工艺能够满足大口径成像光子筛的制作要求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合型光子筛，该光子筛包括透光衬底和镀在该透光衬底上的不透光的金属薄膜，该不透光的金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干随机分布的透光小孔。

上述方案中，所述透光衬底采用的材料为透光材料，该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采用的材料为铬、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，所述一系列透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为r_n，宽度为w_n，其中r_n²＝2nfλ+n²λ²，w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距。

上述方案中，所述一系列透光环带的分布半径范围为复合型光子筛半径的1/3至2/3之间部分。

上述方案中，所述随机分布的透光小孔为平面式透光小孔，其分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，其中：

r_m²＝2mfλ+m²λ²，

对应r_m上的平面式透光小孔的直径为：

d_m＝w_m＝λ/2r_m，其中λ为波长，f为焦距。

上述方案中，所述随机分布的透光小孔分布半径范围为复合型光子筛半径的内部1/3和外部1/3部分。

一种复合型光子筛的制作方法，该方法包括：

设计版图；

根据设计的版图制作得到光学光刻掩膜版；

在透光衬底上蒸镀一层金属薄膜；

在透光衬底上涂覆光刻胶，用该光学光刻掩膜版进行光学光刻，显影定影后，采用湿法或者干法腐蚀的方法将光刻后暴露出来的金属薄膜去除。

上述方案中，所述设计版图的步骤包括：在复合型光子筛的径向上，内部1/3部分所构成的环带和外部1/3部分所构成的环带上分别随机分布若干透光小孔，在中间1/3部分所构成的环带上分布一系列透光环带；

上述方案中，所述一系列透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为r_n，宽度为w_n，其中r_n²＝2nfλ+n²λ²，w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距；

所述随机分布的透光小孔为平面式透光小孔，其分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，其中r_m²＝2mfλ+m²λ²，对应r_m上的平面式透光小孔的直径为d_m＝w_m＝λ/2r_m，其中λ为波长，f为焦距。

(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：

1、本发明所用的复合型光子筛其透光小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍，相对于波带片，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高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。

2、本发明所采用的复合型光子筛将普通光子筛的中间1/3部分用波带片来替代，从而增加了透过率，提高了衍射效率，使成像对比度得到了提升。

3、本发明所采用的复合型光子筛将普通光子筛的中间1/3部分用透光环带来替代，从而大大降低了版图GDSII文件的数据量，从而降低了加工难度，使得现有的制造技术水平能够满足大口径成像光子筛的制作。

附图说明

图1为本发明实施例中为了对比所采用的波带片，光子筛和复合型光子筛的结构示意图，它们具有相同的特征尺寸；其中，图1(a)、图1(b)、图1(c)分别代表波带片、光子筛和复合型光子筛。

图2为本发明实施例中复合型光子筛和普通光子筛制造数据量对比图；其中，图2(a)为复合型光子筛和普通光子筛不同环带处的数据量分布图，图2(b)为不同直径的复合型光子筛和普通光子筛所需的数据量变化图。

图3为本发明实施例中波带片，光子筛和复合型光子筛的聚焦特性仿真图；其中，图3(a)是聚焦光强分布图，图3(b)是归一化聚焦光强指数分布图。

图4为本发明实施例中复合型光子筛的掩膜版及其局部放大图。

图5为本发明实施例中成像实验光路图。

图6为本发明实施例中成像实验结果图；其中，图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为波带片、光子筛和复合型光子筛对分辨率版所成的像，图6(d)为三种器件所成的像中10μm线条的光强剖面分布图。

图7为本发明实施例中复合型光子筛制作方法流程图。

具体实施方式

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。

一种复合型光子筛，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一系列透光环带和若干透光小孔；所述石英衬底的直径为10cm，光子筛直径为17.75mm，环带数为370环，波长为355nm，焦距为0.3m，最外层环带上的透光小孔直径为9μm，特征尺寸6μm。其中，在第42～165环(即半径的1/3～2/3处)，本发明采用透光环带来代替随机分布的透光小孔。所述设计参数既实现了光子筛的大的数值孔径又兼顾了小的特征尺寸，使得成像分辨率比一般波带片更有竞争力。

为了对比该复合型光子筛与波带片、普通光子筛的成像效果。本发明还设计了具有相同特征尺寸、波长和焦距的波带片和普通光子筛。其中，波带片直径为11.83mm，环带数165环；光子筛直径17.75mm，370环。

该复合型光子筛透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为r_n，宽度为w_n，其中：

r_n²＝2nfλ+n²λ²，

w_n＝λ/2r_n，n＝42～165，

其中λ为波长，f为焦距。

随机分布的透光小孔为平面式透光小孔，其分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，其中：

r_m²＝2mfλ+m²λ²，

对应r_m上的平面式透光小孔的直径为：

d_m＝w_m＝λ/2r_m，m＝1-41，166-370，

其中λ为波长，f为焦距。

如图1所示，图1(c)为本发明复合型光子筛(CPS)示意图，图1(a)、图1(b)分别表示对比试验中采用的波带片(FZP)和普通光子筛(PS)示意图，其中白色圆孔为随机分布的透光小孔，黑色区域为不透光区域。

复合型光子筛上包括内部环带上随机分布的透光小孔、中间透光环带和外部环带上随机分布的透光小孔，所述内部环带、中间环带和外部环带总宽度各占半径的1/3。本发明采取这样设计的原因是：1)普通光子筛的数据量在半径的1/3以内都很小，而在半径的1/3以外急剧增加(经过整形后的光子筛在最外环部分数据量有所减少)，因此，将半径的外面2/3部分采用透光环带的设计可以降低版图的复杂度，从而减少数据量(详见图2的说明)。2)普通光子筛其半径的外部1/3部分相对于菲涅尔波带片是扩展部分，其透明小孔直径为相应透光环带的1.5倍。因此，在保持具有相同特征尺寸的前提下，这一部分的透光小孔不能被替换为透光环带。综合以上两点，我们设计的复合型光子筛采用内外1/3半径为透光小孔，中间1/3半径为透光环带。

如图2所示，图2为本发明实施例中复合型光子筛和普通光子筛制造数据量对比图。其中，图2(a)为复合型光子筛和普通光子筛不同环带处的数据量分布图。可以看到，在1/3半径以外的部分，普通光子筛版图数据量明显增加，而复合型光子筛在中间1/3部分数据量明显减少。图2(b)为不同直径的复合型光子筛和普通光子筛所需的数据量变化图。可以看到，随着直径的增大，复合型光子筛能够减少更多的数据量。对于一定的加工数据上限，复合型光子筛能够获得更大的口径。

如图3所示，图3为波带片、光子筛和复合型光子筛的聚焦特性仿真图。其中，图3(a)是聚焦光强分布图，图3(b)是归一化聚焦光强指数分布图。从图中可以看到，复合型光子筛相对于普通光子筛其聚焦峰值提高了60％。这种复合型光子筛对旁瓣也有较优的抑制作用，其旁瓣稍大于普通光子筛但是明显优于波带片。我们将中间1/3部分采用透光环带设计，也是在最大程度的减少数据量的基础上获得尽可能好的旁瓣抑制效果。因此，该方案是一种最优化的设计方案。

如图4所示，图4为复合型光子筛的掩膜版及其局部放大图。

如图5所示，图5为成像实验光路图。我们采用离轴照明的方法来进行实验，从而最大限度的减少0级衍射光对像的干扰。

如图6所示，图6为本发明实施例中成像实验结果图。其中，图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为波带片、光子筛和复合型光子筛对分辨率版所成的像。图6(d)为三种器件所成的像中10μm线条的光强剖面分布图。

如图7所示，一种复合型光子筛的制作方法，制作方法步骤如下：

步骤1：设计版图：

在设计版图过程中，在复合型光子筛的径向上，内部1/3部分所构成的环带和外部1/3部分所构成的环带上分别随机分布若干透光小孔，在中间1/3部分所构成的环带上分布一系列透光环带；

在版图设计的过程中，一系列透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为r_n，宽度为w_n，其中：

r_n²＝2nfλ+n²λ²，

w_n＝λ/2r_n，其中λ为波长，f为焦距。

随机分布的透光小孔为平面式透光小孔，其分布在中心半径为r_m，宽度为w_m的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径r_m上，其中：

r_m²＝2mfλ+m²λ²，

对应r_m上的平面式透光小孔的直径为：

d_m＝w_m＝λ/2r_m，其中λ为波长，f为焦距。

根据该设计所得的复合型光子筛，其生成的GDSII数据文件的数据量为84.8MB，而不采用此种设计方法所生成的普通光子筛的GDSII数据文件其数据量为135.7MB。因此，该复合型光子筛比普通光子筛减少了38％的数据量。二者数据量的差异主要在于复合型光子筛的中间部分采用的波带片数据量只有1.43MB，而普通光子筛的中间部分数据量为57.67MB。因此，复合型光子筛能够有效减少制造所需的数据量。这在大口径光子筛的制造过程中尤其有用，能够在现有制造工艺能够达到的水平上制作更大口径的光子筛，提高成像分辨率。

步骤2：根据设计的版图制作得到光学光刻掩膜版。

步骤3：在透光衬底上蒸镀一层金属薄膜。

步骤4：在透光衬底上涂覆光刻胶，用光学光刻掩膜版进行光学光刻，显影定影后，采用湿法或者干法腐蚀的方法将光刻后暴露出来的金属薄膜去除，即得到复合型光子筛。

本发明的复合型光子筛是将普通光子筛的中间1/3半径部分的透光小孔用透光环带来代替，这些透光环带使得入射光的透过率得到增强，提高了衍射效率，从而得到更高的成像对比度。

本发明的复合型光子筛的制作方法中采用透光环带来代替普通光子筛的中间1/3半径部分的透光小孔，提升了60％的衍射效率并且减小了38％的版图数据量，降低了制作大口径成像光子筛对当前工艺制造水平的需求。

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。