CN102073084A - 一种方孔光子筛及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方孔光子筛及其制作方法，所述光子筛包括透光衬底和镀在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方形小孔；所述方形小孔呈环带状分布，所述环带半径为r_m、宽度为w_m，其中：对应r_m上的透光方形小孔的边长为：其中λ为波长，f为焦距，m为方形小孔分布的环数；所述方形小孔的对角线与方形小孔所在环带相垂直。本发明的方孔光子筛能够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。

Description

一种方孔光子筛及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学元件领域的一种衍射光学元件及其制作方法，具体地说，涉及一种方孔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

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有加工工艺无法制作大口径成像光子筛的缺陷，提供一种方孔光子筛及其制作方法，它能够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。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种方孔光子筛，所述光子筛包括透光衬底和镀在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方形小孔；

所述方形小孔呈环带状分布，所述方形小孔的对角线与方形小孔所在环带相垂直。

所述环带半径为r_m、宽度为w_m，其中：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²；

对应r_m上的透光方形小孔的边长为：

$a_m=\sqrt{2}{w}_m=\sqrt{2}\mathrm{\λ}{f/2r}_m$

其中λ为波长，f为焦距，m为方形小孔所在环带的环数，最内环为第一环。

所述透光衬底的材料为透光材料。

所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。

所述不透光金属薄膜的材料为铬、金、铝或铜。

所述不透光金属薄膜的厚度大于80nm。

本发明还同时公开了一种所述的方孔光子筛的制作方法，包括下列步骤：

(1)设计版图；

(2)根据设计的版图制作得到光学光刻掩膜版；

(3)在透光衬底上蒸镀一层金属薄膜；

(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，即得到方孔光子筛。

与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果为：

1、本发明所用的方孔光子筛其透光方形小孔的边长为相应波带片环带宽度的

倍，这些位置随机分布的透光方形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、本发明所采用的方孔光子筛将普通光子筛的圆孔用特定边长和方向取向的方孔来替代，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。

3、本发明所述方形小孔布置参数、边长参数及方向参数的选取使得本发明所述方孔光子筛能够获得最大的衍射效率。对于相同版图数据量的方孔光子筛比普通光子筛具有更高的透过率和分辨率。

附图说明

图1为本发明所述方孔光子筛结构示意图。

图2(a)和图2(b)为本发明所述单个方孔的边长和方向取向示意图。

图3为本发明所述方孔光子筛和普通光子筛制造数据量对比图。

图4(a)和图4(b)为本发明所述方孔选取不同边长和方向取向的方孔光子筛的聚焦特性图；其中，图4(a)是选取不同边长的聚焦光强分布图，图4(b)是选取不同方向取向的聚焦光强分布图。

图5(a)和图5(b)为本发明所述方孔光子筛和普通光子筛的聚焦特性图；其中，图5(a)是聚焦光强分布图，图5(b)是归一化聚焦光强指数分布图。

图6为本发明相同版图数据量的方孔光子筛和普通光子筛的聚焦特性图。

图7为本发明所述方孔光子筛制作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步描述。

一种方孔光子筛，包括透光石英衬底和镀在其上的不透光金属铬薄膜，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，不透光金属薄膜的材料还可以为金、铝或铜等不透光金属。

如图1所示，图1为本发明方孔光子筛示意图，其中白色孔为透光方形小孔2；黑色区域为不透光区域1，即不透光的金属铬薄膜。所述不透光金属薄膜的厚度大于80nm。所述不透光的金属铬薄膜1上分布若干透光方形小孔2；所述方形小孔呈环带状分布，所述方形小孔的对角线与方形小孔所在环带相垂直。

所述环带半径为r_m、环带宽度为w_m，其中：

r_m ²＝2mfλ+m²λ²；

对应r_m上的透光方形小孔的边长为：

$a_m=\sqrt{2}{w}_m=\sqrt{2}{\mathrm{\λf}/2r}_m;$

其中λ为波长，f为焦距，m为方形小孔所在环带的环数，最内环为第一环。

所述石英衬底的直径为10cm，方孔光子筛直径为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方孔边长为6μm。

本发明用方孔替代普通光子筛上的圆孔，这样会大大减少版图GDSII文件的数据量。

本发明将每层环带上的方孔边长设计为对应环带宽度的

倍，对角线方向与环带方向垂直，是通过单孔的透射函数计算得出的。

如图2(a)和图2(b)所示，当方孔边长变大时，多出来的白色部分其透射光相位相差在0～π/2之间，在远场干涉后能够叠加增强，多出来的阴影部分其透射光相位相差在-π/2～0之间，在远场干涉能够叠加减弱。

图2(a)中方孔随着边长的增加，叠加减弱部分的面积增加值比叠加增强部分的面积增加值大，其远场透过率会随着边长的增加而下降。因此，这种方向取向的方孔光子筛的衍射效率低。

图2(b)中，X为方孔边长，a为环带宽度。

如图2(b)所示，方孔随着边长的增加，叠加增强部分的面积增加值减去叠加减弱部分的面积增加值最大，因此这种方向取向的方孔光子筛具有最大的衍射效率。

另外，如图2(b)所示，随着边长的增加，叠加增强部分的面积增加率不变，而叠加减弱部分的面积增加率由少变多，当二者面积增加率相同的时候，远场的透过率能够取到最大值。

如图2(b)所示，其中：

$\frac{{\mathrm{dS}}_{+}}{\mathrm{dx}}=4\sqrt{2}a$

叠加减弱部分的面积增加率为：

$\frac{{\mathrm{dS}}_{-}}{\mathrm{dx}}=8x-4\sqrt{2}a$

二者相等时得到

即当边长为环带宽度的

倍时，透射率最大。

如图3所示，图3为本发明所述方孔光子筛和普通光子筛制造数据量对比图。由图3可以看到，随着光子筛直径的增大，方孔光子筛能够减少更多的版图GDSII文件的数据量。对于一定的加工数据上限，如1-1.5Gb，方孔光子筛能够获得更大的口径。

如图4(a)和图4(b)所示，为本发明实施例中选取不同边长和方向取向的方孔光子筛的聚焦特性图；其中，图4(a)是选取不同边长的聚焦光强分布图，可以看到，当边长为环带宽度的

倍时(即a/w＝1.414 1.414时)，衍射效率最大，比率增加或者减少，衍射效率都会下降。这说明我们设计的这种边长的方孔光子筛具有最大的衍射效率。图4(b)是选取不同方向取向的聚焦光强分布图，可以看到，我们设计的这种对角线垂直于环带(垂直取向)的方孔光子筛比边长平行于环带(水平取向)的方孔光子筛衍射效率要高，这与之前的理论推导是相符的。这两幅图说明了我们设计的这种方孔光子筛具有最大的衍射效率。

如图5(a)和图5(b)所示，为具有相同孔径的方孔光子筛和普通光子筛的聚焦特性图；其中，图5(a)是聚焦光强分布图，图5(b)是归一化聚焦光强指数分布图。图中可以看出，方孔光子筛的衍射效率比普通光子筛略低，但是其对旁瓣的抑制效果更好。

图6为相同版图数据量的方孔光子筛和普通光子筛的聚焦特性图。可以看到，相同制造数据量的方孔光子筛比普通光子筛衍射效率有明显的提升，并且可以达到更高的分辨率。这说明我们设计的这种方孔光子筛可以在大口径成像领域有很好的应用前景。

由图2至图6可以看出：

1、本发明所用的方孔光子筛其透光方形小孔的边长为相应波带片环带宽度的

倍，这些位置随机分布的透光方形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、本发明所采用的方孔光子筛将普通光子筛的圆孔用特定边长和方向取向的方孔来替代，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。

3、本发明所述方形小孔布置参数、边长参数及方向参数的选取使得本发明所述方孔光子筛能够获得最大的衍射效率。对于相同版图数据量的方孔光子筛比普通光子筛具有更高的透过率和分辨率。

如图7所示，图7为本发明实施例中方孔光子筛的制作方法流程图。

参见图7，方孔光子筛的制作方法步骤如下：

(1)设计版图。

(2)根据设计的版图制作得到光学光刻掩膜版。

(3)在透光衬底上蒸镀一层金属薄膜。

(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，即得到方孔光子筛。

本发明的方孔光子筛的设计方法中采用特定大小和方向取向的方孔来代替普通光子筛的圆孔，减小了86％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。

Claims (7)

1.一种方孔光子筛，所述光子筛包括透光衬底和镀在所述透光衬底上的不透光金属薄膜；其特征在于：所述不透光金属薄膜上分布有多个透光方形小孔；所述方形小孔呈环带状分布，所述方形小孔的对角线与方形小孔所在环带相垂直。

2.如权利要求1所述的方孔光子筛，其特征在于：所述环带半径为rm、环带宽度为wm，其中：

rm2＝2mfλ+m2λ2；

对应rm上的透光方形小孔的边长为：

$a_m=\sqrt{2}{w}_m=\sqrt{2}\mathrm{\λf}/{2r}_m;$

其中λ为波长，f为焦距，m为方形小孔所在环带的环数，最内环为第一环。

3.如权利要求2所述的方孔光子筛，其特征在于：所述透光衬底的材料为透光材料。

4.如权利要求3所述的方孔光子筛，其特征在于：所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。

5.如权利要求1所述的方孔光子筛，其特征在于：所述不透光金属薄膜的材料为铬、金、铝或铜。

6.如权利要求5所述的方孔光子筛，其特征在于：所述不透光金属薄膜的厚度大于80nm。

7.一种方孔光子筛的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)设计版图；

(2)根据设计的版图制作得到光学光刻掩膜版；

(3)在透光衬底上蒸镀一层金属薄膜；

(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，即得到方孔光子筛。

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