[發(fā)明專利]基于高折射率材料的超分辨聚焦裝置

有效

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• 申請日: 2019-11-13
• 公開（公告）號: CN110673353B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張偉華;王中
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G02B27/58
• 分類號: G02B27/58;G02B1/00;G02B3/00;G03F7/20
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務(wù)所 32305
• 代理人: 李媛媛

本發(fā)明提供了一種基于高折射率材料的超分辨聚焦裝置。該裝置包括光源、聚焦元件和類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)，光源發(fā)出的光束先經(jīng)過聚焦元件初步聚焦為聚焦光或者平行光后，再入射到類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)進一步聚焦，在類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)的聚焦面處形成亞波長尺寸的聚焦光斑；類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)的材料采用折射率大于3的材料。本發(fā)明的裝置可以將聚焦光斑縮小至λ/10，利用徑向偏振光照明方式可以進一步提高聚焦光斑的焦深，同時聚焦光斑尺寸可以保持λ/8，且焦深可達到λ/5，有望用于納米尺度超分辨光刻技術(shù)、成像以及數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光光束聚焦光刻以及成像領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高折射率材料的超分辨聚焦裝置。

背景技術(shù)

納米光刻技術(shù)以其大面積、重復(fù)性好、易操作的優(yōu)勢已在加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。受光衍射極限Δx＝λ/2NA的限制，采用常規(guī)的光學(xué)曝光工藝無法直接實現(xiàn)納米尺度圖形的加工。為提高加工精度，推進衍射極限，提高分辨率主要分為兩種方法：

第一種是縮小光學(xué)曝光所采用的光波波長，目前應(yīng)用最廣的是波長為248nm、193nm的深紫外曝光技術(shù)(DUV)，以及波長為13.5nm的極紫外曝光技術(shù)(EUV)。這類技術(shù)光路設(shè)計復(fù)雜、光源以及設(shè)備極端昂貴，維護復(fù)雜。

第二種是提高數(shù)值孔徑，通過采用高數(shù)值控制的浸沒式透鏡能有效縮小光斑大小，提高分辨率，例如，利用浸油(油鏡)或浸水(水鏡)的方法能將物鏡的數(shù)值孔徑提高到1.5左右。然而，這類固體浸沒式透鏡的材料折射率都在2以下，這極大限制了此類方法的聚焦分辨能力。

目前沒有直接利用折射率大于3的材料所制作的工作波段在紫外或近紫外波段的浸沒式透鏡。在材料學(xué)上，高折射率的材料其吸收損耗也必然會大。常見的高折射率材料Si、Ge和GaAs等在可見光波段下的折射率都遠(yuǎn)大于3，但這類材料在可見光波段有著非常強的吸收，常規(guī)微米尺寸下是不透明的，所以這類材料所制作的固體浸沒透鏡大多用在紅外波段，用于光刻的意義不大。同時，由于存在極強的損耗，且這類材料的折射率與吸收率是隨著光波的波長變化的，所以這類材料在聚焦分析上與傳統(tǒng)的透明材料有很大不同，需要額外考慮折射率虛部的影響。因此，要設(shè)計此類高折射率材料的聚焦光斑大小和透鏡的結(jié)構(gòu)尺寸都與光波的波長密切相關(guān)。

然而，間接帶隙材料是一種吸收較弱的材料，例如Si。這類材料的穿透深度較小，往往小于一個波長也就是亞微米級別，利用減小光程的方法，也就是將聚焦透鏡的尺寸縮小至亞微米級別，就能利用這類材料的極高的折射率來實現(xiàn)提高數(shù)值孔徑，以提高分辨能力，達到超分辨的作用。由于近場效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)材料的透鏡在這個尺度上是不工作的，此時經(jīng)典的幾何光學(xué)將不再適用，需要利用散射理論來解釋，而最終得到的聚焦光斑是由光束在高折射率聚焦透鏡的結(jié)構(gòu)中的共振干涉產(chǎn)生。同時，材料的穿透深度與其折射率虛部直接相關(guān)，入射光束將在透鏡結(jié)構(gòu)中進行部分衰減后再聚焦，那么聚焦光斑的尺寸將由設(shè)計的透鏡結(jié)構(gòu)尺寸、形貌、入射光束的波長、偏振以及入射方向所共同決定。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的目的在于提供一種基于高折射率材料的超分辨聚焦裝置，以提高激光光束聚焦和成像能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

基于高折射率材料的超分辨聚焦裝置，包括光源、聚焦元件和類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)，光源發(fā)出的光束先經(jīng)過聚焦元件初步聚焦為聚焦光或者平行光后，再入射到類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)進一步聚焦，在類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)的聚焦面處形成亞波長尺寸的聚焦光斑；所述類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)的材料采用折射率大于3的材料。

進一步地，所述光束為自然光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光、線性偏振光、徑向偏振光或者角向偏振光。

進一步地，所述光束的波長范圍是350nm～2000nm。

進一步地，所述類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)的材料采用折射率大于3且折射率虛部不大于1的材料。

進一步地，所述類透鏡聚焦結(jié)構(gòu)的材料為硅、鍺或硅鍺合金。