專利名稱:一種用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光刻技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡。
背景技術(shù):
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和芯片集成度的提高,光刻工藝不斷向前發(fā)展并一再突破 分辨率極限,如何進一步提高投影光刻系統(tǒng)的分辨率和焦深,提高投影光刻機的性能成了 關(guān)注的熱點??s短曝光波長、增大投影物鏡的數(shù)值孔徑、減小工藝因子都可達(dá)到提高分辨率 的目的,但同時又制約了焦深的增大。采用分辨率增強技術(shù)是解決上述問題的主要途徑之
ο離軸照明是近年來投影光刻系統(tǒng)中常采用的一種分辨率增強技術(shù)。常見的離軸照 明模式有環(huán)形均勻照明、偶極均勻照明、四極均勻照明等。實現(xiàn)離軸照明最簡單的方法是, 將一個形狀和尺寸與預(yù)定的照明模式一致的光闌置于光學(xué)積分器的后表面,透過光闌的光 束在目標(biāo)面上便形成預(yù)定的離軸照明模式。由于存在對光束的阻擋,該方法能量利用率較 低。另一種方法是采用光學(xué)衍射元件(DOE)來實現(xiàn)離軸照明。光束經(jīng)光學(xué)衍射元件作用后 直接在目標(biāo)面產(chǎn)生所需的離軸照明模式,因而大大提高了能量利用率。然而,衍射光學(xué)元件 存在一定的衍射效率,且衍射效率與DOE加工工藝有一定的制約,因此,想通過衍射光學(xué)元 件進一步提高能量利用率是十分困難的。美國專利US20090135392A1提出了一種用于曝光裝置中實現(xiàn)離軸照明的空間光 束調(diào)制單元。該種空間光束調(diào)制單元由依次放置于光束傳播方向上的兩個空間光束調(diào)制器 組成,每個空間光束調(diào)制器由相同數(shù)量的反射鏡以二維陣列的方式構(gòu)成??刂茊卧ㄟ^控 制兩個空間光束調(diào)制器上每個反射鏡的傾斜角,來實現(xiàn)相應(yīng)的離軸照明模式。由于兩個空 間光束調(diào)制器上的每個反射鏡的傾斜角都需要通過控制單元單獨控制,這勢必增加了系統(tǒng) 的復(fù)雜程度。同時,當(dāng)相鄰的反射鏡之間有相對傾斜時,在反射鏡之間必然存在縫隙,導(dǎo)致 部分光束進入縫隙,從而降低了系統(tǒng)的能量利用率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面 透鏡。用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡,其特征在于包括前表面平面、后表面自由 曲面和側(cè)面圓柱面,前表面平面與后表面自由曲面通過側(cè)面圓柱面相連接,前表面平面垂 直于激光光束傳播方向,后表面自由曲面用于偏折激光光束;后表面自由曲面包括第一自 由曲面、第二自由曲面和圓柱面,第一自由曲面與第二自由曲面通過圓柱面相連接,自由曲 面透鏡關(guān)于光軸坐標(biāo)軸ζ旋轉(zhuǎn)對稱;激光光束經(jīng)自由曲面偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照 明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中的內(nèi)環(huán),激光光束經(jīng)自由曲面偏折,激光光束在目標(biāo)面上 的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中的外環(huán);其中,后表面自由曲面的面型由如下公式確定
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第一自由曲面的面型確定公式為 其中 Rfflax為激光光束在前表面平面位置處截面的最大半徑,rfflaxl和rminl、rmax2和rmin2分 別為目標(biāo)面上雙四極均勻照明光斑的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的最大外徑和最小內(nèi)徑,W0為前 表面平面上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑,(tx,ty,tz)為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi)點T的 直角坐標(biāo),(θ,外P)為后表面自由曲面上點P的球坐標(biāo),θ的取值范圍為
,ρ的取 值范圍為
圖1(a)為用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的俯視圖;圖1(b)為用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的透視圖;圖1(c)為用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的前視圖;圖1(d)為用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的左視圖;圖2為用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的設(shè)計原理圖;圖3為本發(fā)明的自由曲面透鏡的內(nèi)環(huán)區(qū)域的能量映射關(guān)系圖;圖4為本發(fā)明的自由曲面透鏡的外環(huán)區(qū)域的能量映射關(guān)系圖;圖5(a)為用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的俯視圖;圖5 (b)為用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的透視圖;圖5(c)為用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的前視圖;圖5(d)為用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡的左視圖;圖6(a)為雙環(huán)形均勻照明的模擬效果圖;圖6(b)為單環(huán)形均勻照明的模擬效果圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例 作進一步地詳細(xì)闡述。如圖1所示,用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡包括前表面平面Si、后表面自由曲面S2和 側(cè)面圓柱面S3,前表面平面Sl與后表面自由曲面S2通過側(cè)面圓柱面S3相連接,前表面平 面Sl垂直于激光光束傳播方向,后表面自由曲面S2用于偏折激光光束;后表面自由曲面 S2包括第一自由曲面S2. 1、第二自由曲面S2. 2和圓柱面S2. 3,第一自由曲面S2. 1與第二 自由曲面S2. 2通過圓柱面S2. 3相連接,自由曲面透鏡關(guān)于光軸坐標(biāo)軸ζ旋轉(zhuǎn)對稱;激光光 束經(jīng)第一自由曲面S2. 1偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中 的內(nèi)環(huán),激光光束經(jīng)第二自由曲面S2. 2偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán) 形均勻照明中的外環(huán);其中,后表面自由曲面S2的面型由如下公式確定第一自由曲面S2. 1的面型確定公式為 其中 Rmax為激光光束在前表面平面Sl位置處截面的最大半徑,rmaxl和rminl、rmax2和rmin2 分別為目標(biāo)面上雙四極均勻照明光斑的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的最大外徑和最小內(nèi)徑,W0為 前表面平面Sl上光斑強度為中心強度的Ι/e處的半徑,(tx,ty,tz)為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi) 點T的直角坐標(biāo),(θ,外ρ)為后表面自由曲面S2上點P的球坐標(biāo),θ的取值范圍為
,識的取值范圍為
需明確的是,所需整形的激光光束不限于基模高斯光束,振幅E(x,y)或者光強 I1U, Y)可用函數(shù)表達(dá)式表示且具有光軸旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì)的激光光束均適用。自由曲面透鏡 前表面Sl可以是平面、球面或錐面,為便于設(shè)計,實施例中前表面Sl取為平面。在圖2中,入射激光光束中一條任意光線Ri垂直前表面平面Sl入射,在前表面 平面Sl和后表面自由曲面S2之間傳播一定距離后入射至后表面自由曲面S2上的任意點 P(PX,Py,Pz),再經(jīng)后表面自由曲面S2折射,出射光線入射至目標(biāo)面照明區(qū)域上的點T(tx, ty,tz)。因此,只要根據(jù)目標(biāo)面的具體照明要求,為入射激光光束的每一條光線在后表面自 由曲面S2上確定相應(yīng)的點P的坐標(biāo)及曲面在點P處的斜率,即可實現(xiàn)預(yù)定的整形要求。設(shè)后表面自由曲面S2在直角坐標(biāo)系下的參數(shù)方程為 其中,$為點P對應(yīng)的位置矢量,(θ,爐,ρ (Θ 為后表面自由曲面S2上點P 的球坐標(biāo),θ為位置矢量^在x-y平面上的投影與χ軸的夾角,ρ為位置矢量;?與ζ軸的夾 角,P (θ,p)為位置矢量;?的模,且ρ (Θ,@)為θ和@的函數(shù)。因此,位置矢量;^又可以 表示為P = pxlp其中,I為位置矢量;^的單位向量,I = (sin φ cos θ, sin φ sin θ, cos勿。由于空間曲
面上一點處的法矢等于曲面上經(jīng)過此點的兩條曲線切矢的叉乘,因此,后表面自由曲面S2 在點P處的的單位法矢》可表示為
N= Ie^
\ΡθΧΡφ I其中,;^、;^分別為位置矢量;^在θ和P方向上的切矢,且Ρθ= (ρχ ρ) = ρθχ Ρ + ρχΙρθ,
- — —
Ρφ= (ρχΙρ) = ρψχΙρ+ρχ Ρφ,和; _分別為單位向量L在θ和P方向上的導(dǎo)數(shù),P e和分別為點P的矢徑 P在Θ和口方向上的導(dǎo)數(shù),表示后表面自由曲面S2在點P處的曲面斜率。激光光束具有極好的方向性,在較短的傳播距離內(nèi)激光光束可視為平行光,由于
10前表面平面Sl垂直于激光光束的傳播方向,前表面平面Sl對激光光束的偏折可以忽略,因 此入射至后表面自由曲面S2的激光光束的單位方向向量可取為;? = (0,0,1)。在圖2中,從 后表面自由曲面S2上點P處出射并入射至目標(biāo)面照明區(qū)域上點T的出射光線的單位方向
向量為
設(shè)點T對應(yīng)的位置矢量為 =仏…義),則單位向量3可表示為 根據(jù)后表面自由曲面S2上點P處的入射光線的單位方向向量;;和出射光線的單位 方向向量3,由折射定律可得 H0XO-H1XI
n02 +Hj2-Ixn0Xn1X (O· I)
xN根據(jù)該折射關(guān)系式和后表面自由曲面S2在點P處的的單位法矢&的表達(dá)式,可求 得后表面自由曲面S2上激光光束入射點P的球坐標(biāo)、目標(biāo)面照明區(qū)域上折射光線入射點T 的直角坐標(biāo)、后表面自由曲面S2上激光光束入射點P處的曲面斜率這三者之間的對應(yīng)關(guān)系
J_ Γ
Γ,
r, (tz-ροοΒφ) + ^(ΓζΙχ- TxI2 )\Τ-Ρ\ ηη
Γ, it2-Pcosi3) + ^- {Y2Iy-ryIz)\T-P\
+ psinpcos 汐
+ ρ ηφ ηθ
其中
Tx = -ρθ χ sin ^ + P^j χ sin φ χ cos φ χ cos ^ - ρ χ sin2 φ χ cos θ
ry=pex cos θ-\- ρφχ8 ηφχ cos 爐 χ sin 沒 _ ρ χ sin2 φ χ sin θ ^
Tz ~ -ρφ χ sin2 φ- ρ^ χ^φγ. cos θ,
再經(jīng)整理,可得P e和&滿足的關(guān)系式 得到一個常微分方程組,初始條件P (0,0) = h。由于上述常微分方程組含有參數(shù)tx、ty和tz,在數(shù)值求解該常微分方程組之前還 需構(gòu)建出后表面自由曲面S2上的點T和目標(biāo)面照明區(qū)域的點P之間的坐標(biāo)關(guān)系。參照圖3和圖4所示的本發(fā)明的自由曲面透鏡的能量映射關(guān)系,半徑為Rmax = 6. 5mm的圓形區(qū)域內(nèi)的激光光束經(jīng)整形后在目標(biāo)面上形成內(nèi)環(huán)內(nèi)徑為rminl、外徑為rmaxl,外 環(huán)內(nèi)徑為rmin2、外徑為rmax2的雙環(huán)形均勻照明區(qū)域,根據(jù)能量守恒 求得目標(biāo)面照明區(qū)域的照度為
E =
為21 exp( 2^x )L wo .
2 [(^maxl _ 廠mini ) + (''max2 — ^min2 )]假設(shè)目標(biāo)面上內(nèi)環(huán)照明區(qū)域?qū)?yīng)入射激光光束截面上半徑為R1的圓形區(qū)域,根據(jù) 能量守恒[1 exp(-^-r-) χ 2nr xdr = Fmaxl E χ 2nr χ dr
ΛW0^minl求得
12
參照圖3所示的本發(fā)明的自由曲面透鏡的內(nèi)環(huán)區(qū)域的能量映射關(guān)系,假設(shè)半徑為 r的圓形區(qū)域內(nèi)的激光光束經(jīng)整形后在目標(biāo)面上形成內(nèi)徑為rminl、外徑為Γι的單環(huán)形均勻 照明區(qū)域,也即是在光束截面上半徑為r的圓環(huán)對應(yīng)照明區(qū)域半徑為Γι的圓環(huán),根據(jù)能量 守恒 求得r和r1的關(guān)系式
由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的強度分布均具有 旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì),因此,第一自由曲面S2. 1也應(yīng)具有旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì),在設(shè)計第一自由曲面 S2. 1時只需求解出其輪廓曲線,再由輪廓曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)一周即可。不妨讓輪廓曲線位于 平面xOz內(nèi),則 ty = 0而r = ρ X sin滬,從而構(gòu)建出點T和點P之間的坐標(biāo)關(guān)系。參照圖4所示的本發(fā)明的自由曲面透鏡的外環(huán)區(qū)域的能量映射關(guān)系,假設(shè)內(nèi)徑為 R1、外徑為r的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的激光光束經(jīng)整形后在目標(biāo)面上形成內(nèi)徑為rmin2、外徑為Γι的單 環(huán)形均勻照明區(qū)域,也即是在光束截面上半徑為r的圓環(huán)對應(yīng)照明區(qū)域半徑為T1的圓環(huán), 根據(jù)能量守恒 求得r和巧的關(guān)系式 由于整形之前的激光光束和整形之后的激光光束在其截面上的強度分布均具有旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì),因此,第二自由曲面S2. 2也應(yīng)具有旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì),在設(shè)計第二自由曲面 S2. 2時只需求解出其輪廓曲線,再由輪廓曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)一周即可。不妨讓輪廓曲線位于 平面xOz內(nèi),則
t = 0Mr = Pxsin^,從而構(gòu)建出點T和點P之間的坐標(biāo)關(guān)系。根據(jù)所構(gòu)建出的坐標(biāo)關(guān)系,利用四階龍格_庫塔法對常微分方程組進行求解。由 于后表面自由曲面S2具有旋轉(zhuǎn)對稱性質(zhì),選θ =0°對應(yīng)的輪廓曲線作為求解對象,根據(jù) 初始條件P (0,0) =h利用利用四階龍格-庫塔法編程求解常微分方程/^=g2(A0,約,可 得到第一自由曲面S2. 1和第二自由曲面S2. 2的輪廓曲線上一系列離散點,對這些離散點 進行曲線擬合便得到輪廓曲線,再將輪廓曲線繞光軸坐標(biāo)軸ζ旋轉(zhuǎn)一周得到第一自由曲面 S2. 1和第二自由曲面S2. 2。目標(biāo)面照明區(qū)域雙環(huán)形均勻照明模擬效果圖參見圖6(a),整形過程能量傳輸效率 為90. 65%,目標(biāo)面照明區(qū)域照度均勻性為91. 27%。當(dāng)rmaxl = rfflinl = rfflin2時,目標(biāo)面照明區(qū)域雙環(huán)形均勻照明演變成單環(huán)形均勻照 明,此時的自由曲面透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示,采用第一自由曲面S2. 1構(gòu)成整張后表 面自由曲面S2。目標(biāo)面照明區(qū)域環(huán)形均勻照明模擬效果圖參見圖6(b),整形過程能量傳輸 效率為90. 65%,目標(biāo)面照明區(qū)域照度均勻性為93. 05%。由圖1和圖5可知,本發(fā)明提出的自由曲面透鏡只包含一個鏡片,結(jié)構(gòu)緊湊、簡單。 由模擬結(jié)果可知,本發(fā)明提出的用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡具有極好的整形效 果。光能利用率是在自由曲面透鏡各表面未鍍增透膜的情況下模擬所得,當(dāng)給自由曲面透 鏡的前表面平面Sl和后表面自由曲面S2均鍍上增透膜時,光能利用率將更高。在此需明確的是,用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡屬于用于雙環(huán)形均勻照明 的自由曲面透鏡在rmaxl = rfflinl = rfflin2時的一種特例,因此用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面 透鏡包含于用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡,理應(yīng)在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。用于單環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡和用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡可 用于光刻曝光系統(tǒng),有助于降低光刻曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,提高光刻曝光系統(tǒng)的光能 利用率。
權(quán)利要求
一種用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡,其特征在于包括前表面平面(S1)、后表面自由曲面(S2)和側(cè)面圓柱面(S3),前表面平面(S1)與后表面自由曲面(S2)通過側(cè)面圓柱面(S3)相連接,前表面平面(S1)垂直于激光光束傳播方向,后表面自由曲面(S2)用于偏折激光光束;后表面自由曲面(S2)包括第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)和圓柱面(S2.3),第一自由曲面(S2.1)與第二自由曲面(S2.2)通過圓柱面(S2.3)相連接,自由曲面透鏡關(guān)于光軸坐標(biāo)軸z旋轉(zhuǎn)對稱;激光光束經(jīng)第一自由曲面(S2.1)偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中的內(nèi)環(huán),激光光束經(jīng)第二自由曲面(S2.2)偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中的外環(huán);其中,后表面自由曲面(S2)的面型由如下公式確定第一自由曲面(S2.1)的面型確定公式為其中第二自由曲面(S2.2)的面型確定公式為其中 <mrow><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt> <mo>-</mo> <mfrac><msup> <msub><mi>w</mi><mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><mn>2</mn> </mfrac> <mi>ln</mi> <mo>{</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mo>[</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>exp</mi> <mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><mfrac> <msup><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>R</mi> </mrow> <mi>max</mi></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>w</mi> <mn>0</mn></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>max</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>min</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mo>[</mo> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>max</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>min</mi> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>max</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mrow> <mi>min</mi> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo></mrow> </mfrac> <mo>}</mo></msqrt> </mrow>Rmax為激光光束在前表面平面(S1)位置處截面的最大半徑,rmax1和rmin1、rmax2和rmin2分別為目標(biāo)面上雙四極均勻照明光斑的內(nèi)環(huán)區(qū)域和外環(huán)區(qū)域的最大外徑和最小內(nèi)徑,w0為前表面平面(S1)上光斑強度為中心強度的1/e處的半徑,(tx,ty,tz)為目標(biāo)面照明區(qū)域內(nèi)點T的直角坐標(biāo),(θ,ρ)為后表面自由曲面(S2)上點P的球坐標(biāo),θ的取值范圍為
,的取值范圍為[0,π/2),ρθ和分別為矢徑ρ關(guān)于θ和的偏導(dǎo)數(shù),nI為自由曲面透鏡的折射率,nO為介質(zhì)的折射率,且nO<nI,π為圓周率。FSA00000206655200011.tif,FSA00000206655200012.tif,FSA00000206655200013.tif,FSA00000206655200014.tif,FSA00000206655200015.tif,FSA00000206655200016.tif,FSA00000206655200017.tif,FSA00000206655200021.tif,FSA00000206655200022.tif,FSA00000206655200023.tif,FSA00000206655200024.tif,FSA00000206655200025.tif,FSA00000206655200026.tif,FSA00000206655200027.tif,FSA00000206655200029.tif,FSA000002066552000210.tif,FSA000002066552000211.tif,FSA000002066552000212.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于雙環(huán)形均勻照明的自由曲面透鏡。它包括前表面平面、后表面自由曲面和側(cè)面圓柱面,前表面平面與后表面自由曲面通過側(cè)面圓柱面相連接,前表面平面垂直于激光光束傳播方向,后表面自由曲面用于偏折激光光束;后表面自由曲面包括第一自由曲面、第二自由曲面和圓柱面,第一自由曲面與第二自由曲面通過圓柱面相連接,自由曲面透鏡關(guān)于光軸坐標(biāo)軸z旋轉(zhuǎn)對稱;激光光束經(jīng)第一自由曲面偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中的內(nèi)環(huán),激光光束經(jīng)第二自由曲面偏折,激光光束在目標(biāo)面上的照明區(qū)域為對應(yīng)雙環(huán)形均勻照明中的外環(huán);本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、簡單;整形效果好,能量利用率高。
文檔編號G03F7/20GK101916046SQ201010237970
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者劉旭, 吳仍茂, 廖志杰, 李海峰, 林嫵媚, 邢莎莎, 鄭臻榮 申請人:浙江大學(xué);中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所