具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，包括不透光的基底和若干個以基底為中心由內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶；環(huán)形波帶包括至少兩個均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋狀的梯形孔透光基元依次相接，且波帶片的徑向透光率滿足公式：本發(fā)明與常見的Fresnel波帶片相比，既能很好地抑制高級焦點的衍射效率，又能減小其峰值強(qiáng)度。并且當(dāng)原梯形頂邊:底邊＝1:5時，本發(fā)明還具有消除3n級焦點的作用，同時將5級焦點的效率抑制到1級焦點(絕對效率6.93％)的0.16％。而與Gabor波帶片相比，本發(fā)明的1級焦點效率要高于Gabor波帶片的聚焦效率，且相對于很多二值化的Gabor波帶片來說，更加容易制作。
【專利說明】
具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及衍射聚焦元件領(lǐng)域，具體涉及的是一種具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波 帶片。
【背景技術(shù)】
[0002] 同X光光譜診斷技術(shù)一樣，X光成像技術(shù)也是激光聚變研究中的重要檢測手段，是 對間接驅(qū)動慣性約束聚變中氘氚靶球壓縮情況進(jìn)行實時診斷的最直觀的方式。而在X光波 段，由于材料對X光的吸收以及接近1的折射率，使得常用于聚焦成像的光學(xué)透鏡不再適用。 [000 3] 1871年，瑞利發(fā)明了Fresnel波帶片(FZP)，它由一系列明暗相間的同心圓環(huán)半波 帶構(gòu)成，依靠衍射方法實現(xiàn)聚焦，常用于聚焦X光。不過，F(xiàn)ZP低效率、多焦點的特性也大大限 制其在聚焦、成像和單色器波長選擇等方面的應(yīng)用。為了提高波帶片的衍射效率，瑞利在 1888年又提出了相位型波帶片的概念，理論上可以將一級衍射效率提升至原振幅型FZP的4 倍。
[0004] 另一方面，為了抑制高級焦點，通過將FZP透過率函數(shù)的階躍變化換成余弦變化， 即獲得了 Gabor波帶片，只具有一對共輒焦點。然而，由于記錄介質(zhì)的非線性相應(yīng)和其他的 一些不確定性，使得制作的Gabor波帶片難以企及預(yù)期效果。直到1992年，Beynon和Kirk等 人提出二值化Gabor波帶片的概念，只需保證透過率沿徑向呈余弦變化，二值化Gabor波帶 片便能獲得與理想Gabor波帶片相同的衍射模式。
[0005] 受Beynon等人的啟發(fā)，香港城市理工學(xué)院的Choy和Cheng改良了二值化的Gabor波 帶片，并提升了其聚焦效率。就國內(nèi)近幾年的Gabor波帶片研究，環(huán)形扇元Gabor波帶片，隨 機(jī)點陣Gabor波帶片及錯位排列波帶片等也是各有千秋。
[0006] 現(xiàn)有的二值化Gabor波帶片大多存在很大的扇區(qū)數(shù)及大量的細(xì)小尖角，在制作加 工時，大量基元分布的隨機(jī)和離散性使得電子束寫入設(shè)備工作效率低，而且也不利于獲得 用于刻蝕的波帶片版圖數(shù)據(jù)。對于像隨機(jī)點陣波帶片這類基元離散型過高的元件的加工， 還需要加上大面積襯底，而襯底會導(dǎo)致大量X光的吸收，不利于其應(yīng)用。
[0007] 綜上，現(xiàn)有的二值化Gabor波帶片不僅難以實現(xiàn)自支撐，而且加工制作困難，并且 大都難以實現(xiàn)在極紫外和X射線波段的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服上述問題，本發(fā)明旨在提供一種既能實現(xiàn)自支撐、又便于實際加工制作、 同時又有較Gabor波帶片效率高的一級絕對衍射效率的準(zhǔn)單級聚焦波帶片，特別是能實現(xiàn) 波帶片在極紫外和X射線波段的實際應(yīng)用。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于同一發(fā)明構(gòu)思下，采用了如下三種技術(shù)方案：
[0010] 方案一
[0011] 具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，包括不透光的基底和若干個以基底為中心由 內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶;單個環(huán)形波帶包括至少兩個均由等腰梯形孔透光基元扭曲成 螺旋狀的梯形孔透光基元、并按照相同的朝向依次相接，且波帶片的徑向透光率滿足公式：
[0013] 其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯 形孔透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)。
[0014] 方案二
[0015] 具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，包括不透光的基底和若干個以基底為中心由 內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶;單個環(huán)形波帶包括至少均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋 狀的梯形孔透光基元、并按照相反的朝向依次相接，且波帶片的徑向透光率滿足下列計算 公式：
[0017]其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯 形孔透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)。
[0018] 方案三
[0019]具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，包括不透光的基底和若干個以基底為中心由 內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶;所述單個環(huán)形波帶由一個經(jīng)等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋 狀的梯形孔透光基元環(huán)繞而成，且波帶片的徑向透光率滿足下列計算公式：
[0021]其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯 形孔透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)。
[0022]本發(fā)明的設(shè)計原理在于，本發(fā)明設(shè)計的波帶片可以理解為圓形的變間距梯形光 柵，由一個梯形光柵變化而來，即波帶片半徑〇~Rn(波帶片最外環(huán)半徑)對應(yīng)原光柵橫向長 度，圓心角0~231對應(yīng)原光柵縱向高度(如圖1所示）。經(jīng)過上述坐標(biāo)變換后的波帶片在徑向 的透過率分布不再是嚴(yán)格的梯形透過率，原梯形的兩腰不再相等，并由直線變?yōu)閽佄锞€的 部分線段(波帶片周期數(shù)足夠大時，波帶片的徑向透過率可近似看作梯形透過率）。而波帶 片在徑向的透光率滿足公式：
[0024] 其中，a和b分別為原等腰梯形孔透光基元的頂邊和底邊邊長，η為原梯形光柵的周 期序數(shù)(或者波帶片的波帶數(shù)序數(shù)）。如此一來，通過改變a、b的大小便可以調(diào)節(jié)波帶片對高 級衍射的抑制能力，實現(xiàn)一定程度上的單級聚焦效果。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0026] (1)本發(fā)明設(shè)計巧妙，其有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅使得波帶片可以實現(xiàn)自支撐，而且在 結(jié)合徑向透光率公式設(shè)計后，每個波帶內(nèi)可以只排列一個梯形孔的同時，不影響波帶片的 衍射結(jié)果，因而既能實現(xiàn)連續(xù)的單一結(jié)構(gòu)，又能消除內(nèi)環(huán)的大量尖角，大大降低了加工制作 的難度。
[0027] (2)本發(fā)明有高于Gabor波帶片的一級絕對衍射效率，計算機(jī)模擬與理論推導(dǎo)表 明，本發(fā)明準(zhǔn)單級聚焦波帶片(透射式)在高度抑制高級次焦點的同時，一級絕對衍射效率 高于6.7% ;
[0028] (3)本發(fā)明實用性非常強(qiáng)，特別是單梯形孔結(jié)構(gòu)形式的波帶片，更易于實際推廣應(yīng) 用(特別是真空紫外到軟X射線波段）。
[0029] (4)本發(fā)明具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過一定的制備方式，可使本發(fā)明形成透射式梯形 孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片、X射線光刻復(fù)制波帶片、反波帶片、相位型梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片 等各種用途的波帶片，滿足不同的應(yīng)用需要。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明所述波帶片的原梯形光柵（即波帶片在r2-Θ坐標(biāo)系下）的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0031 ]圖2為本發(fā)明一種波帶片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明第二種波帶片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明第三種波帶片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明所述多梯形孔波帶片和單梯形孔波帶片沿光軸上的衍射模式對比示 意圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明所述多梯形孔波帶片和單梯形孔波帶片在焦平面上的衍射模式對比 示意圖；
[0036] 圖7為Fresnel波帶片、Gabor波帶片和本發(fā)明在光軸上的強(qiáng)度對比示意圖；
[0037]圖8為Fresnel波帶片、Gabor波帶片和本發(fā)明所述梯形孔波帶片焦平面衍射模式 對比圖；
[0038] 圖9為本發(fā)明在不同比值時，波帶片的高級焦點抑制能力示意圖；
[0039] 圖10為利用本發(fā)明制作透射式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片的流程圖；
[0040] 圖11為利用本發(fā)明制作反射式波帶片的流程圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合【附圖說明】和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限 于以下實施例。
[0042] 實施例
[0043] 本發(fā)明提供了一種具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，其主要由不透光的基底和 若干個環(huán)形波帶構(gòu)成。如圖2所示，本發(fā)明其中的一種梯形波帶片，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為:采用十個 環(huán)形波帶，所有的環(huán)形波帶以基底中心為圓心由內(nèi)向外依次排列，波帶片的徑向尺寸由內(nèi) 到外受Fresnel波帶片的半波帶半徑公式限制，而波帶片每個扇區(qū)的大小則取決于切向梯 形的個數(shù)。單個環(huán)形波帶包括至少兩個均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋狀的梯形孔透 光基元、并按照相同的朝向依次相接（即螺旋狀梯形孔基元采用首一尾相接的方式形成多 梯形孔結(jié)構(gòu)）。
[0044]如圖3所示，本發(fā)明第二種梯形波帶片，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為:采用十個環(huán)形波帶，所有的 環(huán)形波帶以基底中心為圓心由內(nèi)向外依次排列，并且同樣的，波帶片的徑向尺寸由內(nèi)到外 受Fresnel波帶片的半波帶半徑公式限制，而波帶片每個扇區(qū)的大小取決于切向梯形的個 數(shù)。單個環(huán)形波帶包括至少兩個均由等腰梯形孔透光基元扭曲成螺旋狀的梯形孔透光基 元、并按照相反的朝向依次相接（即螺旋狀梯形孔基元采用首一首和尾一尾相接的方式形 成多梯形孔結(jié)構(gòu)）。
[0045]如圖4所示，本發(fā)明第三種梯形波帶片，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為:采用五個環(huán)形波帶，所有的 環(huán)形波帶以基底中心為圓心由內(nèi)向外依次排列，并且同樣的，波帶片的徑向尺寸由內(nèi)到外 受Fresnel波帶片的半波帶半徑公式限制。所述單個環(huán)形波帶由一個經(jīng)等腰梯形孔透光基 元扭曲成螺旋狀的梯形孔透光基元環(huán)繞而成(即單梯形孔結(jié)構(gòu)）。
[0046]上述三種梯形波帶片，其徑向透光率均滿足下列計算公式：
[0048]其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯 形孔透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)(也可稱之為原光柵周期序數(shù)）。 [0049]為更好地說明本發(fā)明的準(zhǔn)單級聚集作用，以下對本發(fā)明的波帶片的衍射特性進(jìn)行 計算機(jī)模擬，并將數(shù)據(jù)結(jié)果與同參數(shù)的Fresnel波帶片、Gabor波帶片進(jìn)行對比。模擬的(單） 梯形孔波帶片參數(shù)與本實施例步驟a所述相同，三種波帶片的基本參數(shù)一致(為減少計算 量，模擬環(huán)數(shù)N=16)，選擇波長10nm的平行光源照射，模擬結(jié)果參考圖7和圖8。圖5、圖6為本 發(fā)明波帶片采用單梯形孔結(jié)構(gòu)與多梯形孔結(jié)構(gòu)的衍射模式圖。圖9為本發(fā)明的波帶片在不 同頂邊、底邊比值時對高級焦點的抑制，可以看出，本發(fā)明的梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片在軸 上可以消除3n級焦點(η為非零整數(shù)），并且能將5級及更高級衍射抑制到1級衍射的0.16% 及以下的水平。但頂邊:底邊= 1:5時，即C=(b_a)/(b+a) = 2/3時，波帶片并不是處于其最 好的尚級衍射抑制點M(詳見圖9)?？紤]到盡可能尚的1級焦點效率，因而選擇Μ點及其左邊 小范圍內(nèi)的C值均能體現(xiàn)本發(fā)明的波帶片的準(zhǔn)單級聚焦特性。
[0050]除此之外，本發(fā)明還可以分別通過一定的制備方式，形成透射式梯形孔準(zhǔn)單級聚 焦波帶片、X射線光刻復(fù)制波帶片、反波帶片、相位型梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片等各種用途 的波帶片，從而滿足不同的應(yīng)用需要，具體如下：
[0051 ]實例1:透射式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片的制備 [0052] 步驟如下：
[0053] a:確定波帶片參數(shù)(視不同波長來確定）
[0054] 軟X射線波長為幾納米到幾十納米，選取波帶片第一環(huán)半徑Ri = lOOum，波帶片總 環(huán)數(shù)N= 2500,則波帶片直徑D= lcm，等效最外環(huán)寬度約為lum，梯形孔實際最小尺寸還需由 源梯形頂邊與底邊的比值決定；
[0055] b:將如圖4所示結(jié)構(gòu)的單梯形孔波帶片按照步驟a中的參數(shù)求出波帶片二值化透 過率分布數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為LEDIT格式文件；
[0056] c:在雙面拋光的（100)晶面的硅片上鍍一層金膜，然后涂上一層光刻膠，對硅片基 底開孔，形成一塊鏤空的自支撐金薄膜；
[0057] d:利用數(shù)控聚焦電子束光刻設(shè)備，由步驟b中產(chǎn)生的LEDIT文件控制，將如圖3所示 結(jié)構(gòu)的螺旋狀單梯形孔圖形在步驟c產(chǎn)生的薄膜上進(jìn)行電子束曝光，然后利用顯影液和定 影液進(jìn)行顯影，得到波帶片的光刻膠圖形；
[0058] e:利用刻蝕溶液對顯影區(qū)域的金膜進(jìn)行恰當(dāng)時間的化學(xué)腐蝕，在顯影區(qū)形成通 孔；
[0059] f:去除光刻膠，即得到適用于軟X射線/極紫外波段2500環(huán)的透射式單梯形孔準(zhǔn)單 級聚焦波帶片，也可將此波帶片作為X射線曝光的掩模板。
[0060]圖10是透射式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片的制作流程圖，與步驟C、步驟d、步驟e、步 驟f相對應(yīng)，并且該種透射式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片中，所有螺旋狀梯形是不透光薄膜基 底上的透光通孔。
[0061 ]實例2 :X射線光刻復(fù)制波帶片的制備 [0062] 步驟如下：
[0063] a:同上述實例1中的步驟c;
[0064] b:將實施例1中產(chǎn)生的掩模板作為曝光原圖，在步驟a產(chǎn)生的薄膜上進(jìn)行X射線曝 光；
[0065] c:同上述實例1中的步驟e;
[0066] d:去除光刻膠，得到具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片的復(fù)制波帶片。
[0067]實例3:反波帶片的制備
[0068] 步驟如下：
[0069] a:通過轉(zhuǎn)印的方式，采用與實例1或者實例2相同的硅片、金膜和光刻膠材料，在金 膜下加一層透光的基底作為支撐，制作與實例1或者實例2相反的圖形結(jié)構(gòu)，即可制成透射 式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片的反波帶片，反波帶片的衍射模式與實例1或者實例2的衍射模 式相同。
[0070] 實例4:反射式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片的制備 [0071] 步驟如下：
[0072] a:同實例1中的步驟a;
[0073] b:同實例1中的步驟b;
[0074] c:同實例1中的步驟c，增加金膜的厚度；
[0075] d:同實例1中的步驟d;
[0076] e:去除顯影區(qū)域的殘膠，將襯底裝好放進(jìn)亞硫酸鹽金電鍍液進(jìn)行電鍍；
[0077] f:去除光刻膠，即得到反射式梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片。
[0078]圖11是反射式波帶片制作流程圖，與步驟c、步驟d、步驟e、步驟f相對應(yīng)。
[0079] 實例5:相位型梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片的制備
[0080] 步驟如下：
[0081] a:同實例1中的步驟a;
[0082] b:同實例1中的步驟b;
[0083] c:同實施例1中的步驟c，按照相位變化要求限制所鍍金膜的厚度(與波長相關(guān)）； [0084] d:同實例1中的步驟d;
[0085] ^同實例丨中的步驟…
[0086] f:去除光刻膠，即得到相位型梯形孔準(zhǔn)單級聚焦波帶片。
[0087 ]本發(fā)明通過合理、巧妙的設(shè)計，使得設(shè)計出來的波帶片與常見的Fre sne 1波帶片相 比，既能很好地抑制高級焦點的衍射效率，又能減小其峰值強(qiáng)度。特別地，當(dāng)原梯形頂邊:底 邊=1:5時，本發(fā)明所述的波帶片還具有消除3n級焦點(η為正整數(shù))的作用，同時將5級焦點 的效率抑制到1級焦點（絕對效率6.93% )的0.16%。而與Gabor波帶片相比，本發(fā)明所述的 波帶片的1級焦點效率要高于Gabor波帶片的聚焦效率，且相對于很多二值化的Gabor波帶 片來說，更加容易制作。因此，本發(fā)明不僅很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的難題，而且還具 有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，其與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步。
[0088]上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍，凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的 技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，其特征在于，包括不透光的基底和若干個以基 底為中心由內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶;單個環(huán)形波帶包括至少兩個均由等腰梯形孔透光 基元扭曲成螺旋狀的梯形孔透光基元、并按照相同的朝向依次相接，且波帶片的徑向透光 率滿足公式：其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯形孔 透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)。2. 具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，其特征在于，包括不透光的基底和若干個以基 底為中心由內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶;單個環(huán)形波帶包括至少均由等腰梯形孔透光基元 扭曲成螺旋狀的梯形孔透光基元、并按照相反的朝向依次相接，且波帶片的徑向透光率滿 足下列計算公式：其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯形孔 透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)。3. 具有準(zhǔn)單級聚焦特性的梯形波帶片，其特征在于，包括不透光的基底和若干個以基 底為中心由內(nèi)向外依次排列的環(huán)形波帶;所述單個環(huán)形波帶由一個經(jīng)等腰梯形孔透光基元 扭曲成螺旋狀的梯形孔透光基元環(huán)繞而成，且波帶片的徑向透光率滿足下列計算公式：其中，l(r)為到圓心距離為r、且處于透光基元內(nèi)的弧長總和，a和b分別為等腰梯形孔 透光基元的頂邊和底邊邊長，η為波帶片的波帶數(shù)序數(shù)。
【文檔編號】G02B5/18GK105866870SQ201610431618
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】曹磊峰, 彭倩, 范全平, 王心怡, 魏來, 錢鳳, 張強(qiáng)強(qiáng), 韓丹
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心