專利名稱：：用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種干涉光學(xué)元器件，具體涉及一種采用激光干涉法制作亞微米結(jié)構(gòu)的光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)，屬于微納米結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：亞波長(zhǎng)光學(xué)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，亞波長(zhǎng)光學(xué)器件由于其微結(jié)構(gòu)在亞波長(zhǎng)尺度(50-400nm)，表現(xiàn)出了一般衍射光學(xué)元件所不具備的光學(xué)特性，如光譜窄帶、偏振、導(dǎo)光、表面抗反射等特性，亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在提髙OLED光抽取效率方便具有應(yīng)用價(jià)值。對(duì)可見(jiàn)光而言，亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)一般具有400nm以下的尺度，需要采用超微細(xì)加工手段才能夠?qū)崿F(xiàn)，最典型的方法是電子束直寫(xiě)光刻(e國(guó)beamlithography)和微縮投影光刻(UVProjectionlithography)。采用e-beam可制作50-400nm亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，但是，制作5mmX5mm面積的圖形，一般需要數(shù)個(gè)小時(shí)，同時(shí)，對(duì)工作環(huán)境穩(wěn)定性有很?chē)?yán)格的要求。如果要在100mmX100mm整幅面上制作100nm結(jié)構(gòu)，則需要至少是一天以上的掃描時(shí)間，這大大超出了可以應(yīng)用的基本要求。采用激光直寫(xiě)系統(tǒng)，一般只能制作大于lOOOnm以上的微結(jié)構(gòu)，在目前條件下，不可能制作亞微米結(jié)構(gòu)圖形。激光全息干涉法是制作具有周期結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)光學(xué)器件的有效方法，干涉產(chǎn)生的周期結(jié)構(gòu)大小與激光波長(zhǎng)成正比，與干涉角度的正弦成反比，波長(zhǎng)越短、干涉夾角越大，產(chǎn)生的周期結(jié)構(gòu)越精細(xì)。全息干涉法與電子束直寫(xiě)等其他微細(xì)加工手段相比，具有并行快速制作的優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于制作周期結(jié)構(gòu)，干涉法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不受機(jī)械精度的影響，從而具有嚴(yán)格周期性，這一特點(diǎn)是其他技術(shù)手段不可替代的。傳統(tǒng)的全息實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行干涉制作，在制作靈活性上具有相當(dāng)大的局限性，而激光干涉直寫(xiě)系統(tǒng)(中國(guó)發(fā)明專利，衍射光變圖像的高速激光直寫(xiě)方法和系統(tǒng)ZL200510095775.2),采用點(diǎn)陣干涉的方式制作，干涉條紋的空頻、取向可程序控制，兼顧了全息法的并行性和直寫(xiě)法的靈活性的優(yōu)點(diǎn)，所以，在數(shù)字化的激光干涉直寫(xiě)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)用于制作亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)，獲得支持亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的干涉光學(xué)頭，對(duì)于制作大幅面周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，具有重大的研究和應(yīng)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種可以在激光干涉直寫(xiě)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的制作的干涉鏡頭，適用于紫外激光干涉光刻。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，由物方透鏡組A和像方透鏡組B兩組透鏡組成，A組透鏡由A3、A2、Al三片透鏡組成，B組透鏡由Bl、B2、B3、B4四片透鏡組成；光線傳播方向依次為A3、A2、Al、Bl、B2、B3、B4;其中，Al、Bl為彎月型凹透鏡，A2、B2為雙凸透鏡，A3、B3、B4為彎月型凸透鏡。上文中，為適用于紫外激光干涉光刻，采用的光學(xué)材料為在波長(zhǎng)在紫外波段具有髙透射率的紫外光學(xué)材料，優(yōu)選釆用在紫外波段具有髙透射率的熔石英(SILICA);其適用于200400納米的紫外光，設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)355nm波長(zhǎng)激光優(yōu)化設(shè)計(jì)，其近軸成像參數(shù)不受透鏡組A和透鏡組B之間的間隔C距離的影響。上述技術(shù)方案中，物方(A)數(shù)值孔徑范圍為0.15~0.35，像方(B)數(shù)值孔徑范圍為0.450.55。優(yōu)選的技術(shù)方案，物方(A)數(shù)值孔徑為0.34，像方(B)的數(shù)值孔徑為0.46,工作距離21.247毫米。上述技術(shù)方案中，鏡頭口徑為3033毫米。激光干涉直寫(xiě)設(shè)備的光學(xué)頭可以采用衍射光柵對(duì)激光束進(jìn)行分束，正負(fù)一級(jí)衍射光進(jìn)入光學(xué)透鏡組后在工件表面聚焦成像并在光斑內(nèi)形成干涉條紋。如附圖l所示，虛線框部分是用于干涉的光學(xué)鏡頭。在干涉光學(xué)頭中，要將干涉條紋的分辨率(空間頻率)提髙到亞微米線度，考慮采用更短的波長(zhǎng)、設(shè)計(jì)更大數(shù)值孔徑的透鏡組，同時(shí)采用支持短波長(zhǎng)的光學(xué)材料。4由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明采用雙遠(yuǎn)心光路原理設(shè)計(jì)干涉鏡頭，由A、B兩組透鏡組合構(gòu)成干涉鏡頭，兩組透鏡之間的光線是平行光，兩組透鏡之間的距離改變時(shí)，鏡頭的工作距離保持恒定、近軸放大率保持恒定，滿足調(diào)焦的要求；采用透紫外光的熔石英光學(xué)材料，折射率為1.458，在200納米到400納米紫外光波段具有髙的透過(guò)率，由于只需要在單波長(zhǎng)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以采用一種光學(xué)材料就可以滿足設(shè)計(jì)要求。2.本發(fā)明的像方透鏡采用四片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因而其數(shù)值孔徑(NA)大，相干激光束能夠產(chǎn)生的干涉角越大，干涉條紋的結(jié)構(gòu)越精細(xì)，當(dāng)數(shù)值孔徑達(dá)到0.45時(shí)，355納米波長(zhǎng)激光在工件表面的最大干涉角達(dá)到53.5度，產(chǎn)生條紋最小周期400納米，特征結(jié)構(gòu)達(dá)到200納米。3.本發(fā)明的干涉頭的物方?jīng)]有光線夾角的要求，限定物方數(shù)值孔徑在0.150.35之間，因而可以減少透鏡數(shù)量，降低實(shí)際加工的累積工藝誤差，并且便于與干涉鏡頭物方的衍射光柵配合。4.本發(fā)明通過(guò)對(duì)兩組透鏡組中各透鏡的形狀配合關(guān)系的設(shè)定，可以降低像差，提高成像質(zhì)量。附圖1紫外干涉光學(xué)頭的部分結(jié)構(gòu)示意附圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的紫外干涉鏡頭結(jié)構(gòu)示意附圖3是實(shí)施例一在355納米紫外光下的點(diǎn)列附圖4是實(shí)施例一在355納米紫外光下的調(diào)制傳遞函數(shù)附圖5是實(shí)施例一在355納米紫外光下的縱向像差附圖6是實(shí)施例一在355納米紫外光下，A組、B組透鏡之間的距離縮小20亳米下的點(diǎn)列附圖7是實(shí)施例一在355納米紫外光下，A組、B組透鏡之間的距離增加20毫米下的點(diǎn)列附圖8是實(shí)施例一在351納米紫外光下的點(diǎn)列附圖9是實(shí)施例一在248納米紫外光下的點(diǎn)列圖；附圖IO是實(shí)施例二的紫外干涉鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖；附圖11是實(shí)施例二的鏡頭的點(diǎn)列圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一如圖2所示，紫外干涉鏡頭采用由物方透鏡組A和像方透鏡組B兩組七片透鏡組成，兩組透鏡組成雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，兩組透鏡之間的距離可以改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的功能。A組透鏡由A3、A2、Al三片透鏡組成，B組透鏡由Bl、B2、B3、B4四片透鏡組成，光學(xué)材料均為在紫外波段具有高透過(guò)率的熔石英(SILICA),光線傳播方向依次為A3、A2、Al、Bl、B2、B3、B4;其中，Al、Bl為彎月型凹透鏡，A2、B2為雙凸透鏡，A3、B3、B4為彎月型凸透鏡。該干涉鏡頭的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下(單位毫米):<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>1533.6521.247空氣30像面激光干涉鏡頭的光闌口徑為32毫米，根據(jù)鏡片裝配的要求，以上鏡片的口徑為30亳米~33毫米，彎月形凸透鏡片采用平角設(shè)計(jì)，來(lái)保證裝配的可靠性。工作距離大于20亳米，該鏡頭的物方(A)數(shù)值孔徑0.34，像方(B)數(shù)值孔徑0.46，物方滿足衍射光學(xué)元件的要求，像方滿足實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度干涉角度的要求。附圖3是在355納米波長(zhǎng)中心視場(chǎng)的點(diǎn)列圖，尺寸為1.258微米，具體見(jiàn)圖中標(biāo)示。圖4是調(diào)制傳遞函數(shù)圖，圖5是縱向像差曲線，滿足成像的要求。A、B鏡頭組間距離變化依然滿足成像的要求，工作距離保持不變。圖6是A組、B組透鏡間的間距縮小20毫米時(shí)的點(diǎn)列圖，圖7是A組、B組透鏡間的間距增大20毫米時(shí)的點(diǎn)列圖。該激光干涉鏡頭根據(jù)355納米波長(zhǎng)激光設(shè)計(jì)，在200~400納米紫外光波段適用。圖8是本實(shí)施例鏡頭在351納米(典型YLF晶體DPSSL激光器三倍頻波長(zhǎng))波長(zhǎng)下的點(diǎn)列圖，在該波長(zhǎng)下工作距離21.21毫米，像方數(shù)值孔徑0.46;圖9是該發(fā)明鏡頭在248納米波長(zhǎng)下的點(diǎn)列圖，相應(yīng)的工作距離是19.435毫米，像方數(shù)值孔徑達(dá)到0.485。實(shí)施例二附圖IO是本發(fā)明的紫外干涉鏡頭實(shí)施例二結(jié)構(gòu)圖，在355nm波長(zhǎng)下，物方數(shù)值孔徑達(dá)到0.55。附圖11是該實(shí)施例鏡頭的點(diǎn)列圖。實(shí)施例二各鏡片結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:序號(hào)半徑間距材料口徑物面36.968空氣1-145.558熔石英302-22.490.1空氣323175.276熔石英334-51.0182.76空氣3375-27.3974熔石英336-48.7525空氣337光闌25空氣32843.694熔石英33924.684空氣331050.336熔石英3311-122.580.1空氣331220.668熔石英3213104.730.1空氣301413.648熔石英261520.4513.26空氣24像面8權(quán)利要求1.一種用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其特征在于由物方透鏡組A和像方透鏡組B兩組透鏡組成，A組透鏡由A3、A2、A1三片透鏡組成，B組透鏡由B1、B2、B3、B4四片透鏡組成；光線傳播方向依次為A3、A2、A1、B1、B2、B3、B4；其中，A1、B1為彎月型凹透鏡，A2、B2為雙凸透鏡，A3、B3、B4為彎月型凸透鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其特征在于物方數(shù)值孔徑范圍為0.150.35，像方數(shù)值孔徑范圍為0.450.55o3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其特征在于物方數(shù)值孔徑為0.34，像方數(shù)值孔徑為0.46。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其特征在于鏡頭口徑為3033亳米。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種用于紫外激光干涉光刻直寫(xiě)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其特征在于由物方透鏡組A和像方透鏡組B兩組透鏡組成，A組透鏡由A3、A2、A1三片透鏡組成，B組透鏡由B1、B2、B3、B4四片透鏡組成；光線傳播方向依次為A3、A2、A1、B1、B2、B3、B4；其中，A1、B1為彎月型凹透鏡，A2、B2為雙凸透鏡，A3、B3、B4為彎月型凸透鏡。本發(fā)明的像方透鏡采用四片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因而其數(shù)值孔徑大，干涉條紋的結(jié)構(gòu)精細(xì)；限定物方數(shù)值孔徑，可以減少透鏡數(shù)量，降低實(shí)際加工的累積工藝誤差，并且便于與干涉鏡頭物方的衍射光柵配合；可以在激光干涉直寫(xiě)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的制作。文檔編號(hào)G02B13/00GK101510053SQ20091002829公開(kāi)日2009年8月19日申請(qǐng)日期2009年2月6日優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日發(fā)明者周小紅,浦東林,陳林森,魏國(guó)軍申請(qǐng)人:蘇州大學(xué);蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司