一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组

1.本发明涉及紫外成像技术领域，具体涉及一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组。


背景技术：

2.超透镜是微纳结构超表面的一个热门研究方向。超透镜采用亚波长微纳结构进行光的波前调控，基于其对光波超强的操控能力，具有超轻、超薄、易集成等优点，成为了光学研究的热点，有望为纳米光学成像和超微型光电设备开劈一条新的道路。近年来，在可见光及近红外波段的超透镜研究发展良好，已实现了在可见光波段的单波长、多波长以及宽带消色散超透镜。但是，目前对于紫外波段的超透镜的研究仍然较少。
3.紫外透镜组，是光刻机的核心部件，要求具有衍射极限的成像质量、高分辨力、大视场以及较小的畸变，其性能决定了光机的图形传递能力。而用于光刻机的投影物镜组，往往需要复杂的透镜组合，其系统极其复杂，镜头组要把芯片版图按4:1等比例缩小到视场，同时要求数值孔径na大，波像差小，畸变小，目前国内设计的透镜组由27个晶片，11个可动镜片组成，加工精度在亚纳米级别。这就限制了光刻机的体积大小，复杂的镜组结构也对透镜装配提出了较高的要求。而依托于超表面结构的紫外超透镜具有强大的波前调控能力，可以利用尽量少的透镜组合实现传统镜组的功能。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决上述问题，而提供了一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组；所述的一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组，它包括：第一亚波长阵列结构1、透明基板3、第二亚波长阵列结构2；所述的亚波长阵列结构1设置在透明基板3一侧；所述的第二亚波长阵列结构2设置在透明基板3另一侧；亚波长阵列结构1由多个单元结构4阵列形成；单元结构4长和宽均小于工作波长；亚波长阵列结构会聚光线。
5.所述的第一亚波长阵列结构1中，两相邻单元结构4中心位置之间的距离为固定值；第一亚波长阵列结构1通过传输相位原理改变单元结构4尺寸，以及通过p-b相位原理改变相同尺寸的单元结构4的角度，实现对相位的调控。
6.入射到一种紫外全介质超透镜的光束传播过程为：光束穿过第一亚波长阵列结构1上，经过第一亚波长阵列结构1对光的调控后，于透明基板3中得到会聚光斑；传输模式下，为实现会聚，紫外全介质超透镜的相位用以下等式表示：其中，λ为入射光波长，f为紫外全介质超透镜的聚焦焦距，以透明基板3所在平面建立xy平面直角坐标系，（x，y）为阵列面上的位置坐标，（0，0）为坐标原点，坐标原点即透明基板3上的光轴通过点。
7.一个超透镜组，它包括两个超透镜，分别为第一超透镜与第二超透镜；第一超透镜为第一亚波长阵列结构1、第二超透镜为第二亚波长结构阵列2第一超透镜与第二超透镜的焦点重合；所述的第一超透镜与第二超透镜均为前述的一种紫外全介质超透镜。
8.所述的第一超透镜与第二超透镜的直径比设计为4:1。
9.入射到一种紫外超透镜组的光束传播过程为：光束穿过第一个亚波长阵列1后进行会聚，在其设计焦点位置存在聚焦光斑，光束通过第一个亚波长阵列1的聚焦位置后，继续传播至第二个亚波长阵列2，通过第二个具有会聚能力的亚波长阵列5后，光束成平行光出射。光束在两个亚波长结构之间的传播发生在透明基板3中。
10.第一亚波长阵列结构1和第二亚波长结构阵列2的两个亚波长阵列的设计焦点重合，设计间隔为两个亚波长阵列的焦距之和。
11.第一亚波长阵列结构1和第二亚波长结构阵列2的两个亚波长阵列的设计数值孔径相同，即第一亚波长阵列结构1和第二亚波长结构阵列2的两个亚波长阵列的设计焦距与半径之比相同。
12.第一亚波长阵列结构1和第二亚波长结构阵列2的两个亚波长结构位于同一透明基底3的两侧，相对位置固定。
13.本发明提供了一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组，它包括：第一亚波长阵列结构1、透明基板3、第二亚波长阵列结构2；所述的第一亚波长阵列结构1与第二亚波长阵列结构2设置在透明基板3的相对两侧；两个亚波长阵列结构由多个单元结构4阵列形成；单元结构4长和宽均小于工作波长；亚波长阵列结构会聚光线。一个超透镜组，它包括两个超透镜，分别为第一超透镜与第二超透镜；亚波长阵列结构1为第一超透镜，亚波长阵列结构2为第二超透镜；第一超透镜与第二超透镜的焦点重合；透明基板的厚度为第一超透镜与第二超透镜的焦距之和；第一超透镜与第二超透镜均为紫外全介质超透镜；第一超透镜与第二超透镜集成在同一透明基板两侧；第一超透镜与第二超透镜的数值孔径相同；第一超透镜与第二超透镜的直径比设计为4:1；实现了一种集成紫外全介质超表面透镜组，实现了具有缩束功能的集成紫外全介质超透镜组，超透镜组减少了紫外系统的镜片数量，透过率高、能量损失小，加工工艺较简单。
14.本发明的有益效果是：发明的一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组实现了对紫外平行光的完美缩束，通过在透明基板3上平行的两个面上分别设计两个超透镜亚波长阵列组实现了传统紫外光刻机物镜多片透镜组的功能，具有超轻、超薄、易集成的优点，为纳米光学成像和超微型光电设备开劈一条新的道路。本发明相较传统紫外透镜组，具有体积小，系统结构简单等优势。本发明所需的加工工艺较简单。
附图说明
15.图1为本发明的一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组的光路会聚图；图2为本发明的具有圆柱型单元结构的一种紫外全介质超透镜一种实施方式的聚焦结果示意图；图3为本发明的具有圆柱型单元结构的一种紫外全介质超透镜一种实施方式的聚焦结果示意图（不同透镜尺寸）；图4为本发明的具有椭圆柱型单元结构的一种集成紫外全介质超透镜组的原理与
结构图；图5为本发明的具有不同结构的单元结构的结构图；图中：1、亚波长阵列结构超透镜，2、亚波长阵列结构超透镜，3、透明基板，4、单元结构。
具体实施方式
16.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
17.参见图1至图5所示，一种紫外全介质超透镜，它包括：第一亚波长阵列结构1、透明基板3、第二亚波长阵列结构2；所述的第一亚波长阵列结构1与第二亚波长阵列结构2设置在透明基板3的相对两侧；第一亚波长阵列结构1、透明基板3、第二亚波长阵列结构2、从左至右顺次设置；亚波长阵列结构会聚光线。
18.所述的第一亚波长阵列结构1与第二亚波长阵列结构2均由多个单元结构4阵列形成；单元结构4可采用圆柱型、椭圆柱型、矩形柱型等，沿平行于透明基板3的平面截取单元结构4所得到的截面的尺寸小于一种紫外全介质超透镜的工作波长，若单元结构4采用圆柱型，则截面为圆形，若单元结构4采用椭圆型，则截面为椭圆，若单元结构4采用矩形柱型，则截面为矩形，矩形的长和宽均小于工作波长；第一亚波长阵列结构1与第二亚波长阵列结构2中，两相邻单元结构4中心位置之间的距离为固定值；中心位置可理解为单元结构4的质心，即圆柱型的质心、椭圆型的质心、矩形柱型等结构的质心；第一亚波长阵列结构1与第二亚波长阵列结构2通过传输相位原理改变单元结构4尺寸，以及通过p-b相位原理改变相同尺寸的单元结构4的角度，实现对相位的调控，从而实现对光线的会聚。
19.参见图2，入射到一种紫外全介质超透镜的光束传播过程为：光束经过第一亚波长阵列结构1对光的调控后，于透明基板3中得到会聚光斑；传输模式下，为实现会聚，紫外全介质超透镜的相位用以下等式表示：其中，λ为入射光波长，f为紫外全介质超透镜的聚焦焦距，以透明基板3所在平面建立xy平面直角坐标系，（x，y）为透明基板3上的位置坐标，（0，0）为坐标原点，坐标原点即透明基板3上的光轴通过点。
20.本发明一种紫外全介质超透镜组以透明基板3（紫外波段近透明材料基板）为支撑，第一亚波长阵列结构1具有透镜的聚焦效果， 第二亚波长阵列结构2具有透镜的聚焦效果。
21.透明基板3、第一亚波长阵列结构1和第二亚波长阵列结构2均采用紫外波段具有高透过率的材料，可采用α-al2o3、aln、sio2、hfo2、mgo、ga2o3、gan、zro2、mgf、alf3、laf3、gdf3或algao等材料。
22.将透明基板3采用sio2材料，第一亚波长阵列结构1和第二亚波长阵列结构2均采
用α-al2o3材料，亚波长阵列结构的每个单元结构4均为半径尺寸不等的圆柱型；参见图4所示的紫外全介质超透镜为：第一亚波长阵列结构1 与第二亚波长阵列结构2；第一亚波长阵列结构1 与第二亚波长阵列结构2的单元结构4为高度相同、直径不同的圆柱结构，每个单元结构4的尺寸小于工作波长λ、尺寸约为50-100纳米，参见图2和图3为两种不同尺寸亚波长结构得到的聚焦结果，白色区域为聚焦光斑，在紫外波段入射波长下，在一定范围内，实现了聚焦。
23.基于波导相位与p-b相位，通过改变多种结构的尺寸以及角度实现对相位的调控，参见图5所示，可以选择多种结构实现相位延迟，从而在在紫外波段入射波长下，实现同传统相同的聚焦效果。
24.基于上述超透镜，我们通过设计两个具有同样大小数值孔径（na）值的超透镜，组合成为一个超透镜组，实现将平行光缩束的效果；两片超透镜，第一超透镜与第二超透镜的直径比设计为4:1；第一超透镜与第二超透镜的焦点重合；平行光入射后，通过第一超透镜，光线会聚于第一篇超透镜的焦点处，经过第一超透镜的焦点后，光线继续传播，到达第二片超透镜，经过第二超透镜对光线进行会聚后，光线最终成平行光出射。
25.本发明为了解决现有透射型超透镜在紫外波段的不足，基于超表面结构的透射型超透镜，提出了一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组。基于惠更斯电磁超表面的设计思路，结合一系列高透射率且可控的覆盖2π透射相位的介质人工原子实现基于介质超表面的超透镜。亚波长阵列结构选用在设计波长对比环境折射率具有高对比的材料，将电磁波高度集中在阵列结构中，选用在紫外波段具有高透射的材料作为介质超表面的基底，以此减少基板结构中的能量损耗。
26.本发明的一种用于光刻机的集成紫外全介质超透镜组实现了对紫外波段光线的缩束，适用于紫外光刻机物镜系统，具有超轻、超薄、易集成的优点，本发明为纳米光学成像和超微型光电设备开劈一条新的道路。本发明减少了紫外系统的镜片数量，透过率高、能量损失小，加工工艺较简单。