專利名稱：：光學(xué)頭與光學(xué)蝕刻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種光學(xué)頭，且特別涉及一種微型光學(xué)頭，能提供次波長的光點(diǎn)，且具有充足的景深，并涉及使用該光學(xué)頭的光學(xué)蝕刻裝置。
背景技術(shù)：
：將光束聚得更小一直是物理學(xué)家們追求的目標(biāo)，然而當(dāng)光束縮小的同時(shí)會(huì)造成景深縮短或穿透能量驟減，如此嚴(yán)重地限制了光學(xué)光刻及光學(xué)儲(chǔ)存的發(fā)展。光學(xué)透鏡聚焦光點(diǎn)大小主要受到衍射極限的限制。由于光的波動(dòng)性質(zhì)具有干涉及衍射效應(yīng)，在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍下，使用透鏡聚焦的聚焦光點(diǎn)大小會(huì)由入射光的波長和所使用透鏡的數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)決定，而透鏡聚焦點(diǎn)的景深(DepthofFocus，DOF)與焦點(diǎn)大小同樣受波長及數(shù)值孔徑影響。從理論可以得知，聚焦點(diǎn)光點(diǎn)尺寸無法小于0.61人(入入射光波長)。此外，當(dāng)聚焦點(diǎn)縮小則景深也隨之縮小。為了得到更小的光點(diǎn)，除了縮短波長外，還可以使用數(shù)值孔徑大的透鏡，然而數(shù)值孔徑大的透鏡卻也使得景深變的更短，景深短則曝光刻寫時(shí)環(huán)境的要求以及平臺(tái)控制的精度都會(huì)因此變得更嚴(yán)苛。目前已知克服衍射極限的方式是利用近場(chǎng)光學(xué)的原理。即利用光通過一個(gè)納米尺度的光學(xué)孔洞后，在離開孔洞數(shù)十納米衍射現(xiàn)象尚未明顯發(fā)生的距離內(nèi)進(jìn)行曝光，可得到一個(gè)與孔洞大小相當(dāng)?shù)墓恻c(diǎn)。然而當(dāng)光通過比其波長還小的孔洞時(shí)，穿透率與孔洞直徑和波長比值的四次方((tZ/義4))有關(guān)。由此可知，使用近場(chǎng)光學(xué)的方法^;得到一次波長的孔洞，限制的一為穿透孔洞能量的強(qiáng)度。越小的孔洞其衍射現(xiàn)象越嚴(yán)重，當(dāng)距離這個(gè)孔洞越來越遠(yuǎn)時(shí)，光點(diǎn)尺寸會(huì)急速擴(kuò)大，所以此一次波長光點(diǎn)發(fā)生的距離只有距孔洞數(shù)十納米以內(nèi)，工作距離必須由精密回饋機(jī)制控制。另夕卜，Ebbesen等人于1998年提出的異常穿透現(xiàn)象。對(duì)特定波長的入射光，對(duì)銀薄膜的穿透量具有異常增加的現(xiàn)象。發(fā)生異常穿透量的波長約大于孔洞直徑十倍。這些具異常穿透的波長與孔洞陣列的周期與排列方式相關(guān)，而穿透能量強(qiáng)度與孔洞本身的深寛比有關(guān)。另外一個(gè)關(guān)鍵因素是金屬薄膜的材料，但只有特定金屬才具有此異常穿透現(xiàn)象。除了使用金屬次波長結(jié)構(gòu)有機(jī)會(huì)達(dá)成縮小聚焦光點(diǎn)、增長景深的光束上景深是無限大的?？茖W(xué)家們陸續(xù)采用不同的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)產(chǎn)生貝氏光束。例如，將激光光打在放在透鏡的焦平面上的圓環(huán)掩模，會(huì)在透鏡后方的區(qū)域形成貝氏光束，或者將激光光打在錐狀透鏡(Axicon)或全像式元件上，穿透光會(huì)在透鏡后方一段區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生貝氏光束等等。然而上述的方法都所使用的元件都還是傳統(tǒng)光學(xué)元件的大小，后來雖然有人使用納米工藝制作微米尺寸的錐狀透鏡，但還是采用相同的原理來產(chǎn)生貝氏光束。例如，有人提出將圓環(huán)掩模放在透鏡焦平面上，以產(chǎn)生不發(fā)散的貝氏光束。但由于實(shí)施上需要外加透鏡在圓環(huán)后，所以使得整個(gè)光機(jī)系統(tǒng)難以被微小化。此外，也有人嘗試?yán)靡粋€(gè)單一圓環(huán)當(dāng)掩模，使其穿透光與另一道高斯光束作干涉，也可以產(chǎn)生貝氏光束。然而目前的方法都所使用的元件都還是傳統(tǒng)光學(xué)元件的大小。由于以傳統(tǒng)透鏡聚焦及近場(chǎng)光學(xué)的方式在應(yīng)用上皆有所限制，目前需要光學(xué)頭具有制造簡易及適合微小化等優(yōu)點(diǎn)，且可以產(chǎn)生次波長聚焦光點(diǎn)和超長景深的光束。
發(fā)明內(nèi)容如上所述，本發(fā)明提供一種微型光學(xué)頭，其能提供次波長的光點(diǎn)且具有充足的景深。此光學(xué)頭用于將入射光轉(zhuǎn)換成次波長尺寸光束。光學(xué)頭包括透光基層、不透光薄膜以及至少一次波長環(huán)孔。不透光薄膜具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面。透光基層則貼附于第一表面上。前述次波長環(huán)孔為形成于不透光薄膜中，由第一表面延伸至第二表面，能使由透光基層往不透光薄膜行進(jìn)的入射光于不透光薄膜上產(chǎn)生表面等離子體波。在一個(gè)實(shí)施例中，上述次波長環(huán)孔為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。次波長環(huán)孔的寬度可為0.05至0.95個(gè)該入射光的波長。此外，光學(xué)頭更可包括至少一環(huán)溝，形成于不透光薄膜上的次波長環(huán)孔內(nèi)側(cè)，使表面等離子體波在環(huán)溝再進(jìn)行耦合成光。前述次波長環(huán)孔與環(huán)溝具有共同的中心。環(huán)溝為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。光學(xué)頭可還包括同步光源，用以產(chǎn)生入射光。在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)溝的深度可為0.05至0.5個(gè)該入射光的波長。不透光薄膜的相對(duì)介電常數(shù)可為-2至-32之間，或+1.5至+16之間。不透光薄膜的厚度為0.25至2個(gè)該入射光的波長。另外，透光基層的相對(duì)介電常數(shù)可為+1.5至+16之間。本發(fā)明更提出一種光學(xué)蝕刻裝置，其包括上述光學(xué)頭外，可利用上述光學(xué)頭所提供的次波長尺寸光束的能量，對(duì)目標(biāo)物(例如晶片)進(jìn)行曝光顯影。此外，光學(xué)蝕刻裝置可以還包含移動(dòng)平臺(tái)，使光學(xué)頭與光刻膠層間的相對(duì)位置產(chǎn)生變化。通過上述的光學(xué)頭結(jié)構(gòu)，本發(fā)明可以簡單的構(gòu)造，產(chǎn)生貝氏光束，使其具有次波長焦點(diǎn)并且具有更長的景深。為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。圖1是依據(jù)本發(fā)明所繪示的微型光學(xué)頭的剖面示意圖。圖2是繪示圖1的微型光學(xué)頭的上視圖。圖3繪示SAA結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)光學(xué)量測(cè)結(jié)果，入射光的電場(chǎng)偏振方向如圖中箭頭所示。圖4繪示SAA結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)光學(xué)量測(cè)結(jié)果，入射光的電場(chǎng)偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，如圖中箭頭所示。圖5繪示SAA結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)光學(xué)量測(cè)結(jié)果，入射光波長為442nm,中心處無表面等離子體聚焦光點(diǎn)。圖6繪示銀-空氣介面的表面等離子體傳播長度。圖7繪示SAA結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，其中(左)側(cè)為次波長環(huán)孔表面的穿透光場(chǎng)；(右)側(cè)為離次波長環(huán)孔表面2(Vm處產(chǎn)生聚焦光點(diǎn)。圖8繪示距離次波長環(huán)孔表面不同高度的遠(yuǎn)場(chǎng)光點(diǎn)大小關(guān)系圖。圖9繪示距離次波長環(huán)孔表面不同高度的遠(yuǎn)場(chǎng)光點(diǎn)強(qiáng)度大小關(guān)系圖。圖IO繪示次波長環(huán)孔、穿透光角度、焦點(diǎn)距離(位置)與景深之間的關(guān)系示意圖。圖11繪示不透明薄膜的垂直共振腔示意圖。圖12繪示次波長環(huán)孔結(jié)構(gòu)的波傳模型示意圖。響,圖13繪示具有環(huán)溝與次波長環(huán)孔的不透明薄膜的剖面示意圖。圖14繪示不同半徑的環(huán)溝對(duì)光強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖15繪示不同寬度但相同深度的環(huán)溝對(duì)于散射強(qiáng)度與散射相位差的影圖16為將本發(fā)明微型光學(xué)頭應(yīng)用在光學(xué)蝕刻的例子。附圖標(biāo)記說明100:微型光學(xué)頭102:103:聚焦點(diǎn)104:106:次波長環(huán)孔108:110:入射光場(chǎng)112:DOF:景深透光基層不透光薄膜環(huán)溝穿透光場(chǎng)具體實(shí)施方式本發(fā)明利用局限模態(tài)(localizedmode)產(chǎn)生貝氏光束(Besselbeam)的概念為基礎(chǔ)，提出使用次波長圓環(huán)來產(chǎn)生貝氏光束的微型光學(xué)頭。本發(fā)明的微型光學(xué)頭不僅具有制造簡易及適合微小化等優(yōu)點(diǎn)，更以實(shí)驗(yàn)證明次波長聚焦光點(diǎn)和超長景深光束的存在。圖1是依據(jù)本發(fā)明所繪示的微型光學(xué)頭的剖面示意圖，圖2是繪示圖1的微型光學(xué)頭的上視圖。如圖1與2所示，所示，微型光學(xué)頭100至少包括透光基層102與不透光薄膜104。不透光薄膜104具有第一表面和與該第一表面相對(duì)的第二表面，其中透光基層102貼附于第一表面上。不透光薄膜104上形成有次波長環(huán)孔106。次波長環(huán)孔106形成于該薄膜中，并且由第一表面延伸至第二表面，能使由透光基層102往不透光薄膜104行進(jìn)的入射光110于不透光薄膜104上產(chǎn)生表面等離子體波。此外，光學(xué)頭100更可以包括同步光源(未繪出)，用以產(chǎn)生入射光IOO。在此范例中，次波長環(huán)孔106的直徑為a，不透光薄膜104的厚度為b，次波長環(huán)孔106的孔道尺寸為c。此外，圖1雖只例示一個(gè)次波長環(huán)孔106，但是在實(shí)際應(yīng)用上可以依據(jù)所需，形成多數(shù)個(gè)次波長環(huán)孔。如圖1所示，次波長環(huán)孔106的直徑a、不透光薄膜104的厚度b以及環(huán)孔的孔道尺寸c,共同決定聚焦光點(diǎn)103所產(chǎn)生最小光點(diǎn)的尺寸、景深DOF與聚焦光點(diǎn)103的位置。透光基層102的作用為支撐不透光薄膜104，但同時(shí)又不會(huì)阻擋入射光110。不透光薄膜104的作用則為使入射光110幾乎無法直接穿透不透光薄膜104,而僅能經(jīng)由薄膜上的次波長環(huán)孔106通過。在特定模態(tài)下，于出口處放出能量。而次波長環(huán)孔106可對(duì)穿透光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，不透光薄膜104的材料特性可控制光在次波長孔洞中的模態(tài)，使其大部分能量能均勻分布在次波長大小的區(qū)域的中。通過調(diào)整不透光薄膜104的厚度b，使其在次波長溝道中形成特定模態(tài)，在出射面形成空間中特定的波傳角度分布。上述光學(xué)頭IOO所產(chǎn)生的聚焦光點(diǎn)103的大小約為3/4個(gè)波長，景深DOF則可達(dá)數(shù)十個(gè)波長。接著，針對(duì)上述幾個(gè)參數(shù)做說明。上述光學(xué)頭100的不透光薄膜104上可以形成一個(gè)或多個(gè)次波長圓環(huán)孔106，其功用是做為次波長尺寸的光源。光學(xué)頭100的每道出射光的行進(jìn)方向是由不透光薄膜104的厚度b所決定，其厚度b可以0.25個(gè)入射光波長至2個(gè)入射光波長之間。不透光薄膜104的厚度b的作用主要是影響穿透光場(chǎng)的強(qiáng)度，如前所述，其功能在于阻止入射光的直接穿透。故在選擇厚度b時(shí)，以能有效達(dá)成上述功能即可，具體的尺寸并未特別限制。此外，次波長環(huán)孔106的直徑a則是影響出射光的相交位置。次波長環(huán)孔106的直徑a越大，則出射光相交的位置越遠(yuǎn)，但不影響指向機(jī)制的發(fā)生與否。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，次波長環(huán)孔106的半徑(a/2)在10到30個(gè)入射光波長皆可有效產(chǎn)生次波長聚焦光點(diǎn)，但制作尺寸不以此范圍為限。次波長環(huán)孔106的直徑a也會(huì)影響光學(xué)頭100的聚焦位置103與景深DOF的深淺。次波長環(huán)孔106的直徑a越大，則出射光相交的光點(diǎn)景深越深(圖1中出射光交集的處)。一Jl殳而言，可以10~30個(gè)入射光波長的尺寸來進(jìn)行制作，但制作尺寸不以此范圍為限。另外，光學(xué)頭100的不透光薄膜104的材料，即相對(duì)介電常數(shù)，會(huì)影響次波長環(huán)孔內(nèi)的模態(tài)以及能量分布。舉例而言，4艮圓環(huán)內(nèi)以HE11模態(tài)(TM與TE的混合膜態(tài))為主，鴒圓環(huán)內(nèi)以TE11模態(tài)為主。例如，光學(xué)頭100的不透光薄膜104的材料可以用金屬材料(相對(duì)介電常數(shù)于-2至-32間的材料)或非金屬材料(相對(duì)介電常數(shù)于+1.5至+16間的材料)。此外，光學(xué)頭100的次波長環(huán)孔106的寬度c可以為0.05個(gè)入射光波長至0.95個(gè)入射光波長的尺寸。另外，光學(xué)頭100的不透光薄膜104更可于其上制作圓環(huán)形表面結(jié)構(gòu)，例如環(huán)溝(參考圖12與13),以進(jìn)一步增加聚焦光點(diǎn)能量。環(huán)溝的深度須足以影響散射光的相位，深度必須介于0.05至0.5個(gè)入射光波長的尺寸。接著，以金屬銀作為一個(gè)說明例，來說明本實(shí)施例的光學(xué)頭的近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)特性，以及聚焦光點(diǎn)的相關(guān)特性。首先，要制作此光學(xué)頭，例如利用濺射機(jī)將約250nm的銀膜鍍(相當(dāng)于前述的不透明薄膜104)在干凈的玻璃基材(相當(dāng)于前述的透明基層102)上，然后使用聚焦離子束(focusedionbeam，F(xiàn)IB)在銀膜鍍的金屬表面制作出線寬150nm、直徑12|im的次波長圓環(huán)結(jié)構(gòu)(subwavelengthannularaperture,SAA結(jié)構(gòu))。上面的尺寸僅為方便下面說明之用，實(shí)施時(shí)并不限定在該些尺寸。近場(chǎng)光學(xué)特性為了討論近場(chǎng)光學(xué)特性，將線性偏振態(tài)波長633nm的氦氖(He-Ne)激光正向(垂直)地入射到上述制作的銀SAA試片，并利用商用的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行收光模式(collectionmode)的掃瞄，其結(jié)果如圖3所示，可發(fā)現(xiàn)次波償環(huán)孔的中心處出現(xiàn)光點(diǎn)。量測(cè)此光點(diǎn)千涉條紋的周期得到約307nm。在銀與空氣介面產(chǎn)生的表面等離子體波的波長，可根據(jù)下式(l)計(jì)算得到理論值612mn(其中人sp:表面等離子體波波長；入入射光波長；；金屬的介電系數(shù)；q:電介質(zhì)介面的介電系數(shù)；ksp:表面等離子體波波向量)。干涉條紋(307nm)差不多是表面等離子體波波長(612nm)的一半，由此可知上述光點(diǎn)是由次波長圓環(huán)激發(fā)表面等離子體波后傳遞到圓心處干涉所形成。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(1)由于只有TM波才能激發(fā)表面等離子體，因此改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)方向理論上也會(huì)影響千涉條紋的方向。將入射光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度再量測(cè)一次，量涉結(jié)果如圖4所示，其中箭頭方向代表入射光偏振態(tài)方向。由結(jié)果得知，當(dāng)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，干涉條紋亦旋轉(zhuǎn)卯度，可驗(yàn)證出銀SAA試片圓心的光點(diǎn)是由表面等離子體干涉所形成。接著，將入射光源改為442nm的He-Cd激光，近場(chǎng)量測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可以清楚地知道，在此入射波長下，環(huán)孔中心并未有聚焦光點(diǎn)。仔細(xì)檢視金屬可見光波段下的材料參數(shù)并代入下面公式(2)，計(jì)算表面等離子體波的傳遞長度(Lsp:表面等離子體波的傳遞長度；k^:表面等離子體波波向量的虛部；oo:入射光頻率；c:光在真空中的速度；Sm,R:金屬介電系數(shù)的實(shí)部;Sm，t:金屬介電系數(shù)的虛部；sd:電介質(zhì)介面的介電系數(shù))。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(2)計(jì)算結(jié)果如圖6所示，由圖6可知在442nm和633nm的入射波長下，在銀-空氣介面表面等離子體的傳遞長度分別為2.3(im和21.6pm。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所用半徑為6jiim的圓環(huán)，以波長442nm入射光所激發(fā)的表面等離子體波傳遞長度太短，能傳遞到環(huán)孔中心的能量太弱，故信號(hào)被隱藏在背景噪聲中而無法被偵測(cè)。由此可知，選用的金屬材料必須配合適當(dāng)?shù)娜肷涔獠ㄩL使得所激發(fā)出的表面等離子體波有足夠的傳播長度。遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)特性以上的討論顯示4艮SAA試片對(duì)于合適的入射波長(如633nm),在環(huán)孔表面中心會(huì)產(chǎn)生表面等離子體干涉的光點(diǎn)，可作為連接遠(yuǎn)場(chǎng)光和其他表面光學(xué)元件能量轉(zhuǎn)換的橋梁。為了更進(jìn)一步了解銀SAA試片的遠(yuǎn)場(chǎng)特性，我們使用波長442nm激光正向地入射于SAA結(jié)構(gòu)上，并移動(dòng)顯微'鏡物鏡的焦平面在不同高度觀察穿透光的光場(chǎng)分布。如圖7所示，在高度約20pm處會(huì)有聚焦光點(diǎn)，此光點(diǎn)可維持的數(shù)十|im不發(fā)散，此聚焦光束具有貝氏光束的特性。目前，產(chǎn)生貝氏光束的方式不外乎已知技術(shù)所述的幾種方式，并無發(fā)現(xiàn)利用次波長環(huán)孔(本說明例為銀環(huán)孔)如此簡單架構(gòu)即可產(chǎn)生貝氏光束的方式。為了進(jìn)一步對(duì)此光束作定量的分析，我們用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的收光模式，并控制壓電平臺(tái)的電壓使探針在不同高度掃瞄，所得一系列圖像如圖8所示。如圖8所示，最小的聚焦光點(diǎn)為354nm，離開焦點(diǎn)42.6pm的距離后，光點(diǎn)大小仍維持lpm左右的大小。其焦點(diǎn)強(qiáng)度隨z軸(垂直方向)變化整理如圖9。由圖9可知其景深長度的一半約有25pm左右(景深約50pm(113X)),與使用傳統(tǒng)透鏡聚焦(高斯光束聚焦)相比較，若要達(dá)成相同的聚焦光點(diǎn)，必須使用數(shù)值孔徑為0.75的透鏡，此時(shí)其景深長度只剩下約2.26|_im(5.1X)。兩者相比，可發(fā)覺銀SAA試片的聚焦光點(diǎn)具有異常大的景深，即具有貝氏光束的特征。接著，更進(jìn)一步說明本實(shí)施例的光學(xué)頭的貝氏光束產(chǎn)生的機(jī)制。圖10繪示次波長環(huán)孔、穿透光角度、焦點(diǎn)距離(位置)與景深之間的關(guān)系示意圖。在同一個(gè)銀膜(250nm)試片上制作三種不同直徑的次波長環(huán)孔，分別為6pm、9|im、12fim。使用線性偏振態(tài)的波長442nm激光光正向地入射到所做的SAA結(jié)構(gòu)，并在遠(yuǎn)場(chǎng)量測(cè)幾個(gè)主要的參數(shù)。如圖10所示，F(xiàn)代表能量最強(qiáng)的聚焦點(diǎn)，F(xiàn),、F2分別代表聚焦點(diǎn)能量一半處的位置，景深DOF則是F,、F2之間距，6,、6、02分別為F,、F、F2所對(duì)應(yīng)的出射角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理如表l。從整理的結(jié)果可發(fā)現(xiàn)聚焦光點(diǎn)大約與入射波長相等，焦點(diǎn)位置(F)與次波長環(huán)孔106的直徑(D)成正比。此外，對(duì)于相同膜厚的銀SAA試片，改變?nèi)N不同次波長環(huán)孔106的直徑，其出射角度(e,、6、62)彼此間都很接近。上述出射角度一致性以圖11的模型來解釋指向性的概念。圖ll繪示次波長環(huán)孔結(jié)構(gòu)的波傳沖莫型示意圖。由于次波長環(huán)孔中可激發(fā)柱狀表面等離子體波(cylindricalsurfaceplasmon,CSP)，當(dāng)次波長環(huán)孔106中傳遞的表面等離子體波滿足kj^m兀時(shí)，在次波長環(huán)孔106的溝道的有限長度L(即圖1中的不透光薄膜厚度b)中可形成穩(wěn)定的模態(tài)(CSPmode),而波導(dǎo)中特定的模態(tài)對(duì)應(yīng)的是空間中特定的波傳角度，在我們的實(shí)驗(yàn)中kz=hitt/L=m兀/0.25((am)=12.56mQim"),而出射光在空氣中傳遞，故出射光波向量k=2兀nA=14.22(pm-'),由以上可知出射角度e二sin"(Wk),如果考慮m=l的模態(tài)(fundamentalmode),則時(shí)此出射角計(jì)算可得為62度。與表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(6366度)相比較可發(fā)現(xiàn)具有不錯(cuò)的一致性。銀SAA試片的所以可以產(chǎn)生貝氏光束的特性，主要是因?yàn)殂ySAA試片中，環(huán)孔的對(duì)稱性加上環(huán)孔本身產(chǎn)生的局限模態(tài)(localizedmode)，造成環(huán)孔的出射光可產(chǎn)生圓錐狀的波向量，而圓錐狀的波向量即為產(chǎn)生貝氏光束的必要條件。表一<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>圖12繪示圖1的光學(xué)頭結(jié)構(gòu)的一種變化例示意圖。圖ll繪示具有環(huán)溝與次波長環(huán)孔的不透明薄膜的剖面示意圖。圖12所示的結(jié)構(gòu)與圖1所示的結(jié)構(gòu)的差異點(diǎn)在于次波長環(huán)孔106之內(nèi)側(cè)更形成環(huán)溝108(以虛線表示凹溝)。圖12僅繪出差異構(gòu)件部分，部分相同的結(jié)構(gòu)則省略。圖12所示的光學(xué)頭結(jié)構(gòu)可以將聚焦光點(diǎn)進(jìn)一步增強(qiáng)能量。由先前討論可以知道，當(dāng)光通過環(huán)孔結(jié)構(gòu)106時(shí)，出射光會(huì)有類似貝氏光束的現(xiàn)象，使得出射光在遠(yuǎn)場(chǎng)有次波長的聚焦光點(diǎn)大小，并且保持一個(gè)很長的景深。圖12所示為一種名為RCG(RingcontainingCircularGroove)的納米金屬結(jié)構(gòu)，可以使得入射光通過單一環(huán)孔106時(shí)，在金屬表面上產(chǎn)生傳遞的表面等離子體，并且通過表面的環(huán)溝108再次將表面等離子體耦合變成光，散射到遠(yuǎn)場(chǎng)中，以增加其出射能量。在此，次波長環(huán)孔106的半徑為R,環(huán)溝108的半徑為r。如圖12所示，當(dāng)入射光穿越過次波長環(huán)孔106后，可分為兩部份。一部分為直接穿透在遠(yuǎn)場(chǎng)的光，另一部份則是在金屬表面上傳遞的表面等離子體SP。假若我們制作一個(gè)圓環(huán)溝槽在圓環(huán)挾縫附近，則可以使得原先的表面等離子體散射至遠(yuǎn)場(chǎng)，增加其聚焦能量。根據(jù)下面所示的公式(3)，其表示環(huán)溝108的散射光與直接穿透光相加結(jié)果的表示式。在RCG結(jié)構(gòu)中，就是利用表面等離子體散射光與環(huán)孔106的直接穿透光的干涉情形來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其中，Lsp為表面等離子體的在金屬表面上的傳播長度。A,和A3代表環(huán)孔106直接穿透光以及表面等離子體散射光在空間中傳遞所造成的相位變化，各別為2TrVF777義^和S/rV^TT7/;^.。A2代表表面等離子體在金屬表面?zhèn)鞑サ南辔徊睿瑸?。其中，入sp為入射光在金屬表面所傳遞的波長。而Ag和P代表表面等離子體被溝槽散射所產(chǎn)生的相位差以及散射強(qiáng)度。由于光穿透次波長環(huán)孔106后在金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體為圓柱波形式，所以在公式(3)中引入圓柱波傳遞時(shí)遞減的形式為l/V^，其中x為傳播長度。.在公式(4)中，將單一次波長環(huán)孔106的出射光能量對(duì)于RCG結(jié)構(gòu)出射能量規(guī)一化的結(jié)果。從公式(4)可以發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)溝108的半徑r改變時(shí)，RCG出射能量會(huì)被調(diào)制。假設(shè)若能適當(dāng)?shù)恼{(diào)整環(huán)溝108的尺寸，使得兩道光的干涉為相長干涉，就可以使得RCG結(jié)構(gòu)的出射光達(dá)到最大的能量。在△g方面，可以將環(huán)溝108視為一個(gè)垂直共振腔。如圖13所示，當(dāng)表面等離子體傳遞到溝槽時(shí)，環(huán)溝108的深度為h，而環(huán)溝108為一種垂直共振腔。所以光被散射后，所得到的相位差為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>為了更了解實(shí)際中干涉的情形，利用聚焦離子束在金屬表面上制作RCG結(jié)構(gòu)，并且利用波長532nm的激光作為光源。在實(shí)驗(yàn)中，制作四種不同寬度但具有相同深度的環(huán)溝，碧且觀察其散射光與直接穿透光的干涉情形。圖14為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公式(4)的比較，可以發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)溝108的半徑r的改變，散射光與直接穿透光會(huì)有干涉情形。由實(shí)驗(yàn)時(shí)是在某一固定點(diǎn)去接收RCG結(jié)構(gòu)所出射的光，所以在圖14中可看出出射能量有被調(diào)制的現(xiàn)象。另外一方面，也可以看出隨著環(huán)溝108的半徑r的改變，RCG結(jié)構(gòu)的聚焦長度也會(huì)跟著改變。另外，從圖14可以看出，出射能量與單一次波長環(huán)孔比較，約可以增加20%-30%的出射能量。另外，圖15繪示出不同寬度但相同深度的環(huán)溝對(duì)于散射強(qiáng)度與散射相位差的影響。在散射相位差方面，利用波長532nm的激光，波長532nm的入射光激發(fā)出在空氣與金屬介面上的表面等離子體波長為505nm。所制作的環(huán)溝深度為55nm。因此，得到的散射相位差約為0.21tt與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相去不遠(yuǎn)。并且環(huán)溝的寬度對(duì)于散射相位沒有太大的影響。因此，可以通過控制環(huán)溝的深度h，來改變其相位差。就可以調(diào)制RCG結(jié)構(gòu)的出射能量。接著，說明本發(fā)明的應(yīng)用例。本發(fā)明的微型光學(xué)頭可以應(yīng)用的范圍極為廣泛，舉凡需要精確對(duì)焦或超長景深者均適用。下面舉出一個(gè)說明范例，但應(yīng)用方面絕非只限制于下面的范例。在上述實(shí)施例的說明中，為了說明方便，均以單一次波長環(huán)孔與單一環(huán)溝的結(jié)構(gòu)來說明。但是，在實(shí)際的應(yīng)用上，可以根據(jù)上述的理論說明，做最佳的修改。亦即，次波長環(huán)孔與環(huán)溝的數(shù)目并未做特別的限制，其可以依據(jù)實(shí)際狀況，做最適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與搭配。圖16為將本發(fā)明微型光學(xué)頭應(yīng)用在光學(xué)蝕刻的例子，其可提供波長等級(jí)的光點(diǎn)大小且具有超長景深的聚焦光點(diǎn)。如圖16所示，入射光經(jīng)過光學(xué)頭(包含透光基層102與不透光薄膜104),通過此光學(xué)頭提供次波長等級(jí)大小且具有超長景深的聚焦光點(diǎn)103，聚焦至光刻膠30進(jìn)行曝光。由此，便可定義出高深寬比的圖形。202為欲轉(zhuǎn)移圖形的晶片，利用光學(xué)頭刻寫于光刻膠204上的圖形可以干蝕刻等方式轉(zhuǎn)移到晶片.202上。200是移動(dòng)平臺(tái)，使其上的晶片202與光學(xué)頭產(chǎn)生相對(duì)位置而定義出所需圖形。舉例來說，光學(xué)頭可以應(yīng)用于光學(xué)光刻、光學(xué)儲(chǔ)存、光鉗遠(yuǎn)距離操控微納米粒子及高深寬比結(jié)構(gòu)的制作等，但不在此限。雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。權(quán)利要求1.一種光學(xué)頭，用于將入射光轉(zhuǎn)換成次波長尺寸光束，該光學(xué)頭包括透光基層；不透光薄膜，具有第一表面和與該第一表面相對(duì)的第二表面，其中該透光基層貼附于該第一表面上；以及至少一次波長環(huán)孔，形成于該不透光薄膜中，由該第一表面延伸至該第二表面，能使由該透光基層往該不透光薄膜行進(jìn)的該入射光在該不透光薄膜上產(chǎn)生表面等離子體波。2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，其中該次波長環(huán)孔為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)頭，其中該次波長環(huán)孔的寬度為0.05至0.95個(gè)該入射光的波長。4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，還包括至少一環(huán)溝，形成于該不透光薄膜上的該次波長環(huán)孔內(nèi)側(cè)，使該表面等離子體波在該環(huán)溝再進(jìn)行耦合成光。5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)頭，其中該次波長環(huán)孔與該環(huán)溝具有共同的中心。6.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)頭，其中該環(huán)溝為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。7.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)頭，其中該環(huán)溝的深度為0.05至0.5個(gè)該入射光的波長。8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，其中該不透光薄膜的相對(duì)介電常數(shù)為-2至-32之間。9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，其中該不透光薄膜的相對(duì)介電常數(shù)為+1.5至+16之間。10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，其中該透光基層的相對(duì)介電常數(shù)為+1.5至+16之間。11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，其中該不透光薄膜的厚度為0.25至2個(gè)該入射光的波長。12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)頭，還包括同步光源，用以產(chǎn)生該入射光。13.—種光學(xué)蝕刻裝置，至少包括光學(xué)頭，用于將入射光轉(zhuǎn)換成次波長尺寸光束，并且利用該次波長尺寸光束的能量，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行曝光顯影，該光學(xué)頭還包括透光基層；不透光薄膜，具有第一表面和與該第一表面相對(duì)的第二表面，其中該透光基層貼附于該第一表面上；以及至少一次波長環(huán)孔，形成于該不透光薄膜中，由該第一表面延伸至該第二表面，能使由該透光基層往該不透光薄膜行進(jìn)的該入射光在該不透光薄膜上產(chǎn)生表面等離子體波。14.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)蝕刻裝置，還包含移動(dòng)平臺(tái)，使該光學(xué)頭與該光刻膠層間的相對(duì)位置產(chǎn)生變化。15.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該次波長環(huán)孔為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該次波長環(huán)孔的寬度為0.05至0.95個(gè)該入射光的波長。17.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，還包括至少一環(huán)溝，形成于該不透光薄膜上的該次波長環(huán)孔內(nèi)側(cè)，使該表面等離子體波在該環(huán)溝再進(jìn)行耦合成光。18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該次波長環(huán)孔與該環(huán)溝具有共同的中心。19.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該環(huán)溝為圓環(huán)結(jié)構(gòu)。20.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該環(huán)溝的深度為0.05至0.5個(gè)該入射光的波長。21.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該不透光薄膜的相對(duì)介電常數(shù)為-2至-32之間。22.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該不透光薄膜的相對(duì)介電常數(shù)為+1.5至+16之間。23.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該透光基層的相對(duì)介電常數(shù)為+1.5至+16之間。24.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，其中該不透光薄膜的厚度為0.25至2個(gè)該入射光的波長。25.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)蝕刻裝置，還包括同步光源，用以產(chǎn)生該入射光。全文摘要本發(fā)明公開了一種光學(xué)頭和光學(xué)蝕刻裝置。一種微型光學(xué)頭，可提供次波長聚焦光點(diǎn)與超長景深，其包含透光基材、不透光薄膜與至少一個(gè)次波長環(huán)孔。通過同步光線穿透支撐光學(xué)頭的透明基層與經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)的次波長圓環(huán)孔后，能克服光束因衍射而發(fā)散的限制并有效提升穿透能量。穿透光在一段距離后會(huì)形成次波長尺寸寬度的光束并維持相當(dāng)長的距離不發(fā)散。文檔編號(hào)G11B7/12GK101324759SQ20071011007公開日2008年12月17日申請(qǐng)日期2007年6月14日優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日發(fā)明者葉超雄,張佑嘉,張晉愷,李世光,林鼎晸,鄭琮達(dá),陳志豪申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院