本所声明  |  联系方式  |  中国科学院  |  数字认证(OA)   |  ARP  |  English  |  邮箱
新闻动态 > 科研动态

超强激光科学卓越创新简报

(第八百一十八期)

2026年8月25日

上海光机所在深紫外亚波长小孔衍射研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部李思坤研究员团队在深紫外亚波长小孔衍射研究方面取得进展。相关成果以“Vector diffraction modeling and parametric study of 266 nm sub-wavelength pinholes for high-NA wavefront sensing”为题发表在 Applied Optics 上。

在光刻投影物镜、掩模检测、晶圆缺陷检测和激光直写等高端光学装备中，波前检测精度直接影响系统性能。夏克—哈特曼波前传感器和点衍射干涉仪通常利用小孔衍射产生接近理想球面的参考波。根据衍射原理，减小小孔直径有利于提高参考波的波前质量和数值孔径，但同时会增加加工难度、降低能量透过率。在266 nm波长深紫外和高数值孔径条件下，光的矢量特性、偏振效应以及小孔内部的波导模式不可忽略，传统标量衍射理论已难以准确描述小孔的能量耦合和远场波前特性。

针对上述问题，研究团队建立了由广义Richards-Wolf矢量聚焦积分、三维时域有限差分方法（3D-FDTD）和近远场变换组成的全矢量电磁仿真模型。该模型依次完成高数值孔径会聚光场生成、亚波长小孔近场求解和远场波前重构，整体建模流程如图1所示。在此基础上，研究人员系统分析了小孔直径与厚度、入射数值孔径、典型初始像差以及侧壁倾斜误差对能量透过率、输出数值孔径、能量均匀性和波前均方根误差的影响。

图1 面向266 nm波长高数值孔径波前传感的全矢量小孔衍射模型示意图

研究结果表明，小孔直径是决定远场波前质量的主要因素，小孔厚度则通过纵向共振和波导模式截止对衍射波进行调控。研究人员选取两组典型小孔参数，对小孔内部的近场分布进行对比，如图2所示。结果显示，小孔内部会形成明显的驻波结构，不同直径对应不同的纵向共振状态，使能量透过率呈现出非单调变化。进一步对小孔直径和厚度进行二维参数扫描，结果如图3所示。小孔能量透过率随直径和厚度呈现条纹状分布，其主要来源是小孔内部类Fabry-Perot纵向共振引起的相长和相消干涉；在约100—160 nm的厚度范围内，共振可能增大波前畸变，而厚度继续增加后，波导模式截止能够抑制高阶模式、提高波前纯度。

图2 不同小孔直径下的孔内近场分布及纵向共振特征。(a)直径更小; (b)直径更大。

图3 小孔直径与厚度对不同指标的联合影响。(a) 能量透过率; (b) 出射NA; (c) 能量均匀性; (d) 波前误差RMS。

研究人员进一步考察了小孔直径与入射数值孔径的联合影响，结果如图4所示。研究将小孔的工作状态划分为“衍射主导区”和“几何投影区”。当小孔直径小于350 nm时，输出波前质量和宽角度衍射特性主要由小孔尺寸决定，对入射数值孔径变化具有较强鲁棒性。在本研究的模型与参数范围内，入射数值孔径大于0.2即可兼顾能量透过率与波前质量；其中，小孔直径小于350 nm时，可同时获得大于0.6的能量透过率、大于0.6的输出数值孔径和小于0.05λ的波前均方根误差。当小孔直径增大到400 nm以上时，小孔逐渐表现为几何光阑，增大入射数值孔径虽然能够提高输出数值孔径，却会带来明显的波前畸变。研究还发现，实际输出数值孔径与传统标量公式的预测存在明显偏差，说明工程设计中不能仅依赖经验公式确定小孔尺寸。

图4 小孔直径与入射光NA对不同指标的联合影响。(a) 能量透过率; (b) 出射NA; (c) 能量均匀性; (d) 波前误差RMS。

此外，研究表明，亚波长小孔对球差和像散等旋转对称或偶对称像差具有较强的空间滤波能力，而对破坏光场中心对称性的彗差更为敏感。对于实际加工中常见的侧壁倾斜，85°—90°范围内的轻微锥度不会造成显著性能劣化，约86°时能量透过率和波前质量可同时得到改善。本研究建立了266 nm亚波长小孔的系统参数图谱和数值设计准则，为深紫外高精度波前传感参考源的设计提供了理论依据。研究目前主要采用理想导体模型，后续将进一步结合铝、铬等真实金属的色散特性和欧姆损耗开展研究。

全文链接

附件下载：

copyright 2000- 中国科学院上海光学精密机械研究所 沪ICP备05015387号-1
主办：中国科学院上海光学精密机械研究所 上海市嘉定区清河路390号(201800)

转载本站信息，请注明信息来源和链接。 沪公网安备 31011402010030号


上海光机所
微信公众号

尚光聚力
微信公众号