本發(fā)明涉及光學(xué)、集成光子學(xué)和極紫外波段光調(diào)控領(lǐng)域，具體涉及一種基于超構(gòu)表面的極紫外波段半波片及四分之一波片器件的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、極紫外(euv，10-121nm)波段電磁波能量較高，能夠電離絕大多數(shù)物質(zhì)的原子與分子，其中13.5nm是極紫外光刻(euvl)的核心工作波長，在半導(dǎo)體及量子光學(xué)等領(lǐng)域具有極高的價值。作為光場調(diào)控的關(guān)鍵元件，波片通過引入相位延遲調(diào)控光偏振態(tài)，可直接影響光刻膠曝光均勻性等指標(biāo)。傳統(tǒng)波片依賴介質(zhì)材料或多層膜堆疊，但介質(zhì)材料在euv波段的折射率顯著下降，導(dǎo)致光場難以局限在介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)內(nèi)，相鄰單元之間產(chǎn)生干擾，且材料吸收急劇升高，損耗巨大，難以兼容高效傳輸和相位調(diào)控的要求；而多層膜堆疊導(dǎo)致厚度增加，且對入射角度與工藝誤差極為敏感，嚴(yán)重制約微型化與集成化需求。

2、超表面通過亞波長納米結(jié)構(gòu)陣列實現(xiàn)光場調(diào)控，其超薄平面結(jié)構(gòu)適配片上集成。然而，euv波段器件的設(shè)計依然受限于金屬材料的強吸收特性與介質(zhì)材料的低折射率，導(dǎo)致相位調(diào)控與透射率難以平衡。突破這一難題，實現(xiàn)基于超表面的euv波片器件，將提升光刻系統(tǒng)等關(guān)鍵領(lǐng)域的偏振控制精度與光學(xué)集成度，為光子集成器件注入新的自由度，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于超構(gòu)表面的極紫外波段半波片及四分之一波片器件的設(shè)計方法，通過采用氮化硅(si3n4)襯底與鉬(mo)金屬層復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及貫穿其中的真空納米矩形孔來實現(xiàn)極紫外波段的光場調(diào)控，光場被限制在高折射率真空通道內(nèi)，從而避免了極紫外波段介質(zhì)低折射率導(dǎo)致的巨大損耗。具體為利用時域有限差分方法計算不同偏振入射光下納米孔單元的相位響應(yīng)及透射率分布，通過改變矩形孔洞的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)控x/y線偏振光的相位延遲量，以滿足半波片或四分之一波片的相位差需求，通過周期性排布完成器件設(shè)計。

2、一種基于超構(gòu)表面的極紫外波段半波片及四分之一波片器件的設(shè)計方法，包括以下步驟：

3、1)、設(shè)計超表面的結(jié)構(gòu)；

4、2)、通過時域有限差分方法計算超表面中納米孔單元在不同偏振自由空間輸入光源下的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布；

5、3)、根據(jù)半波片與四分之一波片不同功能的相位需求，分別確定納米孔單元對應(yīng)的相位差條件；

6、4)、根據(jù)步驟2)得到的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布數(shù)據(jù)，以及步驟3)得到的不同目標(biāo)差條件，通過算法篩選索引滿足相應(yīng)功能波片所需條件的納米孔的長和寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)，將超表面單元進行周期性排布，完成波片器件設(shè)計。

7、進一步，一種基于超構(gòu)表面的極紫外波段半波片及四分之一波片器件的設(shè)計方法，包括以下步驟：

8、1)、設(shè)計超表面的結(jié)構(gòu)；

9、2)、計算超表面的結(jié)構(gòu)中納米孔單元在目標(biāo)波長下和不同偏振自由空間輸入光源下的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布；

10、3)、根據(jù)半波片與四分之一波片各自的不同功能的相位需求，分別確定半波片的納米孔單元對應(yīng)的相位差條件，以及四分之一波片的納米孔單元對應(yīng)的相位差條件；

11、4)、根據(jù)步驟2)得到的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布數(shù)據(jù)，以及步驟3)得到的半波片的納米孔單元對應(yīng)的相位差條件，利用算法篩選索引滿足半波片所需條件的矩形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將納米孔單元進行周期性排布，完成極紫外波段半波片器件的設(shè)計；

12、根據(jù)步驟2)得到的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布數(shù)據(jù)，以及步驟3)得到的四分之一波片的納米孔單元對應(yīng)的相位差條件，利用算法篩選索引滿足四分之一波片所需條件的矩形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將納米孔單元進行周期性排布，完成極紫外波段四分之一波片器件設(shè)計。

13、步驟1)中，所述超表面的結(jié)構(gòu)包括：氮化硅襯底、設(shè)置在所述氮化硅襯底上的鉬金屬層，以及貫穿所述氮化硅襯底和鉬金屬層的納米矩形孔陣列。所述的納米矩形孔陣列包含若干具有相同深度及孔徑尺寸的矩形孔，所述矩形孔在平面內(nèi)進行周期性排布。

14、進一步優(yōu)選，所述超表面包括氮化硅(si3n4)襯底、設(shè)置在所述氮化硅襯底上的鉬(mo)金屬層，以及貫穿所述氮化硅(si3n4)襯底及鉬(mo)金屬層的納米矩形孔陣列，所述納米孔陣列包含若干具有相同深度及孔徑尺寸的矩形孔結(jié)構(gòu)，所述矩形孔在平面內(nèi)按要求進行周期性排布。

15、步驟2)中，所述的納米孔單元包括：矩形孔以及該矩形孔的邊緣所對應(yīng)的氮化硅襯底和鉬金屬層。不同偏振為x線性偏振和y線性偏振。通過時域有限差分方法計算超表面的結(jié)構(gòu)中納米孔單元在目標(biāo)波長下和不同偏振自由空間輸入光源下的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布。

16、步驟3)中，半波片與四分之一波片不同功能的相位需求分別為：半波片需x線性偏振與y線性偏振相位差為(2n+1)·π(n為整數(shù))，四分之一波片需x線性偏振與y線性偏振相位差為(m為整數(shù))。即所述的半波片的納米孔單元對應(yīng)的相位差條件為：x線性偏振與y線性偏振相位差為π或其奇數(shù)倍。四分之一波片的納米孔單元對應(yīng)的相位差條件為：x線性偏振與y線性偏振相位差為或其奇數(shù)倍。

17、步驟4)中，根據(jù)步驟2)得到的共振相位響應(yīng)分布及透過率分布以及步驟3)中波片所需相位差條件來確定超表面上所有納米孔的結(jié)構(gòu)尺寸，具體包括：

18、4.1)根據(jù)目標(biāo)波長13.5nm和不同波片功能類型，確定納米孔單元所需的相位分布及結(jié)構(gòu)參數(shù)篩選范圍，具體包括：結(jié)構(gòu)長與寬的幾何參數(shù)在0-80nm范圍之間，半波片需x線性偏振與y線性偏振相位差為π或其奇數(shù)倍，四分之一波片需x線性偏振與y線性偏振相位差為或其奇數(shù)倍；

19、4.2)根據(jù)步驟2)超表面單元的相位響應(yīng)分布和透射率分布，選擇超表面單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得該單元在接近所需的相位差條件的同時，具有在極紫外波段相對較高的透射率，將得到的超表面單元結(jié)構(gòu)周期性排列，得到具有相應(yīng)波片功能的納米孔超表面結(jié)構(gòu)。

20、進一步優(yōu)選，利用算法篩選索引滿足半波片所需條件的矩形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將納米孔單元進行周期性排布，完成極紫外波段半波片器件的設(shè)計，具體包括：

21、利用算法篩選索引滿足半波片所需條件的矩形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得納米孔單元在接近所需的相位差條件的同時，具有在極紫外波段相對較高的透射率，將得到的納米孔單元周期性排列，得到極紫外波段半波片器件的設(shè)計。

22、利用算法篩選索引滿足相應(yīng)四分之一波片所需條件的矩形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將納米孔單元進行周期性排布，完成極紫外波段四分之一波片器件設(shè)計，具體包括：

23、利用算法篩選索引滿足相應(yīng)四分之一波片所需條件的矩形孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得納米孔單元在接近所需的相位差條件的同時，具有在極紫外波段相對較高的透射率，將得到的納米孔單元周期性排列，得到極紫外波段四分之一波片器件。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

25、一、本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種新型結(jié)構(gòu)，采用氮化硅(si3n4)襯底支撐層與鉬(mo)金屬層復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過上下層材料的協(xié)同作用，解決了極紫外波段(13.5nm)下傳統(tǒng)光學(xué)材料吸收率高、折射率不足的難題。

26、二、本發(fā)明通過優(yōu)化貫穿上層鉬金屬層及下層氮化硅的矩形孔洞結(jié)構(gòu)，在極紫外波段實現(xiàn)對光波相位延遲的調(diào)控，通過調(diào)整矩形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)即可實現(xiàn)半波片或四分之一波片功能，突破了該波段偏振調(diào)控器件的設(shè)計瓶頸。

27、三、本發(fā)明采用超表面設(shè)計，利用氮化硅的高穩(wěn)定性支撐鉬金屬層，波片厚度小于300nm，避免傳統(tǒng)分立式器件的空間占用問題，易于集成，為極紫外光刻機的微型化與高精度偏振控制提供核心器件支持。

28、四、本發(fā)明工藝簡單穩(wěn)定，與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造流程兼容，能夠降低生產(chǎn)成本與工藝復(fù)雜度。