CN106200276A - 基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法，解决了光刻技术中成本高、时间效率低及分辨率低的技术问题。本发明利用空间光调制器Ⅰ生成目标图形，光波经空间光调制器Ⅰ后入射到随机散射介质表面，随机散射介质对光进行随机编码，再利用空间光调制器Ⅱ对随机散射介质产生的相位畸变进行补偿，最终实现透过散射介质的亚波长成像，形成任意可控亚波长“数字掩模”，进行投影曝光。本发明避免了掩模版的制作，极大地降低了光刻成本，利用随机散射介质的随机编码与空间光调制器的相位补偿相结合，提高了光刻分辨率，其中相位标定过程仅需一次，提高了光刻时间效率，从而实现了可控亚波长图形的无掩模光刻。

Description

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，尤其是基于光学的可编程控制无掩模光刻，具体是一种基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻系统和方法，应用于各个光刻领域。

背景技术

光刻技术是指集成电路制造中利用光化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将图形传递到涂有光敏感介质的基板上，从而形成目标图形的工艺技术。这样的基板包括电路板、平面显示器、各种芯片等。用于光刻的基板通常为表面涂有光敏介质的半导体晶片或玻璃基板。

在光刻过程中，通过光刻设备中的曝光装置对半导体晶片或者玻璃基板表面进行曝光，从而引起其表面光敏介质的特征变化。然而，随着半导体加工技术的发展，制造集成度不断提高，特征尺寸越来越小；同时，传统光刻已经逼近了物理上的极限，这使得传统光学光刻掩模版的制作同时面临价格与技术的挑战。这极大地限制了传统光刻技术的应用范围。

无掩模光刻技术是降低光掩模限制的一个解决方案之一。无掩模光刻技术可分为两类：一类是基于光学的无掩模光刻技术，另一类是基于非光学的无掩模技术。基于光学的无掩模光刻技术发展较快，分为干涉光刻、激光直写和基于空间光调制器(SLM)的光刻技术。基于干涉的光刻技术可以产生超亚微米级的结构，同时对光源及环境要求很高，干涉条纹的相对光强和相对位相难以控制，制作任意面型的微细结构也相当困难，这些缺点极大地限制了该光刻技术的应用范围。激光直写光刻技术步骤比较多，材料选择和参数控制对精度影响很大，其可控性以及稳定性仍然存在很大挑战。

基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术利用计算机优化产生“虚拟”的数字图形并投影到基板上。此外，空间光调制器可以实现数字化编程控制，可以通过分析光学系统反馈的信息对目标图形进行优化控制。在基于空间光调制器的无掩模光学光刻技术中，各种光刻方式仍然存在各种缺陷限制其应用范围，例如：基于波带片阵列的光刻虽然实现了亚波长光刻，但是其波长短、数值孔径大的波带片制作难度较高，成本也随之提高，同时依赖于分辨率增强技术来突破衍射极限；缩小投影光刻技术可以生成几微米分辨率的图像，而进一步提高分辨率受缩小物镜系统、曝光深度、栅格效应的影响，随着波长减小，成本急剧增加。因此，研究一种基于空间光调制器的低成本、高效以及高分辨率无掩模光刻技术具有重要的应用价值和前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法，以实现低成本、高效率、高分辨率的可编程控制亚波长图形光刻技术，推进科技进步以及工艺发展。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统，光源发出的光经过扩束器后照射在空间光调制器(SLM)Ⅰ上，聚焦后的图形经过缩小物镜后对曝光台上的基板进行曝光，完成光刻曝光过程，其特征在于：在所述缩小物镜与空间光调制器(SLM)Ⅰ之间加设有随机散射介质组件和反馈控制分系统；所述随机散射介质组件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系统、随机散射介质、4-fⅡ分系统；所述反馈控制分系统串接在4-fⅡ分系统后，其沿光路方向依次设有空间光调制器(SLM)Ⅱ、透镜、分光棱镜、显微物镜、探测器，其中分光棱镜将光路分为两路，其中一路光入射到显微物镜上，随后进入探测器，将探测器上接收到的散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈信号，采用反馈控制算法调制空间光调制器(SLM)Ⅱ上的相位掩模，通过迭代完成反馈控制过程，缩小物镜接收另一路光，在曝光台上对基板进行曝光，进而完成光刻曝光过程，其中分光棱镜、显微物镜和探测器组成反馈控制支路，分光棱镜又与缩小物镜和曝光台组成光刻曝光支路。

本发明还是一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻方法，在权利要求1至4中任一基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统上运行，其特征在于：

步骤1：确定系统参数，根据系统分辨率需要选择光源波长、器件之间的间距以及器件参数；

步骤2：打开反馈控制支路，随后切断光刻曝光支路；

步骤3：在空间光调制器(SLM)Ⅰ上加载标定图形；

步骤4：光源1打开后，光波经扩束器扩束后照射在空间光调制器(SLM)Ⅰ上加载的标定图形上，随后光通过随机散射介质进行随机编码，编码后携带编码信息的光入射到空间光调制器(SLM)Ⅱ；

步骤5：携带信息的光由探测器经显微物镜放大后进行接收，通过反馈控制程序利用探测器上接收到的散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈信号，采用反馈控制程序对空间光调制器(SLM)Ⅱ进行相位调制，通过循环迭代过程即可完成标定过程，然后空间光调制器(SLM)Ⅱ的相位图保持不变；

步骤6：完成相位标定后，断开反馈控制支路，打开光刻曝光支路；

步骤7：在空间光调制器(SLM)Ⅰ上加载待加工“数字掩模”；

步骤8：携带“数字掩模”信息的光通过空间光调制器(SLM)Ⅱ对散射介质产生相位的畸变进行补偿，得到所需的“数字掩模”，经缩小物镜后即可在曝光台的基板上实现“数字掩模”曝光过程，完成可控亚波长无掩模光刻；

步骤9：此后更换“数字掩模”后，无需再次进行相位标定，直接重复步骤7、步骤8即可完成不同“数字掩模”的曝光过程。

与现有技术相比，本发明的技术优势为：

1.本发明提出的光刻系统增加了高折射率随机散射介质以及相位补偿过程，通过采用短波长光源，并设定合适的光学器件间距后，可突破衍射极限分辨率，实现亚波长光刻，同时可以对“数字掩模”进行一次成型，无需进行二次加工。

2.本发明提出的光刻系统避免了掩模版的制作，极大地降低了光刻成本。

3.本发明提出的光刻系统和方法，通过反馈控制过程对空间光调制器(SLM)Ⅱ的相位进行标定，从而对随机散射介质的相位畸变进行补偿，该过程仅需要一次预先标定过程，标定完成后可以快速更换目标图形并实施曝光，极大地提高了光刻的时间效率。

4.本发明提出的光刻系统可以通过采用薄介质来提高光刻系统视场角。

附图说明

图1是本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻系统构成示意图；

图2是本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻方法原理图；

图3是本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻方法原理结果图，其中(a)是图2调制前探测器接收到的散斑图，(b)是图2调制后在探测器上所形成的聚焦图形；

图4是本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻方法中随机散射介质作用示意图；

图5是本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻方法的流程框图；

图6是本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻方法中反馈控制程序遗传算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作详细说明。

实施例1：

一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统，光源1发出的光经过扩束器2后照射在空间光调制器(SLM)Ⅰ3上，聚焦后的图形经过缩小物镜12后对曝光台14上的基板13进行曝光，完成光刻曝光过程，参见图1，本发明在缩小物镜12与空间光调制器(SLM)Ⅰ3之间加设有随机散射介质组件和反馈控制分系统；本发明的随机散射介质组件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系统4、随机散射介质5、4-fⅡ分系统6；本发明的反馈控制分系统串接在4-fⅡ6分系统后，反馈控制分系统沿光路方向依次设有空间光调制器(SLM)Ⅱ7、透镜8、分光棱镜9、显微物镜10、探测器11，其中分光棱镜9将光路分为两路，其中一路光入射显微物镜10后进入探测器11，将探测器11上接收到的散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈信号，采用反馈控制算法调制空间光调制器(SLM)Ⅱ7上的相位掩模，通过迭代完成反馈控制过程，缩小物镜12接收另一路光，在曝光台14上对基板13进行曝光，进而完成光刻曝光过程，其中分光棱镜9、显微物镜10和探测器11组成反馈控制支路，分光棱镜9又与缩小物镜12和曝光台14组成光刻曝光支路。

本发明提出的光刻方法在缩小物镜12与空间光调制器(SLM)Ⅰ3之间加设有随机散射介质组件和反馈控制分系统，随机散射介质组件中随机散射介质5通过采用高折射率材料，并使用反馈控制分系统进行相位补偿实现成像，从而提高光刻分辨率。随机散射介质组件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系统4、随机散射介质5、4-fⅡ分系统6，通过合理设置光学器件之间距离可以实现分辨率的进一步提高。反馈控制系统中的分光棱镜9的使用可以确保预先标定过程和光刻曝光过程在同一套系统中进行，进而方便确保光学元件距离及参数保持不变。分光棱镜9又与缩小物镜12和曝光台14组成光刻曝光支路，其中缩小物镜12为非必要器件，其可以进一步提高系统分辨率。

实施例2：

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统的总体构成同实施例1，本发明的4-fⅠ分系统4可以采用两个透镜，其中前面为大焦距透镜，后面为小焦距系统，也可以采用缩小物镜和透镜进行组合，无论哪种方案均可实现光束缩束。4-fⅡ分系统6可以采用两个透镜，其中前面为小焦距透镜，后面为大焦距系统，也可以采用显微物镜和透镜进行组合，无论哪种方案均可实现光束扩束。其中全部透镜焦距根据两个空间光调制器尺寸和所需分辨率大小进行选择。

实施例3：

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统的总体构成同实施例1-2，随机散射介质5或者采用强散射材料，或者采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料；根据该系统成像原理，整个光刻系统的视场角为FOV≈λd/πL，系统轴向变化范围为Δz_FOV≈2·FOV·d/D，目标进行轴向变化的范围，在该范围内的变动不会对后续成像过程产生影响。其中λ为光源波长，d为目标和随机散射介质之间的距离，L为随机散射介质厚度，由此应采用薄介质。本例中采用的随机散射介质采用220颗粒度的毛玻璃(GROUND GLASS 100MM DIA TS，62620EDMUND)。本发明在光刻系统中加入随机散射介质的，可以提高光刻系统视场角，从视场角公式可以看出，随机散射介质厚度越薄，视场角越大，根据系统轴向变化范围为Δz_FOV≈2·FOV·d/D公式，视场角的增大可以进一步增大系统轴向变化范围。

实施例4：

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统的总体构成同实施例1-3，采用本发明进行光刻曝光加工，系统横向分辨率为δx＝λd/πD，轴向分辨率为δz＝(2λ/π)(d/D)²，其中D为携带目标信息的光照射到随机散射介质5表面区域的直径，由公式可得，λ越短，d越小，D越大，系统横向分辨率与轴向分辨率越高。故光源1采用短波长光源，如紫外光，需要空间光调制(SLM)Ⅰ3经4-fⅠ分系统4后形成的像面距随机散射介质5较近，控制在毫米级别，同时4-fⅡ分系统6的参数使其放大倍率较小。换句话说，需要空间光调制器(SLM)Ⅰ3经4-fⅠ分系统4后形成的中间像面距随机散射介质5较近，同时选择4-fⅡ分系统6的焦距，使4-fⅡ分系统6在随机散射介质5表面形成的区域直径小。本例中，光源1波长为325nm，目标经过4-fⅠ分系统4后形成的中间像面距离随机散射介质5的距离d为2mm，通过选择4-fⅡ分系统6中透镜的焦距，得到随机散射介质5表面区域的直径D为10mm，通过计算，理论上系统横向分辨率约为20.7nm。

实施例5：

本发明还是一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻方法，在上述的任一基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统上运行，基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统的总体构成同实施例1-4，参见图5掩模光刻方法包括有：

步骤1：系统参数设定，参见图1，按照链接顺序，光源1后依次为：扩束器2、空间光调制器(SLM)Ⅰ3、随机散射介质组件，确定系统参数，具体涉及系统横向分辨率为δx＝λd/πD，轴向分辨率为δz＝(2λ/π)(d/D)²中参数设定。根据系统分辨率选择光源1波长，设定空间光调制器(SLM)Ⅰ3由4-fⅠ分系统4作用后像面距离随机散射介质5的距离d，以及设定携带目标信息的光照射到随机散射介质表面5区域直径D的大小。随后根据空间光调制器(SLM)Ⅰ3的尺寸和D确定4-fⅠ分系统4的透镜参数。根据参数D以及空间光调制器(SLM)Ⅱ7的尺寸设置4-fⅡ分系统6的透镜参数。透镜的参数主要为焦距大小，及两个焦距比值，当参数D和空间光调制器尺寸确定后，直接可得焦距比值。

步骤2：打开预先标定支路，即分光棱镜9、显微物镜10、探测器11组成的支路，关闭光刻曝光支路，即分光棱镜9、缩小物镜12、曝光台14组成的支路。

步骤3：设定标定图形，例如一个笑脸，本例中为保证较高的相位标定精度，选取复杂图形进行标定，在空间光调制器(SLM)Ⅰ3上加载该标定图形，其中，标定图形没有具体要求，但经验表明：加载复杂图形比简单图形更有利于进行相位标定。

步骤4：打开光源1后，光波入射空间光调制器(SLM)Ⅰ3，携带标定图形的光首先通过散射介质5进行随机编码，即将原输入光的相位信息打乱，相当于一次随机编码，编码后携带编码信息的光入射到空间光调制器(SLM)Ⅱ7。在此，随机散射介质5的随机编码与空间光调制器(SLM)Ⅱ7的相位补偿相结合，该方法通过合理设置步骤1中参数，可以有效提高系统的分辨率。

步骤5：光通过空间光调制器(SLM)Ⅱ7后，携带标定图形信息的光经由4-fⅡ分系统6后由探测器11经显微物镜10放大后进行接收，利用探测器11上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈控制信号，采用反馈控制程序对空间光调制器(SLM)Ⅱ7进行相位调制，本发明经过多次循环迭代过程完成相位标定，得到空间光调制器(SLM)Ⅱ7对随机散射介质5的补偿相位。

本发明反馈控制程序采用遗传算法，其基本思想是：首先生成N个服从均匀伪随机分布的相位掩模构成的初始种群，通过计算每个相位掩模对应的适应度，按照适应度的高低进行降序排列，其中适应度为散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)，随机选出两个不同的相位掩模作为父本和母本进行交叉运算，生成新的相位掩模。随后，对生成的新掩模进行变异、选择等运算，经过多代进化即可求得最优的调制相位。

反馈调制过程仅需要进行一次，这是由于通过一次反馈调制，空间光调制器(SLM)Ⅱ7上即可形成随机散射介质5的相位补偿图，随后无论空间光调制器(SLM)Ⅰ3上更换多少个“数字掩模”，只要空间光调制器(SLM)Ⅱ7上的相位图以及随机散射介质5的性质保持不变，空间光调制器(SLM)Ⅱ7即可对随机散射介质5产生的相位畸变进行补偿，故反馈调制过程仅需进行一次，随后即可进行高效光刻。

步骤6：关闭光源1，保证空间光调制器(SLM)Ⅱ7的相位图保持不变，同时保证系统器件参数、间距不变，以确保空间光调制器(SLM)Ⅱ7对随机散射介质的精确相位补偿。完成相位标定后，断开反馈控制支路，随后打开光刻曝光支路。

步骤7：将分光棱镜9产生的光支路切换到光刻曝光支路，在空间光调制器(SLM)Ⅰ3上加载待加工的“数字掩模”，“数字掩模”可以为电路板、平面显示器、各种芯片等各种需光刻加工的图形。

步骤8：打开光源1，携带“数字掩模”信息的光通过空间光调制器(SLM)Ⅱ7，由于遗传算法的循环迭代在空间光调制器(SLM)Ⅱ7得到随机散射介质5的补偿相位，对随机散射介质5产生相位的畸变进行补偿，携带目标信息的光先后通过随机散射介质5和空间光调制器(SLM)Ⅱ7后可以得到高分辨“数字掩模”，经缩小物镜12缩小后进一步提高分辨率，随后在曝光台14的基板13上实现“数字掩模”曝光过程，完成可控亚波长无掩模光刻。

步骤9：此后更换不同的待加工“数字掩模”，无需再次进行相位标定，直接重复步骤7、步骤8即可完成不同“数字掩模”的曝光过程。

对比于传统的基于空间光调制器的无掩模光刻方法，其中，尤其是相比于基于波带片阵列的光刻，本发明没有制作难度高的元件，且不依赖分辨率增强技术；相比于缩小投影光刻技术，本发明分辨率的提高仅需要更换随机散射介质5材料，或者通过适当调整目标经过4-fⅠ分系统6所成的中间像面距离随机散射介质5的距离以及两个4-f分系统的焦距组合来提高系统分辨率，成本较低且无需过分受缩小物镜12影响。

实施例6：

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法同实施例1-5，其中步骤5中所述的利用探测器11上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈信号，采用反馈控制程序对空间光调制器(SLM)Ⅱ7进行相位调制，是采用遗传算法实现随机散射介质入射光波前相位的反馈控制调节，参见图5，其具体步骤包括：

步骤5.1：首先生成N个服从均匀伪随机分布的相位掩模构成初始种群，一个相位掩模对应空间光调制器(SLM)Ⅱ7上的一种相位分布。

步骤5.2：通过计算每个相位掩模对应的适应度，并将适应度进行降序排列，适应度定义为探测器上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)。

步骤5.3：随机选出两个不同适应度对应的相位掩模，分别作为父本和母本，其中适应度高的相位掩模被选中的概率较高。

步骤5.4：生成随机的二值交叉模板T，并结合步骤5.3中选出的父本和母本做交叉运算产生新相位掩模，即

F_offspring＝F_fatherT+F_mother(1-T)，

其中F_offspring为生成的新相位掩模，F_father为父本，F_mother为母本。

步骤5.5：对步骤5.4中生成的相位掩模进行变异，为防止算法对掩模中过多元素变异，变异元素的百分比R随着种群的不断繁衍呈指数规律衰减：

R＝(R₀-R_end)exp(-n/τ)+R_end，

其中，R₀为初始变异率，R_end为最后一代的变异率，n为种群繁衍的代数，τ为衰减因子；R也称作元素的变异率，以百分比的形式表示。

步骤5.6：重复执行步骤5.3～5.5，直至产生G个新掩模，即每一代产生的新掩模数为G，其中如果G选取种群大小N的一半，可得交叉概率为0.5。

步骤5.7：由于原种群根据适应度值进行了降序排列，故选取适应度靠后的G个掩模，用步骤5.6中新产生的G个掩模对其进行替换，从而形成新的种群。

步骤5.8：重复步骤5.2～5.7，直至满足迭代停止条件，完成相位调制，迭代停止条件一般包括达到最大的迭代次数或设定的适应度值，本例中选取适应度值采用最大的迭代次数作为迭代停止条件，具体的迭代次数为1024次。需要注意的是，迭代次数越多得到的相位掩模精度越高，但同时所耗费的标定时间也越长。本发明中，具体标定时间由遗传算法及其相关参数决定，如种群数量、迭代次数等确定。

本发明通过遗传算法进行相位调制，简便易行，无需添加其他器件，通过算法控制即可实现，从系统上讲，没有增加构成和新的环节。此外，遗传算法的使用只要设置合适的参数，在空间光调制器(SLM)Ⅱ上得到更加准确的相位补偿图，从而得到高分辨率的“数字掩模”。仅需要进行一次相位调制，针对整个光刻过程，提高了工作效率。

下面结合具体实施，给出一个更详尽的例子。

实施例7：

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法同实施例1-6，图1是本发明提出的基于随机散射介质的可编程控制亚波长无掩模光刻系统构成示意图。参照图1所示，本发明的无掩模光刻系统包括光源1、扩束器2、空间光调制器Ⅰ(SLM)3、4-fⅠ分系统4、随机散射介质5、4-fⅡ分系统6、空间光调制器Ⅱ(SLM)7、透镜8、分光棱镜9、显微物镜10、探测器11、缩小物镜12、曝光台14。其中，光源1采用紫外激光，短波长光源可以更好地提高光刻系统分辨率；扩束器2用于激光器扩束；空间光调制Ⅰ(SLM)3用于生成“数字掩模”，空间光调制Ⅰ(SLM)3也可以采用数字微镜器件(DMD)代替；本发明中无论采用空间光调制Ⅰ(SLM)3还是采用数字微镜器件(DMD)均可生成“数字掩模”。采用4-fⅠ分系统4、4-fⅡ分系统6用于滤波及匹配前后光束大小；本发明的随机散射介质5采用毛玻璃等强散射材料或者采用表面打磨粗糙的高折射率材料等制成，对光进行了随机编码，随机散射介质应选用较薄的片状结构，以保证有效实施并增大光刻系统视场。当光刻图形较大时，由于视场较小，无法一次性将图形全部光刻到基板上，可以采用扫描的方式进行光刻；空间光调制Ⅱ(SLM)7用于对随机散射介质5的出射光的相位进行调制补偿，也可以采用数字微镜器件(DMD)代替通过相位调制来对散射光进行补偿；透镜8为成像透镜；分光棱镜9用于分束，经过分光棱镜9后，一路光用于相位反馈调制，利用探测器11上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈信号，采用反馈控制程序对空间光调制器Ⅱ(SLM)7进行相位调制，从而得到补偿相位图，从分光棱镜9输出的另一路光通过缩小透镜12后进行光刻。显微物镜10用于目标的放大；探测器11为紫外波段响应的探测器，为光电转换器件，将紫外光强信息转化为电信号输出，该信号与标定图形运算后作为空间光调制器Ⅱ(SLM)7的反馈信号；经过光刻的分光路通过缩小物镜12在曝光台14上实现对基板13的曝光，本发明中缩小物镜12用于分辨率的进一步提高，换句话说，本发明中缩小物镜12为非必要器件，即使不加缩小物镜12，本发明的系统分辨率也得到了明显的提高。

本发明的相位标定过程为光源1发出的光经过扩束器2扩束后照射到空间光调制Ⅰ(SLM)3上，经过4-fⅠ分系统4后入射到随机散射介质5上，经过随机散射介质5强烈散射后通过4-fⅡ分系统6进入空间光调制器Ⅱ(SLM)7，根据探测器11上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)作为反馈信号，使空间光调制Ⅱ(SLM)7形成补偿相位，其中相位补偿过程是通过遗传算法对空间光调制Ⅱ(SLM)7进行反馈控制，通过循环迭代最终可以得到随机散射介质5的补偿相位。工作过程为将目标加载到空间光调制器Ⅰ(SLM)3上，关闭反馈控制程序，重复上述过程，经过空间光调制Ⅱ(SLM)7进行相位补偿后，通过透镜8后由分光棱镜9作用进行分光，使整个系统产生需要曝光的“数字掩模”投影在曝光台14的基板13上形成目标图形，从而完成光刻曝光过程。

参照图2所示，本发明使用的基于随机散射介质5的可编程控制亚波长无掩模光刻方法的原理为：若目标信息为字母A，携带目标信息的光经过随机散射介质散射5后形成图3(a)所示的散斑图样，无法得到正确的目标信息。通过将入射波前与随机散射介质5进行匹配，即对携带目标信息的光波进行相位补偿，理论上可以使散射后的光波通过随机散射介质5后形成原目标的像，参见图3(b)。该方法无需考虑随机散射介质的结构参数。

波前相位调制成像的原理为：利用空间光调制器Ⅱ(SLM)7对入射光进行相位调制，未经相位调制前，光波经过系统后会形成随机图样，根据目标点的光强变化，运用反馈控制算法调制入射光的波前相位分布，经过数次反馈调制后，光波可以聚焦为目标图形，其原理在于，光波在随机散射光学系统中的传播可以用光学传输矩阵来描述：

$E_m^{out}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_{mn}{E}_n^{in}$

其中，表示系统出射场的第m个通道，表示为系统入射场的第n个通道，k_mn是光学传输矩阵K中的元素。出射光场中任何一点的光场均可以看成是所有入射场通道的线性叠加。如果利用空间光调制器对所有的入射光通道进行相位调制，使得中显示目标处的光波干涉加强，其余背景部分的光波干涉减弱，从而使散射光波仍然可以形成目标图形。

参见图4，采用随机散射介质提高分辨率和视场角的原理：其中图4(a)表示为传统透镜通过聚焦光波实现成像，其衍射极限角分辨率由1.22λ/NA决定，其中λ为光源波长，NA＝nsinθ_max为数值孔径，n为介质折射率，θ_max为物方半孔径角。如果将一个内部结构高度无序的浑浊介质，即随机散射介质，放置在物体和透镜之间，参见图4(b)，光波入射到随机散射介质后，由于受到介质的强烈散射作用，原本无法进入光学透镜的边缘光线也能进入光学系统参与成像，因此使光学系统的物方半孔径角从原先的θ_max增大为θ_T，从而极大地提升原光学系统的数值孔径，进而大大提高系统的分辨率。随后通过波前相位调制技术对散射介质产生的相位畸变进行补偿，可以将随机散射介质转化为一个透镜。因此，通过在系统中加入随机散射介质，即可打破传统透镜的衍射极限，极大地提高空间分辨率。随机散射介质的加入也会提高系统视场角。在传统的成像方法中，视场角的大小由L/M决定，其中L为探测器的尺寸，M为成像系统放大率。参见图4(c)中蓝色虚线，传统成像方法中，不在视场范围内的目标光波无法到达探测器参与成像。系统中加入随机散射介质后，光波的传播方向由于多次散射而发生改变，在通过波前相位调制进行相位补偿后，可以在探测器上对视场外的目标成像。

实施例8：

基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法同实施例1-7，本发明使用的基于随机散射介质的可编程控制无掩模光刻方法的反馈控制程序采用遗传算法，参照图6所示，遗传算法计算及反馈控制过程在实现方法的步骤5中，详细描述如下：

步骤5.1：遗传算法是从问题可能潜在解集的一个种群开始，故首先生成N个服从均匀伪随机分布的相位掩模构成的初始种群，本例中使用了300个种群；

步骤5.2：计算初始种群中的每个相位掩模对应的适应度，并将适应度进行降序排列，适应度定义为探测器上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性(SSIM)，本例中采用相关系数，其表达式为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\Σ}_{i=1}^m{\Σ}_{j=1}^n(x_{ij}-{\mathrm{\μ}}_X)(y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_Y)}{{\[{\Σ}_{i=1}^m{\Σ}_{j=1}^n{(x_{ij}-{\mathrm{\μ}}_X)}^2\]}^{\frac{1}{2}}{\[{\Σ}_{i=1}^m{\Σ}_{j=1}^n{(y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_Y)}^2\]}^{\frac{1}{2}}}$

其中，X＝{x_ij|i＝1,...m,j＝1,...n}表示探测器11采集到的散斑图，x_ij表示散斑图中第i行，第j列的元素，散斑图共m行n列。Y＝{y_ij|i＝1,...m,j＝1,...n}表示生成的目标图形，y_ij表示目标图中第i行，第j列的元素，目标图共m行n列。和分别是X和Y的平均值。随后判断是否满足迭代条件，满足迭代条件即可以得到最优相位掩模，若不满足迭代条件，则执行步骤5.3，本例中采用适应度值作为迭代停止条件，本例中设置适应度值为0.75，即相关系数为0.75，当适应度值大于0.75时，此时相位掩模即为最优相位掩模，完成步骤5，当适应度值小于0.75时，执行步骤5.3。

步骤5.3：随机选出两个不同适应度对应的相位掩模，分别作为父本和母本，其中适应度高的相位掩模被选中的概率较高。

步骤5.4：生成随机的二值交叉模板T，将交叉模板作用于父本和母本，即

F_offspring＝F_fatherT+F_mother(1-T)，

其中F_offspring为生成的新相位掩模，F_father为父本，F_mother为母本，从而得到新的相位掩模为下一次循环迭代做准备。

步骤5.5：对步骤5.4中生成的相位掩模进行变异，为防止算法对掩模中过多元素变异，变异元素的百分比R随着种群的不断繁衍呈指数规律衰减：

R＝(R₀-R_end)exp(-n/τ)+R_end，

其中，R₀为初始变异率，R_end为最后一代的变异率，n为种群繁衍的代数，τ为衰减因子，每次迭代过程都需要重新计算变异率，以得到更好的变异结果。

步骤5.6：变异完成后，重复执行步骤5.3～5.5，直至产生G个新掩模，即每一代产生的新掩模数为G，其中如果G选取为种群大小N的一半，可得交叉概率为0.5。

步骤5.7：将原种群中适应度靠后的G个掩模替换为新产生的G个掩模，从而形成新的种群。

步骤5.8：重复步骤5.2～5.7，直至满足迭代停止条件，完成相位调制。

通过遗传算法进行相位调制，简便易行，无需添加其他器件，遗传算法只要设置合适的种群数量、迭代停止条件等参数，在空间光调制器(SLM)Ⅱ上得到更加准确的相位补偿图，实现了对随机散射介质5的相位补偿，从而得到高分辨率的“数字掩模”。本发明仅需进行一次相位调制，相对于整个光刻过程，提高了工作效率。

简而言之，本发明提出的一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法，涉及光刻技术领域，尤其是可编程控制无掩模纳米光刻。本发明利用空间光调制器(SLM)Ⅰ生成目标图形，光波经空间光调制器(SLM)Ⅰ后入射到散射介质表面，随机散射介质对光进行随机编码，随后利用空间光调制器(SLM)Ⅱ对散射介质产生的相位畸变进行补偿，最终实现透过散射介质的亚波长成像，从而形成任意可控亚波长“数字掩模”，进行投影曝光。本发明提出的光刻方法避免了掩模版的制作，极大地降低了光刻成本，利用随机散射介质的随机编码与空间光调制器的相位补偿进行结合，提高了光刻分辨率，其中相位标定过程仅需一次，提高了光刻时间效率，从而实现了可控亚波长图形的无掩模光刻。

以上实例中的描述并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容及原理后，都可能在不背离本发明原理、系统结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统，光波经过扩束器后照射在空间光调制器Ⅰ上，聚焦后的图形经过缩小物镜后对曝光台上的基板进行曝光，完成光刻曝光过程，其特征在于：在所述缩小物镜与空间光调制器Ⅰ之间加设有随机散射介质组件和反馈控制分系统；所述随机散射介质组件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系统、随机散射介质、4-fⅡ分系统；所述反馈控制分系统串接在4-fⅡ分系统后，其沿光路方向依次设有空间光调制器Ⅱ、透镜、分光棱镜、显微物镜、探测器，其中分光棱镜将光路分为两路，其中一路光入射到显微物镜上，随后进入探测器，将探测器上接收到的散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性作为反馈信号，采用反馈控制算法调制空间光调制器Ⅱ上的相位掩模，通过迭代完成反馈控制过程，缩小物镜接收另一路光，在曝光台上对基板进行曝光，进而完成光刻曝光过程，其中分光棱镜、显微物镜和探测器组成反馈控制支路，分光棱镜又与缩小物镜和曝光台组成光刻曝光支路。

2.根据权利要求1所述的基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统，其特征在于：4-fⅠ分系统或采用两个透镜，其中前面为大焦距透镜，后面为小焦距系统，或采用缩小物镜和透镜进行组合实现光束缩束；4-fⅡ分系统或采用两个透镜，其中前面为小焦距透镜，后面为大焦距系统，或采用显微物镜和透镜进行组合实现光束扩束。

3.根据权利要求1所述的基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统，其特征在于：随机散射介质或者采用强散射材料，或者采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料；其厚度根据整个系统的视场角为FOV≈λd/πL，系统轴向变化范围为Δz_FOV≈2·FOV·d/D确定，其中λ为光源波长，d为目标和随机散射介质之间的距离，L为随机散射介质厚度，随机散射介质应采用薄介质。

4.根据权利要求1所述的基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统，其特征在于：系统横向分辨率为δx＝λd/πD，轴向分辨率为δz＝(2λ/π)(d/D)²，其中D为携带目标信息的光照射到随机散射介质表面区域的直径，由公式可得，光源采用短波长光源，需要空间光调制器Ⅰ经4-fⅠ分系统后形成的中间像面距随机散射介质较近，同时选择4-fⅡ分系统透镜的焦距组合，使4-fⅡ分系统在随机散射表面形成的区域直径较小。

5.一种基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻方法，在权利要求1至4中任一基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统上运行，其特征在于：

步骤1：确定系统参数，根据系统分辨率确定光源波长、器件之间的间距以及器件参数；

步骤2：打开反馈控制支路，切断光刻曝光支路；

步骤3：在空间光调制器Ⅰ上加载标定图形；

步骤4：光源打开后，光波经扩束器扩束后照射在空间光调制器Ⅰ上加载的标定图形上，随后光通过随机散射介质进行随机编码，编码后携带编码信息的光入射到空间光调制器Ⅱ；

步骤5：携带信息的光由探测器经显微物镜放大后进行接收，利用探测器上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性作为反馈信号，采用反馈控制程序对空间光调制器Ⅱ进行相位调制，通过循环迭代过程即可完成标定过程，然后另空间光调制器Ⅱ的相位图保持不变；

步骤6：完成相位标定后，断开反馈控制支路，随后打开光刻曝光支路；

步骤7：在空间光调制器Ⅰ上加载待加工“数字掩模”；

步骤8：携带“数字掩模”信息的光通过空间光调制器Ⅱ对散射介质产生相位的畸变进行补偿，得到所需的“数字掩模”，经缩小物镜后即可在曝光台的基板上实现“数字掩模”曝光过程，完成可控亚波长无掩模光刻；

步骤9：无需再次进行相位标定，直接重复步骤7、步骤8即可完成不同“数字掩模”的曝光过程。

6.根据权利要求5所述的基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻方法，其特征在于：步骤5中所述的将探测器上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性作为反馈信号，采用反馈控制程序对空间光调制器Ⅱ进行相位调制，是采用遗传算法实现随机散射介质入射光波前相位的反馈控制调节，其具体步骤包括：

步骤5.1：首先生成N个服从均匀伪随机分布的相位掩模构成初始种群，一个相位掩模对应空间光调制器Ⅱ上的一种相位分布；

步骤5.2：计算每个相位掩模对应的适应度，并将适应度进行降序排列，适应度定义为探测器上散斑图像与标定图像之间的相关系数或结构相似性；

步骤5.3：随机选出两个不同适应度对应的相位掩模，分别作为父本和母本，其中适应度高的相位掩模被选中的概率较高；

步骤5.4：生成随机的二值交叉模板T，并结合步骤5.3中选出的父本和母本做交叉运算产生新相位掩模，即

F_offspring＝F_fatherT+F_mother(1-T)，

其中F_offspring为生成的新相位掩模，F_father为父本，F_mother为母本；

步骤5.5：对相位掩模进行变异，变异元素的百分比R随着种群的不断繁衍呈指数规律衰减：

R＝(R₀-R_end)exp(-n/τ)+R_end，

其中，R₀为初始变异率，R_end为最后一代的变异率，n为种群繁衍的代数，τ为衰减因子；

步骤5.6：重复执行步骤5.3～5.5，直至产生G个新掩模，即每一代产生的新掩模数为G，其中如果G选取种群大小N的一半，可得交叉概率为0.5；

步骤5.7：将原种群中适应度靠后的G个掩模替换为新产生的G个掩模，从而形成新的种群；

步骤5.8：重复步骤5.2～5.7，直至满足迭代停止条件，完成相位调制，迭代停止条件一般包括达到最大的迭代次数或设定的适应度值。