[发明专利]基于随机散射介质的可控亚波长无掩模光刻系统和方法

权利要求书

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，迭代停止条件包括达到最大的迭代次数或设定的适应度值。