[发明专利]一种利用相位衍射元件实现干法全息光刻方法及系统

说明书

本发明涉及一种利用相位衍射元件实现干法全息光刻的方法及系统，基于输出面全息图像的成本函数优化相位衍射元件的相位掩膜，可用于相位衍射元件加工；搭建光刻实验光路系统，实现全息光刻。本发明无需成像透镜,仅通过优化衍射元件的相位，利用其衍射光场在特定距离处的光场分布，即可生成小尺寸的全息图像，并将其用于干法全息光刻，降低光刻工艺的成本，开辟一条全新的光刻系统。

技术领域

本发明涉及一种利用相位衍射元件实现干法全息光刻的方法及系统，属于计算全息成像和全息光刻技术领域。

背景技术

光刻作为一种常见的微纳图形加工技术，是半导体行业和集成电路印刷中的重要工艺。光刻技术主要可以分为三类：电子束曝光技术，接近接触式光刻技术和光学投影曝光技术。电子束曝光技术是在计算机的控制下，按照不同的掩膜图形要求，利用聚焦后的电子束扫描抗刻蚀剂区域。因此，抗刻蚀剂的不同区域的溶解度会发生变化，显影后就会产生设计的掩膜图形。接近接触式光刻技术是将涂有光刻胶的基片与掩膜版直接接触或留有很小的间隙，然后利用紫外光照射掩膜版进行曝光，可将掩膜图形直接转移到光刻胶上。光学投影曝光技术是利用光学投影成像原理，通过使用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上进行曝光。但是，以上这些光刻技术的光路复杂、成本较高、体积较大，而且需要使用物镜。例如：在电子束曝光技术中，为获得更小的光斑尺寸，需要使用多套磁透镜组聚焦电子束。在光学投影曝光技术中，为了将掩膜图形等比例缩小进行曝光，也需要使用物镜投影。因此，低成本、高度集成化、不需要使用物镜的新型光刻技术将促进光刻和半导体领域的发展。

光刻系统不使用物镜，意味着需要另外的光学元件(如光学衍射元件)生成小尺寸曝光图形。光学衍射元件是采用加工刻蚀工艺构成的衍射单元，每个衍射单元具有特定的形貌尺寸，可调控入射光波前分布。入射光经过每个衍射单元后发生衍射，形成特定的光强分布，可用来生成小尺寸全息图像。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术不足，提供一种利用相位衍射元件实现干法全息光刻的方法及系统，无需成像透镜，仅通过优化衍射元件的相位，利用其衍射光场在特定距离处的光场分布，即可生成小尺寸的全息图像，并将其用于干法全息光刻，降低光刻工艺的成本，开辟一条全新的光刻系统。

本发明技术解决方案：

第一方面，本发明提供一种相位衍射元件的优化方法，实现如下：

随机改变相位衍射元件输入面任一像素(x_n,y_n)的相位，即相位由0变为π或由π变为0，若相位衍射元件输出面全息图像的成本函数CF的数值减小，则更新像素(x_n,y_n)的相位，否则不更新像素(x_n,y_n)的相位；利用同样的成本函数CF优化相位衍射元件其他所有位置的相位，即得到优化后相位衍射元件的相位，从而完成相位衍射元件的优化。当输出面全息图像改变时，可使用同样的相位衍射元件优化方法，相位衍射元件的相位也会发生相应改变；

所述相位衍射元件输出面全息图像的成本函数CF定义为CF＝RMSE+k·SD，式中RMSE为方均根误差；SD为标准差；k为标准差SD的权重，在0-3之间变动。当输出面全息图像整体尺寸小于输入面整体尺寸时，k的值相应较小，可在0-1之间变动；式中，I_n为整个输出面全息图像上第n个像元处的强度，共有N个像素；为全息图像振幅为1区域的平均强度，I_m为全息图像区域第m个像元处的强度，共有M个像素；I_ideal为理想全息图像的强度。

第二方面，本发明提供一种利用相位衍射元件实现干法全息光刻方法，利用所述的相位衍射元件优化方法得到相位掩膜，用于相位衍射元件加工，经过全息光刻及显影即实现相位衍射元件的干法全息光刻。