本發(fā)明涉及光刻技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于光學(xué)的可編程控制無掩模光刻，具體是一種基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻系統(tǒng)和方法，應(yīng)用于各個光刻領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光刻技術(shù)是指集成電路制造中利用光化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將圖形傳遞到涂有光敏感介質(zhì)的基板上，從而形成目標(biāo)圖形的工藝技術(shù)。這樣的基板包括電路板、平面顯示器、各種芯片等。用于光刻的基板通常為表面涂有光敏介質(zhì)的半導(dǎo)體晶片或玻璃基板。

在光刻過程中，通過光刻設(shè)備中的曝光裝置對半導(dǎo)體晶片或者玻璃基板表面進行曝光，從而引起其表面光敏介質(zhì)的特征變化。然而，隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的發(fā)展，制造集成度不斷提高，特征尺寸越來越?。煌瑫r，傳統(tǒng)光刻已經(jīng)逼近了物理上的極限，這使得傳統(tǒng)光學(xué)光刻掩模版的制作同時面臨價格與技術(shù)的挑戰(zhàn)。這極大地限制了傳統(tǒng)光刻技術(shù)的應(yīng)用范圍。

無掩模光刻技術(shù)是降低光掩模限制的一個解決方案之一。無掩模光刻技術(shù)可分為兩類：一類是基于光學(xué)的無掩模光刻技術(shù)，另一類是基于非光學(xué)的無掩模技術(shù)。基于光學(xué)的無掩模光刻技術(shù)發(fā)展較快，分為干涉光刻、激光直寫和基于空間光調(diào)制器(SLM)的光刻技術(shù)。基于干涉的光刻技術(shù)可以產(chǎn)生超亞微米級的結(jié)構(gòu)，同時對光源及環(huán)境要求很高，干涉條紋的相對光強和相對位相難以控制，制作任意面型的微細結(jié)構(gòu)也相當(dāng)困難，這些缺點極大地限制了該光刻技術(shù)的應(yīng)用范圍。激光直寫光刻技術(shù)步驟比較多，材料選擇和參數(shù)控制對精度影響很大，其可控性以及穩(wěn)定性仍然存在很大挑戰(zhàn)。

基于空間光調(diào)制器的無掩模光學(xué)光刻技術(shù)利用計算機優(yōu)化產(chǎn)生“虛擬”的數(shù)字圖形并投影到基板上。此外，空間光調(diào)制器可以實現(xiàn)數(shù)字化編程控制，可以通過分析光學(xué)系統(tǒng)反饋的信息對目標(biāo)圖形進行優(yōu)化控制。在基于空間光調(diào)制器的無掩模光學(xué)光刻技術(shù)中，各種光刻方式仍然存在各種缺陷限制其應(yīng)用范圍，例如：基于波帶片陣列的光刻雖然實現(xiàn)了亞波長光刻，但是其波長短、數(shù)值孔徑大的波帶片制作難度較高，成本也隨之提高，同時依賴于分辨率增強技術(shù)來突破衍射極限；縮小投影光刻技術(shù)可以生成幾微米分辨率的圖像，而進一步提高分辨率受縮小物鏡系統(tǒng)、曝光深度、柵格效應(yīng)的影響，隨著波長減小，成本急劇增加。因此，研究一種基于空間光調(diào)制器的低成本、高效以及高分辨率無掩模光刻技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值和前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)和方法，以實現(xiàn)低成本、高效率、高分辨率的可編程控制亞波長圖形光刻技術(shù)，推進科技進步以及工藝發(fā)展。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)，光源發(fā)出的光經(jīng)過擴束器后照射在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ上，聚焦后的圖形經(jīng)過縮小物鏡后對曝光臺上的基板進行曝光，完成光刻曝光過程，其特征在于：在所述縮小物鏡與空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ之間加設(shè)有隨機散射介質(zhì)組件和反饋控制分系統(tǒng)；所述隨機散射介質(zhì)組件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系統(tǒng)、隨機散射介質(zhì)、4-fⅡ分系統(tǒng)；所述反饋控制分系統(tǒng)串接在4-fⅡ分系統(tǒng)后，其沿光路方向依次設(shè)有空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ、透鏡、分光棱鏡、顯微物鏡、探測器，其中分光棱鏡將光路分為兩路，其中一路光入射到顯微物鏡上，隨后進入探測器，將探測器上接收到的散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋信號，采用反饋控制算法調(diào)制空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ上的相位掩模，通過迭代完成反饋控制過程，縮小物鏡接收另一路光，在曝光臺上對基板進行曝光，進而完成光刻曝光過程，其中分光棱鏡、顯微物鏡和探測器組成反饋控制支路，分光棱鏡又與縮小物鏡和曝光臺組成光刻曝光支路。

本發(fā)明還是一種基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻方法，在權(quán)利要求1至4中任一基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)上運行，其特征在于：

步驟1：確定系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)分辨率需要選擇光源波長、器件之間的間距以及器件參數(shù)；

步驟2：打開反饋控制支路，隨后切斷光刻曝光支路；

步驟3：在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ上加載標(biāo)定圖形；

步驟4：光源1打開后，光波經(jīng)擴束器擴束后照射在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ上加載的標(biāo)定圖形上，隨后光通過隨機散射介質(zhì)進行隨機編碼，編碼后攜帶編碼信息的光入射到空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ；

步驟5：攜帶信息的光由探測器經(jīng)顯微物鏡放大后進行接收，通過反饋控制程序利用探測器上接收到的散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋信號，采用反饋控制程序?qū)臻g光調(diào)制器(SLM)Ⅱ進行相位調(diào)制，通過循環(huán)迭代過程即可完成標(biāo)定過程，然后空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ的相位圖保持不變；

步驟6：完成相位標(biāo)定后，斷開反饋控制支路，打開光刻曝光支路；

步驟7：在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ上加載待加工“數(shù)字掩?！?；

步驟8：攜帶“數(shù)字掩?！毙畔⒌墓馔ㄟ^空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ?qū)ι⑸浣橘|(zhì)產(chǎn)生相位的畸變進行補償，得到所需的“數(shù)字掩?！保?jīng)縮小物鏡后即可在曝光臺的基板上實現(xiàn)“數(shù)字掩?！逼毓膺^程，完成可控亞波長無掩模光刻；

步驟9：此后更換“數(shù)字掩?！焙?，無需再次進行相位標(biāo)定，直接重復(fù)步驟7、步驟8即可完成不同“數(shù)字掩?！钡钠毓膺^程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢為：

1.本發(fā)明提出的光刻系統(tǒng)增加了高折射率隨機散射介質(zhì)以及相位補償過程，通過采用短波長光源，并設(shè)定合適的光學(xué)器件間距后，可突破衍射極限分辨率，實現(xiàn)亞波長光刻，同時可以對“數(shù)字掩?！边M行一次成型，無需進行二次加工。

2.本發(fā)明提出的光刻系統(tǒng)避免了掩模版的制作，極大地降低了光刻成本。

3.本發(fā)明提出的光刻系統(tǒng)和方法，通過反饋控制過程對空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ的相位進行標(biāo)定，從而對隨機散射介質(zhì)的相位畸變進行補償，該過程僅需要一次預(yù)先標(biāo)定過程，標(biāo)定完成后可以快速更換目標(biāo)圖形并實施曝光，極大地提高了光刻的時間效率。

4.本發(fā)明提出的光刻系統(tǒng)可以通過采用薄介質(zhì)來提高光刻系統(tǒng)視場角。

附圖說明

圖1是本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；

圖2是本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻方法原理圖；

圖3是本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻方法原理結(jié)果圖，其中(a)是圖2調(diào)制前探測器接收到的散斑圖，(b)是圖2調(diào)制后在探測器上所形成的聚焦圖形；

圖4是本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻方法中隨機散射介質(zhì)作用示意圖；

圖5是本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻方法的流程框圖；

圖6是本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻方法中反饋控制程序遺傳算法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作詳細說明。

實施例1：

一種基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)，光源1發(fā)出的光經(jīng)過擴束器2后照射在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3上，聚焦后的圖形經(jīng)過縮小物鏡12后對曝光臺14上的基板13進行曝光，完成光刻曝光過程，參見圖1，本發(fā)明在縮小物鏡12與空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3之間加設(shè)有隨機散射介質(zhì)組件和反饋控制分系統(tǒng)；本發(fā)明的隨機散射介質(zhì)組件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系統(tǒng)4、隨機散射介質(zhì)5、4-fⅡ分系統(tǒng)6；本發(fā)明的反饋控制分系統(tǒng)串接在4-fⅡ6分系統(tǒng)后，反饋控制分系統(tǒng)沿光路方向依次設(shè)有空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7、透鏡8、分光棱鏡9、顯微物鏡10、探測器11，其中分光棱鏡9將光路分為兩路，其中一路光入射顯微物鏡10后進入探測器11，將探測器11上接收到的散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋信號，采用反饋控制算法調(diào)制空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7上的相位掩模，通過迭代完成反饋控制過程，縮小物鏡12接收另一路光，在曝光臺14上對基板13進行曝光，進而完成光刻曝光過程，其中分光棱鏡9、顯微物鏡10和探測器11組成反饋控制支路，分光棱鏡9又與縮小物鏡12和曝光臺14組成光刻曝光支路。

本發(fā)明提出的光刻方法在縮小物鏡12與空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3之間加設(shè)有隨機散射介質(zhì)組件和反饋控制分系統(tǒng)，隨機散射介質(zhì)組件中隨機散射介質(zhì)5通過采用高折射率材料，并使用反饋控制分系統(tǒng)進行相位補償實現(xiàn)成像，從而提高光刻分辨率。隨機散射介質(zhì)組件沿光路方向先后串接有4-fⅠ分系統(tǒng)4、隨機散射介質(zhì)5、4-fⅡ分系統(tǒng)6，通過合理設(shè)置光學(xué)器件之間距離可以實現(xiàn)分辨率的進一步提高。反饋控制系統(tǒng)中的分光棱鏡9的使用可以確保預(yù)先標(biāo)定過程和光刻曝光過程在同一套系統(tǒng)中進行，進而方便確保光學(xué)元件距離及參數(shù)保持不變。分光棱鏡9又與縮小物鏡12和曝光臺14組成光刻曝光支路，其中縮小物鏡12為非必要器件，其可以進一步提高系統(tǒng)分辨率。

實施例2：

基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例1，本發(fā)明的4-fⅠ分系統(tǒng)4可以采用兩個透鏡，其中前面為大焦距透鏡，后面為小焦距系統(tǒng)，也可以采用縮小物鏡和透鏡進行組合，無論哪種方案均可實現(xiàn)光束縮束。4-fⅡ分系統(tǒng)6可以采用兩個透鏡，其中前面為小焦距透鏡，后面為大焦距系統(tǒng)，也可以采用顯微物鏡和透鏡進行組合，無論哪種方案均可實現(xiàn)光束擴束。其中全部透鏡焦距根據(jù)兩個空間光調(diào)制器尺寸和所需分辨率大小進行選擇。

實施例3：

基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例1-2，隨機散射介質(zhì)5或者采用強散射材料，或者采用表面打磨成粗糙面的高折射率材料；根據(jù)該系統(tǒng)成像原理，整個光刻系統(tǒng)的視場角為FOV≈λd/πL，系統(tǒng)軸向變化范圍為Δz_FOV≈2·FOV·d/D，目標(biāo)進行軸向變化的范圍，在該范圍內(nèi)的變動不會對后續(xù)成像過程產(chǎn)生影響。其中λ為光源波長，d為目標(biāo)和隨機散射介質(zhì)之間的距離，L為隨機散射介質(zhì)厚度，由此應(yīng)采用薄介質(zhì)。本例中采用的隨機散射介質(zhì)采用220顆粒度的毛玻璃(GROUND GLASS 100MM DIA TS，62620EDMUND)。本發(fā)明在光刻系統(tǒng)中加入隨機散射介質(zhì)的，可以提高光刻系統(tǒng)視場角，從視場角公式可以看出，隨機散射介質(zhì)厚度越薄，視場角越大，根據(jù)系統(tǒng)軸向變化范圍為Δz_FOV≈2·FOV·d/D公式，視場角的增大可以進一步增大系統(tǒng)軸向變化范圍。

實施例4：

基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例1-3，采用本發(fā)明進行光刻曝光加工，系統(tǒng)橫向分辨率為δx＝λd/πD，軸向分辨率為δz＝(2λ/π)(d/D)²，其中D為攜帶目標(biāo)信息的光照射到隨機散射介質(zhì)5表面區(qū)域的直徑，由公式可得，λ越短，d越小，D越大，系統(tǒng)橫向分辨率與軸向分辨率越高。故光源1采用短波長光源，如紫外光，需要空間光調(diào)制(SLM)Ⅰ3經(jīng)4-fⅠ分系統(tǒng)4后形成的像面距隨機散射介質(zhì)5較近，控制在毫米級別，同時4-fⅡ分系統(tǒng)6的參數(shù)使其放大倍率較小。換句話說，需要空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3經(jīng)4-fⅠ分系統(tǒng)4后形成的中間像面距隨機散射介質(zhì)5較近，同時選擇4-fⅡ分系統(tǒng)6的焦距，使4-fⅡ分系統(tǒng)6在隨機散射介質(zhì)5表面形成的區(qū)域直徑小。本例中，光源1波長為325nm，目標(biāo)經(jīng)過4-fⅠ分系統(tǒng)4后形成的中間像面距離隨機散射介質(zhì)5的距離d為2mm，通過選擇4-fⅡ分系統(tǒng)6中透鏡的焦距，得到隨機散射介質(zhì)5表面區(qū)域的直徑D為10mm，通過計算，理論上系統(tǒng)橫向分辨率約為20.7nm。

實施例5：

本發(fā)明還是一種基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻方法，在上述的任一基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)上運行，基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)的總體構(gòu)成同實施例1-4，參見圖5掩模光刻方法包括有：

步驟1：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，參見圖1，按照鏈接順序，光源1后依次為：擴束器2、空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3、隨機散射介質(zhì)組件，確定系統(tǒng)參數(shù)，具體涉及系統(tǒng)橫向分辨率為δx＝λd/πD，軸向分辨率為δz＝(2λ/π)(d/D)²中參數(shù)設(shè)定。根據(jù)系統(tǒng)分辨率選擇光源1波長，設(shè)定空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3由4-fⅠ分系統(tǒng)4作用后像面距離隨機散射介質(zhì)5的距離d，以及設(shè)定攜帶目標(biāo)信息的光照射到隨機散射介質(zhì)表面5區(qū)域直徑D的大小。隨后根據(jù)空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3的尺寸和D確定4-fⅠ分系統(tǒng)4的透鏡參數(shù)。根據(jù)參數(shù)D以及空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7的尺寸設(shè)置4-fⅡ分系統(tǒng)6的透鏡參數(shù)。透鏡的參數(shù)主要為焦距大小，及兩個焦距比值，當(dāng)參數(shù)D和空間光調(diào)制器尺寸確定后，直接可得焦距比值。

步驟2：打開預(yù)先標(biāo)定支路，即分光棱鏡9、顯微物鏡10、探測器11組成的支路，關(guān)閉光刻曝光支路，即分光棱鏡9、縮小物鏡12、曝光臺14組成的支路。

步驟3：設(shè)定標(biāo)定圖形，例如一個笑臉，本例中為保證較高的相位標(biāo)定精度，選取復(fù)雜圖形進行標(biāo)定，在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3上加載該標(biāo)定圖形，其中，標(biāo)定圖形沒有具體要求，但經(jīng)驗表明：加載復(fù)雜圖形比簡單圖形更有利于進行相位標(biāo)定。

步驟4：打開光源1后，光波入射空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3，攜帶標(biāo)定圖形的光首先通過散射介質(zhì)5進行隨機編碼，即將原輸入光的相位信息打亂，相當(dāng)于一次隨機編碼，編碼后攜帶編碼信息的光入射到空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7。在此，隨機散射介質(zhì)5的隨機編碼與空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7的相位補償相結(jié)合，該方法通過合理設(shè)置步驟1中參數(shù)，可以有效提高系統(tǒng)的分辨率。

步驟5：光通過空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7后，攜帶標(biāo)定圖形信息的光經(jīng)由4-fⅡ分系統(tǒng)6后由探測器11經(jīng)顯微物鏡10放大后進行接收，利用探測器11上散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋控制信號，采用反饋控制程序?qū)臻g光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7進行相位調(diào)制，本發(fā)明經(jīng)過多次循環(huán)迭代過程完成相位標(biāo)定，得到空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7對隨機散射介質(zhì)5的補償相位。

本發(fā)明反饋控制程序采用遺傳算法，其基本思想是：首先生成N個服從均勻偽隨機分布的相位掩模構(gòu)成的初始種群，通過計算每個相位掩模對應(yīng)的適應(yīng)度，按照適應(yīng)度的高低進行降序排列，其中適應(yīng)度為散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)，隨機選出兩個不同的相位掩模作為父本和母本進行交叉運算，生成新的相位掩模。隨后，對生成的新掩模進行變異、選擇等運算，經(jīng)過多代進化即可求得最優(yōu)的調(diào)制相位。

反饋調(diào)制過程僅需要進行一次，這是由于通過一次反饋調(diào)制，空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7上即可形成隨機散射介質(zhì)5的相位補償圖，隨后無論空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3上更換多少個“數(shù)字掩?！保灰臻g光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7上的相位圖以及隨機散射介質(zhì)5的性質(zhì)保持不變，空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7即可對隨機散射介質(zhì)5產(chǎn)生的相位畸變進行補償，故反饋調(diào)制過程僅需進行一次，隨后即可進行高效光刻。

步驟6：關(guān)閉光源1，保證空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7的相位圖保持不變，同時保證系統(tǒng)器件參數(shù)、間距不變，以確?？臻g光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7對隨機散射介質(zhì)的精確相位補償。完成相位標(biāo)定后，斷開反饋控制支路，隨后打開光刻曝光支路。

步驟7：將分光棱鏡9產(chǎn)生的光支路切換到光刻曝光支路，在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ3上加載待加工的“數(shù)字掩?！?，“數(shù)字掩模”可以為電路板、平面顯示器、各種芯片等各種需光刻加工的圖形。

步驟8：打開光源1，攜帶“數(shù)字掩模”信息的光通過空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7，由于遺傳算法的循環(huán)迭代在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7得到隨機散射介質(zhì)5的補償相位，對隨機散射介質(zhì)5產(chǎn)生相位的畸變進行補償，攜帶目標(biāo)信息的光先后通過隨機散射介質(zhì)5和空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7后可以得到高分辨“數(shù)字掩?！保?jīng)縮小物鏡12縮小后進一步提高分辨率，隨后在曝光臺14的基板13上實現(xiàn)“數(shù)字掩模”曝光過程，完成可控亞波長無掩模光刻。

步驟9：此后更換不同的待加工“數(shù)字掩?！?，無需再次進行相位標(biāo)定，直接重復(fù)步驟7、步驟8即可完成不同“數(shù)字掩模”的曝光過程。

對比于傳統(tǒng)的基于空間光調(diào)制器的無掩模光刻方法，其中，尤其是相比于基于波帶片陣列的光刻，本發(fā)明沒有制作難度高的元件，且不依賴分辨率增強技術(shù)；相比于縮小投影光刻技術(shù)，本發(fā)明分辨率的提高僅需要更換隨機散射介質(zhì)5材料，或者通過適當(dāng)調(diào)整目標(biāo)經(jīng)過4-fⅠ分系統(tǒng)6所成的中間像面距離隨機散射介質(zhì)5的距離以及兩個4-f分系統(tǒng)的焦距組合來提高系統(tǒng)分辨率，成本較低且無需過分受縮小物鏡12影響。

實施例6：

基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)和方法同實施例1-5，其中步驟5中所述的利用探測器11上散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋信號，采用反饋控制程序?qū)臻g光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7進行相位調(diào)制，是采用遺傳算法實現(xiàn)隨機散射介質(zhì)入射光波前相位的反饋控制調(diào)節(jié)，參見圖5，其具體步驟包括：

步驟5.1：首先生成N個服從均勻偽隨機分布的相位掩模構(gòu)成初始種群，一個相位掩模對應(yīng)空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ7上的一種相位分布。

步驟5.2：通過計算每個相位掩模對應(yīng)的適應(yīng)度，并將適應(yīng)度進行降序排列，適應(yīng)度定義為探測器上散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)。

步驟5.3：隨機選出兩個不同適應(yīng)度對應(yīng)的相位掩模，分別作為父本和母本，其中適應(yīng)度高的相位掩模被選中的概率較高。

步驟5.4：生成隨機的二值交叉模板T，并結(jié)合步驟5.3中選出的父本和母本做交叉運算產(chǎn)生新相位掩模，即

F_offspring＝F_fatherT+F_mother(1-T)，

其中F_offspring為生成的新相位掩模，F(xiàn)_father為父本，F(xiàn)_mother為母本。

步驟5.5：對步驟5.4中生成的相位掩模進行變異，為防止算法對掩模中過多元素變異，變異元素的百分比R隨著種群的不斷繁衍呈指數(shù)規(guī)律衰減：

R＝(R₀-R_end)exp(-n/τ)+R_end，

其中，R₀為初始變異率，R_end為最后一代的變異率，n為種群繁衍的代數(shù)，τ為衰減因子；R也稱作元素的變異率，以百分比的形式表示。

步驟5.6：重復(fù)執(zhí)行步驟5.3～5.5，直至產(chǎn)生G個新掩模，即每一代產(chǎn)生的新掩模數(shù)為G，其中如果G選取種群大小N的一半，可得交叉概率為0.5。

步驟5.7：由于原種群根據(jù)適應(yīng)度值進行了降序排列，故選取適應(yīng)度靠后的G個掩模，用步驟5.6中新產(chǎn)生的G個掩模對其進行替換，從而形成新的種群。

步驟5.8：重復(fù)步驟5.2～5.7，直至滿足迭代停止條件，完成相位調(diào)制，迭代停止條件一般包括達到最大的迭代次數(shù)或設(shè)定的適應(yīng)度值，本例中選取適應(yīng)度值采用最大的迭代次數(shù)作為迭代停止條件，具體的迭代次數(shù)為1024次。需要注意的是，迭代次數(shù)越多得到的相位掩模精度越高，但同時所耗費的標(biāo)定時間也越長。本發(fā)明中，具體標(biāo)定時間由遺傳算法及其相關(guān)參數(shù)決定，如種群數(shù)量、迭代次數(shù)等確定。

本發(fā)明通過遺傳算法進行相位調(diào)制，簡便易行，無需添加其他器件，通過算法控制即可實現(xiàn)，從系統(tǒng)上講，沒有增加構(gòu)成和新的環(huán)節(jié)。此外，遺傳算法的使用只要設(shè)置合適的參數(shù)，在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ上得到更加準(zhǔn)確的相位補償圖，從而得到高分辨率的“數(shù)字掩?！薄H需要進行一次相位調(diào)制，針對整個光刻過程，提高了工作效率。

下面結(jié)合具體實施，給出一個更詳盡的例子。

實施例7：

基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)和方法同實施例1-6，圖1是本發(fā)明提出的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制亞波長無掩模光刻系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。參照圖1所示，本發(fā)明的無掩模光刻系統(tǒng)包括光源1、擴束器2、空間光調(diào)制器Ⅰ(SLM)3、4-fⅠ分系統(tǒng)4、隨機散射介質(zhì)5、4-fⅡ分系統(tǒng)6、空間光調(diào)制器Ⅱ(SLM)7、透鏡8、分光棱鏡9、顯微物鏡10、探測器11、縮小物鏡12、曝光臺14。其中，光源1采用紫外激光，短波長光源可以更好地提高光刻系統(tǒng)分辨率；擴束器2用于激光器擴束；空間光調(diào)制Ⅰ(SLM)3用于生成“數(shù)字掩?！?，空間光調(diào)制Ⅰ(SLM)3也可以采用數(shù)字微鏡器件(DMD)代替；本發(fā)明中無論采用空間光調(diào)制Ⅰ(SLM)3還是采用數(shù)字微鏡器件(DMD)均可生成“數(shù)字掩?！?。采用4-fⅠ分系統(tǒng)4、4-fⅡ分系統(tǒng)6用于濾波及匹配前后光束大??；本發(fā)明的隨機散射介質(zhì)5采用毛玻璃等強散射材料或者采用表面打磨粗糙的高折射率材料等制成，對光進行了隨機編碼，隨機散射介質(zhì)應(yīng)選用較薄的片狀結(jié)構(gòu)，以保證有效實施并增大光刻系統(tǒng)視場。當(dāng)光刻圖形較大時，由于視場較小，無法一次性將圖形全部光刻到基板上，可以采用掃描的方式進行光刻；空間光調(diào)制Ⅱ(SLM)7用于對隨機散射介質(zhì)5的出射光的相位進行調(diào)制補償，也可以采用數(shù)字微鏡器件(DMD)代替通過相位調(diào)制來對散射光進行補償；透鏡8為成像透鏡；分光棱鏡9用于分束，經(jīng)過分光棱鏡9后，一路光用于相位反饋調(diào)制，利用探測器11上散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋信號，采用反饋控制程序?qū)臻g光調(diào)制器Ⅱ(SLM)7進行相位調(diào)制，從而得到補償相位圖，從分光棱鏡9輸出的另一路光通過縮小透鏡12后進行光刻。顯微物鏡10用于目標(biāo)的放大；探測器11為紫外波段響應(yīng)的探測器，為光電轉(zhuǎn)換器件，將紫外光強信息轉(zhuǎn)化為電信號輸出，該信號與標(biāo)定圖形運算后作為空間光調(diào)制器Ⅱ(SLM)7的反饋信號；經(jīng)過光刻的分光路通過縮小物鏡12在曝光臺14上實現(xiàn)對基板13的曝光，本發(fā)明中縮小物鏡12用于分辨率的進一步提高，換句話說，本發(fā)明中縮小物鏡12為非必要器件，即使不加縮小物鏡12，本發(fā)明的系統(tǒng)分辨率也得到了明顯的提高。

本發(fā)明的相位標(biāo)定過程為光源1發(fā)出的光經(jīng)過擴束器2擴束后照射到空間光調(diào)制Ⅰ(SLM)3上，經(jīng)過4-fⅠ分系統(tǒng)4后入射到隨機散射介質(zhì)5上，經(jīng)過隨機散射介質(zhì)5強烈散射后通過4-fⅡ分系統(tǒng)6進入空間光調(diào)制器Ⅱ(SLM)7，根據(jù)探測器11上散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)作為反饋信號，使空間光調(diào)制Ⅱ(SLM)7形成補償相位，其中相位補償過程是通過遺傳算法對空間光調(diào)制Ⅱ(SLM)7進行反饋控制，通過循環(huán)迭代最終可以得到隨機散射介質(zhì)5的補償相位。工作過程為將目標(biāo)加載到空間光調(diào)制器Ⅰ(SLM)3上，關(guān)閉反饋控制程序，重復(fù)上述過程，經(jīng)過空間光調(diào)制Ⅱ(SLM)7進行相位補償后，通過透鏡8后由分光棱鏡9作用進行分光，使整個系統(tǒng)產(chǎn)生需要曝光的“數(shù)字掩?！蓖队霸谄毓馀_14的基板13上形成目標(biāo)圖形，從而完成光刻曝光過程。

參照圖2所示，本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)5的可編程控制亞波長無掩模光刻方法的原理為：若目標(biāo)信息為字母A，攜帶目標(biāo)信息的光經(jīng)過隨機散射介質(zhì)散射5后形成圖3(a)所示的散斑圖樣，無法得到正確的目標(biāo)信息。通過將入射波前與隨機散射介質(zhì)5進行匹配，即對攜帶目標(biāo)信息的光波進行相位補償，理論上可以使散射后的光波通過隨機散射介質(zhì)5后形成原目標(biāo)的像，參見圖3(b)。該方法無需考慮隨機散射介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

波前相位調(diào)制成像的原理為：利用空間光調(diào)制器Ⅱ(SLM)7對入射光進行相位調(diào)制，未經(jīng)相位調(diào)制前，光波經(jīng)過系統(tǒng)后會形成隨機圖樣，根據(jù)目標(biāo)點的光強變化，運用反饋控制算法調(diào)制入射光的波前相位分布，經(jīng)過數(shù)次反饋調(diào)制后，光波可以聚焦為目標(biāo)圖形，其原理在于，光波在隨機散射光學(xué)系統(tǒng)中的傳播可以用光學(xué)傳輸矩陣來描述：

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

其中，表示系統(tǒng)出射場的第m個通道，表示為系統(tǒng)入射場的第n個通道，k_mn是光學(xué)傳輸矩陣K中的元素。出射光場中任何一點的光場均可以看成是所有入射場通道的線性疊加。如果利用空間光調(diào)制器對所有的入射光通道進行相位調(diào)制，使得中顯示目標(biāo)處的光波干涉加強，其余背景部分的光波干涉減弱，從而使散射光波仍然可以形成目標(biāo)圖形。

參見圖4，采用隨機散射介質(zhì)提高分辨率和視場角的原理：其中圖4(a)表示為傳統(tǒng)透鏡通過聚焦光波實現(xiàn)成像，其衍射極限角分辨率由1.22λ/NA決定，其中λ為光源波長，NA＝nsinθ_max為數(shù)值孔徑，n為介質(zhì)折射率，θ_max為物方半孔徑角。如果將一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度無序的渾濁介質(zhì)，即隨機散射介質(zhì)，放置在物體和透鏡之間，參見圖4(b)，光波入射到隨機散射介質(zhì)后，由于受到介質(zhì)的強烈散射作用，原本無法進入光學(xué)透鏡的邊緣光線也能進入光學(xué)系統(tǒng)參與成像，因此使光學(xué)系統(tǒng)的物方半孔徑角從原先的θ_max增大為θ_T，從而極大地提升原光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，進而大大提高系統(tǒng)的分辨率。隨后通過波前相位調(diào)制技術(shù)對散射介質(zhì)產(chǎn)生的相位畸變進行補償，可以將隨機散射介質(zhì)轉(zhuǎn)化為一個透鏡。因此，通過在系統(tǒng)中加入隨機散射介質(zhì)，即可打破傳統(tǒng)透鏡的衍射極限，極大地提高空間分辨率。隨機散射介質(zhì)的加入也會提高系統(tǒng)視場角。在傳統(tǒng)的成像方法中，視場角的大小由L/M決定，其中L為探測器的尺寸，M為成像系統(tǒng)放大率。參見圖4(c)中藍色虛線，傳統(tǒng)成像方法中，不在視場范圍內(nèi)的目標(biāo)光波無法到達探測器參與成像。系統(tǒng)中加入隨機散射介質(zhì)后，光波的傳播方向由于多次散射而發(fā)生改變，在通過波前相位調(diào)制進行相位補償后，可以在探測器上對視場外的目標(biāo)成像。

實施例8：

基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)和方法同實施例1-7，本發(fā)明使用的基于隨機散射介質(zhì)的可編程控制無掩模光刻方法的反饋控制程序采用遺傳算法，參照圖6所示，遺傳算法計算及反饋控制過程在實現(xiàn)方法的步驟5中，詳細描述如下：

步驟5.1：遺傳算法是從問題可能潛在解集的一個種群開始，故首先生成N個服從均勻偽隨機分布的相位掩模構(gòu)成的初始種群，本例中使用了300個種群；

步驟5.2：計算初始種群中的每個相位掩模對應(yīng)的適應(yīng)度，并將適應(yīng)度進行降序排列，適應(yīng)度定義為探測器上散斑圖像與標(biāo)定圖像之間的相關(guān)系數(shù)或結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)，本例中采用相關(guān)系數(shù)，其表達式為：

$\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}表示探測器11采集到的散斑圖，x_ij表示散斑圖中第i行，第j列的元素，散斑圖共m行n列。Y＝{y_ij|i＝1,...m,j＝1,...n}表示生成的目標(biāo)圖形，y_ij表示目標(biāo)圖中第i行，第j列的元素，目標(biāo)圖共m行n列。和分別是X和Y的平均值。隨后判斷是否滿足迭代條件，滿足迭代條件即可以得到最優(yōu)相位掩模，若不滿足迭代條件，則執(zhí)行步驟5.3，本例中采用適應(yīng)度值作為迭代停止條件，本例中設(shè)置適應(yīng)度值為0.75，即相關(guān)系數(shù)為0.75，當(dāng)適應(yīng)度值大于0.75時，此時相位掩模即為最優(yōu)相位掩模，完成步驟5，當(dāng)適應(yīng)度值小于0.75時，執(zhí)行步驟5.3。

步驟5.3：隨機選出兩個不同適應(yīng)度對應(yīng)的相位掩模，分別作為父本和母本，其中適應(yīng)度高的相位掩模被選中的概率較高。

步驟5.4：生成隨機的二值交叉模板T，將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為生成的新相位掩模，F(xiàn)_father為父本，F(xiàn)_mother為母本，從而得到新的相位掩模為下一次循環(huán)迭代做準(zhǔn)備。

步驟5.5：對步驟5.4中生成的相位掩模進行變異，為防止算法對掩模中過多元素變異，變異元素的百分比R隨著種群的不斷繁衍呈指數(shù)規(guī)律衰減：

R＝(R₀-R_end)exp(-n/τ)+R_end，

其中，R₀為初始變異率，R_end為最后一代的變異率，n為種群繁衍的代數(shù)，τ為衰減因子，每次迭代過程都需要重新計算變異率，以得到更好的變異結(jié)果。

步驟5.6：變異完成后，重復(fù)執(zhí)行步驟5.3～5.5，直至產(chǎn)生G個新掩模，即每一代產(chǎn)生的新掩模數(shù)為G，其中如果G選取為種群大小N的一半，可得交叉概率為0.5。

步驟5.7：將原種群中適應(yīng)度靠后的G個掩模替換為新產(chǎn)生的G個掩模，從而形成新的種群。

步驟5.8：重復(fù)步驟5.2～5.7，直至滿足迭代停止條件，完成相位調(diào)制。

通過遺傳算法進行相位調(diào)制，簡便易行，無需添加其他器件，遺傳算法只要設(shè)置合適的種群數(shù)量、迭代停止條件等參數(shù)，在空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ上得到更加準(zhǔn)確的相位補償圖，實現(xiàn)了對隨機散射介質(zhì)5的相位補償，從而得到高分辨率的“數(shù)字掩?！?。本發(fā)明僅需進行一次相位調(diào)制，相對于整個光刻過程，提高了工作效率。

簡而言之，本發(fā)明提出的一種基于隨機散射介質(zhì)的可控亞波長無掩模光刻系統(tǒng)和方法，涉及光刻技術(shù)領(lǐng)域，尤其是可編程控制無掩模納米光刻。本發(fā)明利用空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ生成目標(biāo)圖形，光波經(jīng)空間光調(diào)制器(SLM)Ⅰ后入射到散射介質(zhì)表面，隨機散射介質(zhì)對光進行隨機編碼，隨后利用空間光調(diào)制器(SLM)Ⅱ?qū)ι⑸浣橘|(zhì)產(chǎn)生的相位畸變進行補償，最終實現(xiàn)透過散射介質(zhì)的亞波長成像，從而形成任意可控亞波長“數(shù)字掩?！?，進行投影曝光。本發(fā)明提出的光刻方法避免了掩模版的制作，極大地降低了光刻成本，利用隨機散射介質(zhì)的隨機編碼與空間光調(diào)制器的相位補償進行結(jié)合，提高了光刻分辨率，其中相位標(biāo)定過程僅需一次，提高了光刻時間效率，從而實現(xiàn)了可控亞波長圖形的無掩模光刻。

以上實例中的描述并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解本發(fā)明的內(nèi)容及原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。