双面光刻或将不再需要多次曝光

中国科学院光电技术研究所胡松研究员及赵立新副研究员课题组在《激光与光电子学进展》发表的研究论文“基于改进 Gerchberg-Saxton 算法的全息双面光刻方法”被选为2023年第16期封面文章。

论文提出了基于改进Gerchberg-Saxton（GS）算法的全息双面光刻方法，使用单个光源在玻璃基底的上下表面同时曝光进行双面图形的制作，并搭建实验装置进行了验证。该方法使用单张全息图、单个光源通过单次曝光即可在目标体积内生成多层任意图形，极大简化了双面图形制作的步骤。

封面解读

本封面展示了基于计算全息光场调制进行投影曝光的双面光刻方法，该方法可以在使用单张全息图、单次曝光的情况下，一次性对待刻材料的两个表面进行不同图案的曝光，对双面图案的对准精度高，工艺简单，极大提高了双面光刻的效率。封面展示了激光经空间光调制器调制后被傅里叶变换透镜聚焦成像在待刻透明材料两个表面上的内容，从而实现双面光刻。

文章链接

王化宾, 何渝, 赵立新. 基于改进Gerchberg-Saxton算法的全息双面光刻方法[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(16): 1609001.

1 研究背景

计算全息术是一种通过计算机编码记录三维物体生成计算全息图（CGH），并可以通过CGH恢复出三维物体形貌的现代光学技术。不同于传统全息需要物光波和参考光波的干涉记录，计算全息可以突破“实物”的限制，可以再现任何虚拟的物体，近年来全息三维显示领域已经广泛应用于人们的日常生活，将计算全息三维成像应用到光学投影曝光上，可以在目标区域内加工任意形貌的三维物体。

2 研究原理

图1 计算全息双面光刻方法光路示意图

（1）光刻原理

图2 改进GS算法示意图

图1为基于计算全息的微立体光刻方法光路示意图，405 nm激光经衰减器后入射到旋转的毛玻璃上，出射的光经物镜聚焦和扩束器扩束后通过分光棱镜充满液晶空间光调制器的靶面。空间光调制器上加载有经全局GS算法计算得到的双层光场的计算全息图，该计算全息图由两层不同深度的图像A和图像B组成，光场层间距由玻璃的厚度和折射率确定。经空间光调制器反射的光再次通过分光棱镜后，经过傅里叶变换透镜在目标体积内产生三维的图案化光场，此处双层光场由两层图案化光场A和B组成，经光阑遮挡掉高阶衍射级次后，在透明玻璃基底的上下表面进行同时曝光，再经后烘、显影等工艺流程后可在玻璃基底的上下表面分别观察到A和B的曝光情况。

（2）基于改进GS算法的双层光场相位恢复

通过空间光调制器对入射激光进行调制的关键在于设计加载到空间光调制器上的全息图，论文采用的是纯相位型的空间光调制器，所以需要使用相位恢复算法得到目标光场的计算全息图。

常见的二维的相位恢复算法为Gerchberg和Saxton提出的GS算法^[1]以及一系列改进后的类GS算法^[2-4]，这些类算法的基本原理是在全息面以及目标成像平面内通过傅里叶变换或者菲涅尔衍射来进行正反多次迭代，使得相位趋于最优解。

课题组采用的类GS算法^[5]则是在GS算法的思想上，将全息面与目标平面的迭代过程改进为全息面与目标体积之间的迭代过程，在目标空间体积内的传播由菲涅尔衍射计算，而在傅里叶变换透镜的前后焦面（即全息面与透镜后焦面之间）由傅里叶变换进行迭代计算。

3 仿真复现双层光场

在计算得到相位全息图后，将其进行正向傅里叶变换及菲涅尔衍射到不同的距离z处，即可得到衍射再现光场。图3为A、B两层图像分别在距离透镜后焦面2 mm及4 mm处所成的像。

图3 仿真复现双层光场

4 光场观察及优化

如图4所示，由于激光具有强相干性，激光会在像面上发生干涉，形成强烈的散斑，本实验采用旋转毛玻璃作为漫射器，来降低激光的相干性以匀化散斑；同时由于空间光调制器的像素填充率不可能达到百分之百，加上其玻璃表面的反射所形成的未调制光，会在焦面上对成像形成较强的干扰，在计算时对各像面给出一定的离焦量，使其尽可能的远离焦面，从而使杂散光弥散，降低其对成像的影响。

图4 未消除散斑及杂散光时的像面。(a)存在散斑时的像面；(b)存在杂散光时的像面

移动CMOS相机观察，如图5所示分别为距离焦面2 mm的像面B和距离焦面5 mm的像面A，可以发现AB之间的串扰不明显，散斑较少，且由于离焦之后杂散光弥散，像相对杂散光的对比度高，降低了杂散光、散斑和串扰在曝光时对各像面产生的影响。

图5 相机在不同位置观察到的各像面。(a) 像面B；（b）像面A

5 曝光实验

在确定好光场成像质量之后，采用厚度为3 mm的石英玻璃作为基底，结合玻璃的厚度和折射率可以算出，若要在3 mm厚的石英玻璃的两个表面上同时成像，则在空气中生成的光场的层间距约为2 mm，将玻璃基底两表面涂上光敏树脂，用样品夹持器固定好后开始曝光，手动控制快门来控制曝光时间，曝光时间1min，除去多余的光敏树脂，显微镜下观察的曝光结果如图6所示。

图6 光敏树脂曝光结果。(a)基底前表面曝光结果；(b)基底后表面曝光结果

曝光后显微镜下观察到的图案最小线宽与CMOS相机上接收到的图案化光场的最小线宽基本吻合，曝光图案最小线宽为60 μm，与按照空间光调制器的衍射极限，结合设计的图案的像素数、通过理论计算得到最小线宽基本相同。在纵向上，在该实验系统的参数下，可实现的最小层间距为1 mm的两层光场的复现，在该实验条件下，3 mm的层间距时的层间串扰在曝光时可以忽略不计。基底上表面的图案B和下表面的图案A均为同一级次的衍射像，具有精确的相对位置，在双面光刻对准标记时可以降低对准误差。使用AZ1500系列光刻胶进行实验时，由于光刻胶在未曝光前吸收率高的性质，光场在基底前表面的光刻胶没有完全曝光前，无法完全透过前表面到达后表面，导致前表面过曝以后，后表面的光刻胶才开始进行反应，无法使用同一级次的衍射像进行曝光。曝光显影后前表面的高衍射级次与后表面零级的结果如图7所示。

图7 光刻胶曝光、显影后的结果。(a)基底前表面曝光结果；(b)基底后表面曝光结果

在光刻工艺方面，光刻胶的分辨率明显优于光敏树脂，如果使用透过率更高的光刻胶，前表面的光尽可能多的透过光刻胶到达后表面，使前后表面同一级次的像同时曝光且前表面不过曝，能够提高曝光图案的精度。

6 总结

课题组提出了基于改进GS算法获取双层光场的计算全息图，并加载到相位型液晶空间光调制器上对入射激光进行调制，以构建双层光场在透明基底的上下表面进行同时光刻的方法。使用单个光源构建了双层图案化光场，分析并解决了光场生成时带来的杂散光、散斑及图像串扰问题，降低其对像面曝光产生的影响。该方法可以使用单张全息图在目标区域内进行多平面同时曝光。在3 mm透明石英玻璃基底的双面，实现一步曝光加工最小线宽为60 μm的图案，验证了此方法单次曝光实现双面光刻的可行性。该算法理论上可同时生成更多层的平面光场，未来可实现一步曝光进行三维加工。

参考文献

课题组简介

中国科学院光电技术研究所微电子装备总体研究室胡松研究员及赵立新副研究员领导的团队，长期致力于微电子专用设备和生物芯片检测设备的研制工作，在光学照明、光电检测、光刻技术、超精密定位测量技术的系统设计、模拟仿真及其在各个领域的应用等方面进行研究探索。承担了多个国家级光刻项目，课题组先后获得国家科技进步三等奖，中科院科技进步一等奖，四川省科技进步二等奖。