上海光学精密机械研究所----上海光机所在全息光刻研究方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第六百四十期)

2025年4月28日

上海光机所在全息光刻研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部李思坤研究员团队在全息光刻研究方面取得进展。相关成果以”Synthetic holographic mask design for computational proximity lithography using the lithography-guided OMRAF method”为题发表在Optics Express上。

全息光刻相比于主流的投影式光刻，不需要复杂的投影物镜系统，设备成本更低，比传统接近式光刻的分辨率更高，并且对掩模缺陷不敏感，具有广阔的应用前景。全息掩模设计是全息光刻的关键技术。通常基于Gerchberg-Saxton(GS)投影迭代算法，建立掩模平面透过率函数与硅片平面空间像间的关系，根据目标光强计算掩模平面的振幅、相位分布。但随着掩模图形复杂化、特征尺寸进一步缩小，现有全息掩模设计方法已难以满足高质量成像要求。

研究团队提出了基于光刻引导偏移混合区域振幅自由度（Litho-guided OMRAF）算法的合成全息掩模设计方法。将硅片平面上的光场划分为“信号区域”和“噪声区域”，通过减少噪声区域的约束，增强信号区域的收敛性和成像质量。考虑掩模制造约束条件，对掩模平面的振幅和相位进行有限级离散化处理。采用逐步离散化策略，防止迭代优化过程出现停滞，并有效避免算法陷入局部最优解。

研究人员对该方法进行了仿真验证，使用365nm波长的光照明，在50μm邻近间隙条件下实现了最小线宽0.4μm的非周期图形的成像。与基于GS 算法的全息掩模设计方法相比，新方法设计得到的全息掩模有效降低了空间像光强分布的均方根误差（RMSE）和面积误差比（AER）。图1展示了以线宽0.8μm肘形图形为目标图形，采用不同设计方法得到的空间像与光刻胶仿真结果。采用本方法得到的光刻胶轮廓线条平滑无间断，且AER值相比GS方法降低了81.3%。同时考虑曝光视场与掩模尺寸的关系，对大面积掩模进行分区设计，仿真结果如图2所示，结果验证了所提方法的普适性。

图1 肘形图形为目标图形，不同方法得到的全息掩模分布、空间像与光刻胶轮廓

图2 曝光视场受限下的大面积合成全息掩模设计示例

研究人员搭建实验系统进行了实验。图3展示了在相干照明条件下曝光不同掩模获得的实验结果。实验与仿真结果吻合。本方法设计得到的合成全息掩模的空间像，相比于GS方法具有更高的对比度和更锐利的线条边缘，能够更精确地重建目标图形分布。本研究探索了适用于小特征尺寸图形的全息掩模设计框架，有望为获得一种经济且高产能光刻方案提供一种潜在的技术手段。