基于DMD的全息光刻系統設計

付偉平，李　靜

(中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

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基于DMD的全息光刻系統設計

付偉平，李靜

(中國科學技術大學 精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

設計搭建了一套基于DMD(Digital Micro-mirror Derice)的全息光刻系統，它包括光路和軟件部分。在軟件設計中，采用MATLAB語言編制基于博奇編碼的計算全息圖，以二維灰度光柵為例，對其進行了計算全息的設計和模擬再現，并通過實驗再現了二維灰度光柵圖案，驗證了設計的合理性和可靠性。

全息光刻；DMD；MATLAB

光刻技術是引領微電子發展的核心技術之一，一直是人們關注的焦點。全息光刻是近年來迅速發展的一種光刻技術。全息光刻具有不受像場和分辨率的限制，不會直接作用襯底，無需真空環境，記錄速度快等諸多優點[1-2]。

空間光調制器DMD具有較高的分辨率、較寬的響應范圍以及極快的響應速率。在全息光刻技術中，通過計算機將全息圖加載到DMD上可構建復雜圖案，實現數字光刻。本文以DMD為核心設計和搭建了一套全息光刻系統，該系統包括光路和軟件部分。其中軟件部分主要用于計算全息圖的設計，是系統設計的核心。

1　系統光路

本文設計和搭建的基于DMD的全息光刻系統光路如圖1所示。紫外激光器發出的光經針孔濾波后，通過透鏡L1和L2準直擴束，形成均勻的照明光場照射到DMD上。計算機通過伺服電路將計算全息圖加載到DMD上。再現的全息光場通過L3和L4構成的倒置望遠鏡系統縮小后，經紫外反射鏡進入到物鏡的入射光瞳中，由物鏡聚焦后到達待光刻的基片表面。

圖1　基于DMD的全息光刻系統光路

DMD是光路中的核心元件，它由上百萬個可偏轉的獨立微鏡構成，每個微鏡都可視為一個光開關。微鏡下方有CMOS存儲單元。輸入的電信號通過改寫CMOS單元的值來控制微鏡的偏轉狀態。DMD未上電時，微鏡處于0°，未發生任何偏轉，為平態。DMD上電后微鏡會有2個工作穩態，當CMOS的值為1時，微鏡偏轉12°，為開態；反之，微鏡偏轉-12°，對應關態。當微鏡處于開態時才能點亮對應的像素。像素的灰度等級由數字信號的脈寬控制，脈寬越大，微鏡處于開態的時間越久，對應像素的灰度值越大；脈寬越小，微鏡處于開態的時間越短，對應像素的灰度值越小。由于微鏡排列呈二維陣列結構，DMD對于入射光的調制作用類似于二維梳妝抽樣函數對寫入函數的空間抽樣，空間調制的時間積分效果類似于一個非周期的復雜二維光柵。

基于上述原理，DMD對于全息圖的調制可以分為2步：1)對全息圖平面抽樣；2)對全息圖平面進行灰度調制，并對調制出的每一像素的光進行衍射，從而再現原物[3-5]。

2　全息圖的設計

計算全息圖的編碼方式有博奇編碼、羅曼編碼等[6]。采用不同的編碼方式會得到不同的再現效果。由于博奇編碼全息再現像質量較高，且運算速度快，在制作二維全息圖時優勢比較明顯，因此，本文選用博奇編碼制作計算全息圖。在設計博奇編碼全息圖[7-9]時，應考慮：1)全息圖的大小需要和DMD的分辨率相匹配，這樣可以提高DMD微鏡的利用率和DMD的衍射效率；2)博奇編碼再現會出現圖像混疊，可將待編碼的圖像鑲嵌到全零矩陣中擴展，實現原始像和共軛像的分離。

本文采用MATLAB語言編制二維灰度光柵的計算全息圖，并模擬了再現過程。為了保證再現全息像分離，又和DMD分辨率(使用的DMD分辨率為684×608)相匹配，原圖大小設置成684×304，在該區域內繪制2組灰度漸變光柵。將待編碼的二維灰度光柵圖形擴展一倍(另一半為全零矩陣)，讓擴展后的圖像乘以隨機相位以降低抽樣單元透過率的變化范圍；然后對其進行快速傅里葉變換，添加參考光波進行編碼，獲得全息圖；對全息圖做逆傅里葉變換處理，得到了二維灰度光柵再現像。計算全息圖及其模擬再現如圖2所示，圖2c中左右兩邊像互為共軛。

圖2　計算全息圖及其模擬再現

在全息光刻系統上進行實驗，經DMD再現的二維灰度光柵如圖3所示，可見再現了設計要求的光柵圖案。

圖3　實驗再現的二維灰度光柵

3　結語

本文設計搭建了基于DMD的全息光刻系統，它包括光路和軟件部分。在軟件設計中，利用MATLAB語言編程，采用博奇編碼設計計算全息圖。以二維灰度光柵為例，編制了用于DMD再現的計算全息圖，并模擬了再現過程。全息光刻系統上的實驗實現了二維灰度光柵圖案的再現。本文的工作為采用基于DMD的全息光刻系統制作復雜圖案提供了保障。

[1] 葉鎮,王勇,高占琦,等.基于全息光刻系統制備528 nm周期孔陣圖形[J].中國激光，2015,42(8)：288-292.

[2] 陳芬,周亞訓.影響全息光刻圖形質量的因素[J].半導體學報，2003,24(12)：1335-1339.

[3] 王鵬,張亞萍.基于數字微鏡的計算全息再現像質增強[J].激光技術,2013,37(5)：619-621.

[4] 韓超，韋穗.數字微鏡器件的全息顯示[J].中國激光，2010,37(1)：191-193.

[5] 王巍, 鞏馬理. 數字微鏡器件(DMD)在相干光照明下的空間光調制特性[J].光電技術應用，2007，22(3):32-35.

[6] 虞祖良，金國藩.計算機制全息圖[M].北京：北京清華大學出版社,1984.

[7] 趙付麗,章鶴齡.基于Matlab的計算全息圖的制作與數字再現的研究[J].應用光學,2009, 30(6):955-956.

[8] 陳蔓麗,狄紅衛.傅里葉計算全息圖的數字再現及混疊的消除[J].光學技術,2007,32(3)：364-366.

[9] 陳林,許宗保.基于博奇編碼離軸全息方法的研究[J].應用光學,2014，35(6)：1005-1006.

責任編輯鄭練

Design of Holographic Lithography System based on DMD

FU Weiping, LI Jing

(Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

A holographic lithography system based on DMD (Digital Micro-mirror Device) is designed and constructed. This system includes optical and software component. In the software design, MATLAB language is used to generate CGH (Computer Generated Hologram) with the Burch encoding. As an example, design and reconstruction of two-dimensional gray grating are achieved by computation, and two-dimensional gray grating pattern is reconstructed by the experiment, which verifies the validity and reliability of the design.

holographic lithography, DMD, MATLAB

TN 26

A

付偉平(1990-)，男，碩士，主要從事DMD全息再現等方面的研究。

李靜

2016-04-28