衍射光學元件成套制造技術研究進展

謝常青

（中國科學院 微電子研究所 微電子器件與集成技術重點實驗室，北京 100029）

1 引 言

衍射光學元件（Diffractive Optical Elements，DOE）是基于光波衍射理論，借助計算機輔助設計技術獲取二值化的離散數據，利用微納加工技術制造出的兩個或多個臺階的相位/振幅光學元件［1］。1964年，基于當時最先進的集成電路光刻掩模制造設備（IBM 7094計算機和Calcomp繪圖儀），IBM工程師Lohmann研制出世界上第一塊計算機全息圖［2］，并且指出“平面光學的優勢是用輕量化的元件取代笨重而復雜的長焦鏡頭”［3］。1987年，美國MIT林肯實驗室Veldkamp研究組在設計傳感系統中，將標準CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝中的光刻掩模制造技術引入DOE制作，并提出了“二元光學”概念［4］。隨后，DOE成為現代光學、計算機與集成電路技術等領域的新興交叉學科，加快了現代光學儀器設備小型化、輕量化和集成化進程。近年來，隨著集成電路裝備、物聯網、人工智能、大數據及增強現實等領域的快速發展，DOE在光學系統中的應用需求增長迅速，逐漸成為引領集成電路裝備和光學儀器兩大產業發展的核心元器件。

通過在微納米尺度上對紅外線、可見光、紫外、極紫外、軟X射線乃至硬X射線光波進行波前精確調控，DOE將衍射光波集中到設定的衍射級次上，從而實現成像、色散、均勻化、準直、聚焦和任意設定波前等光學功能。DOE具有精度高、質量輕、緊湊、設計自由度大、色散特性獨特和易于校準等優點，廣泛應用于光通信、微光機電系統、傳感測量等領域［5］以及先進光刻、同步輻射、激光聚變和X射線天文學4大光學工程［6-7］。特別地，DOE的研究進展與先進光刻機的進展相輔相成，DOE的精度依賴于先進光刻機水平，DOE的精度提高在先進光刻機的發展中一直發揮著決定性的作用［3］。DOE已經廣泛應用于第四代光刻機（193 nm步進掃描投影光刻機）和第五代光刻機（極紫外步進掃描投影光刻機），包括激光帶寬壓縮、光束整形、離軸照明、非球面高精度檢測、調焦和套刻控制、工件臺位移超精密控制、計量學等重要環節［3，8-10］。193 nm光刻掩模本質上就是一種基于熔石英襯基的“零缺陷”（圖形區中大于50 nm的缺陷數量為0）透射式DOE，而極紫外光刻掩模則是一種基于Mo/Si多層膜的“零缺陷”（圖形區中大于20 nm的缺陷數量為0）反射式DOE［3，11］。

一方面，將標準CMOS技術引入微納光學結構制造是衍射光學學科發展和產業升級的必然選擇［12］。以高量產（High Volume Manufacturing，HVM）、高精度、高成品率為顯著特征的標準CMOS工藝是集成電路生產的重要基礎和基本前提，也是集成電路技術節點持續縮微的核心驅動力。2019年，數值孔徑為0.33的極紫外步進掃描投影光刻機投入集成電路量產，其極限分辨率達13 nm，12英寸硅片的曝光產率達到170片/小時?；跇O紫外投影光刻等上千道加工工序的高可靠集成技術，iPhone手機芯片以及人工智能處理器的性能不斷提高，摩爾定律已經延續到7 nm技術節點，對應的金屬半周期為14 nm，單芯片容納的晶體管數量超過100億［13］。預計到2033年，數值孔徑為0.55或更高的極紫外步進掃描投影光刻機將投入1 nm技術節點集成電路量產，對應的金屬半周期為7 nm［14］。

另一方面，標準CMOS技術并不能直接應用于定制化、小批量DOE制造，其原因是DOE產品本身結構復雜且多樣，不同波段DOE對制造技術的要求各不相同，其制造模式與硅基集成電路存在巨大差異。具體來說，標準CMOS制造技術采用薄膠工藝，難以直接實現熔石英、Au等光學功能層結構轉移；高端光學光刻機曝光場區面積較小，難以滿足更大面積的復雜結構DOE圖形生成要求，如極紫外步進掃描投影光刻機在硅片面上的最大曝光場區面積為26 mm×33 mm；復雜結構DOE的GDSII（Geometry Data Standard II的簡寫）數據量遠高于集成電路，難以采用標準版圖單元庫；標準CMOS工藝不允許Au等重金屬離子污染，不考慮加工面形精度要求，而且制造裝備價格昂貴，其加工對象為結構圖形相對簡單、高度標準化、大批量（可達數十億顆）的硅基集成電路，不適合中小批量的元器件生產。目前，極紫外步進掃描投影光刻機價格超過1.2億歐元/臺，僅為英特爾、中國臺積電和三星三家公司所擁有。如何在兼容標準CMOS技術的基礎上，研制復雜性、多樣性的光學功能結構，集成制造出設定光學功能的DOE，一直是跨微納尺度制造領域的核心科學問題［15］。

近年來，國內外該領域的研究工作取得了較快發展。基于HSQ光刻膠，麻省理工學院的電子束光刻孤立線線寬達到2 nm，半周期達到5 nm［16］。利用兩次電子束套刻技術，勞倫斯伯克利國家實驗室研制了12 nm分辨率Au X射線波帶片（對應高寬比2.5∶1）［17］。俄羅斯科學院圖像處理系統研究所建設了DOE專用研發線［18］。斯坦福大學報道了線寬100 nm、高寬比達140∶1的硅基衍射光學元件研制結果［19］。瑞典皇家理工學院研制了分辨率為30 nm、高寬比達30∶1的Pd/Si波帶片［20］。陳宜方課題組報道了最外環寬度分別為100 nm（對應高寬比為16∶1），50 nm（對應高寬比為6∶1），30 nm（對應高寬比為7∶1）的X射線波帶片，20～300 nm分辨率板的研制結果［7，21］。結合HSQ電子束光刻和低溫電感耦合等離子體反應離子刻蝕技術，段輝高課題組研制了亞10 nm硅納米管，對應周期為100 nm，高度達390 nm［22］，逼近了硅納米結構的加工極限。最近，采用HSQ光刻膠，該課題組還報道了亞5 nm單個重離子光刻技術［23］。

1995年，中國科學院微電子研究所在國內首次建立了0.8μm CMOS成套工藝技術體系，并實現了量產，這標志著我國集成電路技術水平首次進入亞微米時代［24］。在此基礎上，我們將0.8 μm標準CMOS工藝成果導入DOE制造，報道了0.5μm分辨率（1000線對/mm）的X射線DOE研制結果［25］。之后，提出了混合光刻制作微納金屬光學結構技術，研制了0.1μm分辨率（5000線對/mm）的X射線光柵［26-27］。然而，DOE制造技術仍然面臨三個方面的挑戰：（1）單一的光刻方法難以同時滿足DOE的高精度和大面積圖形生成需求；（2）單一的圖形轉移方法難以滿足DOE的多元性、復雜性光學功能結構生成需求；（3）大面積DOE的高可靠集成。針對DOE復雜圖形數據處理、多元化襯基、跨微納尺度、高深寬比（結構厚度與最小特征尺寸之比）和高保真等問題，本文在兼容標準CMOS工藝的約束條件下，對DOE成套制造技術路徑進行了系統研究，總結了高精度、多功能（高保真、高深寬比、高面形、多元化襯基等）和大面積DOE成套制造技術的研究成果，并對降低成本和提高成品率的技術方案進行了討論。

2 基本方法

高精度、多功能和大面積貫穿著DOE研究發展的整個歷程。高精度指特征尺寸不斷縮小，且特征尺寸精度控制越來越嚴格；多功能指可實現多元化襯基、高保真、高深寬比、高面形的微納光學結構制造；大面積指DOE的光學功能結構面積大。不同應用波段和應用場景的DOE對襯基材料、特征尺寸、高寬比和臺階數的需求如表1所示。

表1 可見光到硬X射線波段DOE的微納加工需求及應用場景Tab.1 Micro/nanofabrication requirements and application scenarios of DOE with photon energies ranging from visible to hard X-ray regions

DOE制造技術的核心是如何按照設計者的意圖高精度生成光刻膠圖形，進而精確地在功能層材料上高保真復制出與光刻膠圖形一樣的功能層結構，并實現設定的高寬比。顯然，實現高性能DOE的關鍵取決于襯基/功能層材料的選擇、制造方法的成熟度和可用的微納加工裝備之間的復雜關系。尤其是在X射線波段，所有已知材料的折射率非常接近1，消光系數非常?。ㄅc入射波長的三次方成正比）。這種迥異于可見光光學性質的相移吸收二元屬性（相位伴隨強度衰減而發生改變）對微納加工提出了極其苛刻的要求［28］，即自支撐/鏤空薄膜上制造跨微納尺度、高深寬比、剖面陡直、尺度控制精確的重原子序數金屬光學結構，并耐受極其惡劣的輻射運行環境。我們建立了覆蓋可見光到硬X射線波段的DOE成套制造技術體系，如圖1所示。建立了復雜圖形光刻數據處理方法，將衍射光學設計者意圖轉換為集成電路光刻掩模設備所識別的GDSII數據格式。提出了混合光刻圖形生成方法，將GDSII數據精確傳遞到襯基材料表面上的光刻膠，形成功能圖形。形成了加法（剝離、電鍍）和減法（干法刻蝕、金屬輔助化學刻蝕）兩種類型的高精度圖形轉移基礎方法，將光刻膠功能圖形高保真傳遞到襯基表面上的功能層結構，實現對入射波前的光場調控。結合接近式光學光刻、濺射、等離子體增強化學氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）等傳統加工技術，高可靠集成制造出DOE，最后進行檢測、劃片、清洗和封裝。該DOE成套制造體系兼容標準CMOS工藝，加工精度、可靠性和成品率可以隨著光學掩模制造技術的進步而提升。

圖1 復雜結構DOE成套制造技術原理Fig.1 Schematic diagram of complete manufacturing technology for DOE with complex structures

3 跨微納尺度復雜光學結構制造

針對可見光到硬X射線波段的DOE制造需求，需要在復雜圖形光刻數據處理、先進光刻圖形生成和復雜圖形轉移基礎方法等方面開展關鍵技術研究，以實現功能化的跨微納尺度復雜光學結構。

3.1 復雜圖形光刻數據處理體系

復雜圖形光刻數據處理是DOE從設計走向制造的第一步。單片集成電路的核心面積通常為0.1～100 mm2，圖形復雜度通常不高且有一定規律，對應的GDSII數據量通常為0.1～100 Mbit。DOE的核心面積可達數萬平方毫米，其GDSII數據量比常規集成電路的GDSII數據量高2～4個數量級，基于圓弧和任意函數曲線的復雜位置編碼無法使用集成電路版圖編輯與標準版圖單元庫［29］。為此，我們開發了復雜數學函數加權構成的空間位置編碼微光刻數據處理體系。采用混合切割任意多邊形的算法，基于集成電路商用版圖軟件L-Edit的宏文件技術、VC編程工具和Python軟件，建立了DOE布局文件的層次結構和繼承關系，自動生成由復雜數學函數加權構成的復雜空間位置編碼。在兼容商用集成電路版圖設計軟件的前提下，高保真實現了DOE設計與制造的無縫連接。

圖2給出了一個典型的復雜圖形微光刻數據處理例子。圖2（a）是待制造的本實驗室徽標?；谧灾频腖-Edit軟件宏文件，對徽標圖形進行二值化處理，自動獲取了GDSII數據，如圖2（b）所示。圖2（c）是對圖2（b）的GDSII數據進行自動處理后獲取的制造數據，圖2（d）是根據圖2（c）提供的制造數據完成的光刻圖形，徽標圖形直徑為8.5μm，針尖精度優于2 nm，表明GDSII數據的柵格參數設置為2 nm時，設計者意圖仍然可以體現在光刻膠圖形上。

圖2 高精度復雜圖形微光刻數據處理Fig.2 High-precision microlithography data processing for complex structures

3.2 先進光刻圖形生成

圖形生成是集成電路制造最核心的環節，其成本約占集成電路制造的35%，加工周期占集成電路制造周期的40%～60%。同時，圖形生成還是DOE制造中技術難度最大、成本最高的環節。我們將集成電路光刻掩模制造技術拓展應用于復雜結構DOE圖形生成，提出了基于高斯束矢量掃描/可變矩形束拼接電子束光刻、激光直寫和i線/248 nm分步投影光刻的混合光刻方法。其基本原理是根據不同的圖形特征尺寸，采用不同類型的光刻技術，有效兼顧了精度與速度。首先，利用高斯束矢量掃描電子束光刻生成納米圖形，降低鄰近效應影響，并同步生成套刻標記圖形，以便于后續光刻套準識別。接著，利用可變矩形束拼接電子束光刻或者248 nm分步投影光刻機生成深亞微米光刻圖形。最后，利用激光直寫或i線分步投影光刻生成微米/亞微米光刻圖形。高斯束矢量掃描電子束光刻具有最高的光刻分辨率，但是效率極低（每平方毫米約需1～8小時），僅適用于100 nm以下復雜DOE圖形的生成?？勺兙匦问唇与娮邮饪淌钱斍?5 nm節點（對應特征尺寸約為200 nm）及以下光刻掩模圖形生成的唯一工具，效率較高（88 mm×88 mm面積約需6小時），為此用于小批量深亞微米復雜DOE圖形生成。對于大批量深亞微米復雜DOE圖形生成，則采用248 nm步進投影光刻機（約80片/小時）。圖3（a）給出了極限分辨率光刻實驗結果。通過采用冷顯影（2°C）的方法，光刻極限分辨率達到了6 nm，對應的光刻膠厚度為70 nm。圖3（b）是復雜圖形的設計圖紙，圖3（c）和圖3（d）分別給出了平面和傾斜角度的掃描電鏡測試結果。

圖3 亞10 nm分辨率和復雜圖形光刻實驗結果Fig.3 Experimental results of sub-10 nm lithography and generation of complex pattern

3.3 復雜圖形轉移基礎方法

圖形轉移的質量（功能層結構的保真度、高寬比等）直接影響DOE的衍射效率和信噪比。硅集成電路加工技術采用感應耦合等離子刻蝕硅、金屬和介質，采用大馬士革鑲嵌工藝進行銅布線，III-V族化合物半導體集成電路加工技術則采用蒸發剝離制造源極、漏極和柵極?；谶@一思路，針對復雜DOE不同高寬比和高保真圖形轉移的需求，我們發展了加法和減法兩種類型，4種圖形轉移基礎技術，如圖4所示。加法技術包括蒸發剝離和金屬電鍍圖形轉移基礎方法。前者用于可見光到極紫外波段的振幅型DOE制造。在帶底切的光刻膠圖形上蒸發所需的金屬，用濕法同時去除殘余光刻膠及其表面上的金屬，在石英襯基上形成所需的金屬結構。該方法能制作的金屬厚度一般不超過光刻膠厚度的一半，可制造小高寬比金屬結構，如圖4（a）所示。后者用于制造透射型X射線波段的DOE。在自支撐襯基上光刻出大高寬比光刻膠圖形，采用基于脈沖電源的亞硫酸鹽納米鍍金技術，降低電鍍液的表面張力，實現側壁形貌與光刻膠模板具有高度一致性的圖形轉移，制作出來的金屬結構和光刻膠模板具有相同的高度，如圖4（b）所示。減法技術包括多層干法刻蝕和低溫金屬輔助化學刻蝕圖形轉移基礎方法。前者用于可見光到深紫外波段透射型DOE的制造，也可用于極紫外到硬X射線波段反射型DOE的制造。采用多層套刻、等離子體刻蝕方法形成多臺階結構，以提高DOE的衍射效率，如圖4（c）所示。后者主要用于硬X射線波段透射型DOE的制造，如圖4（d）所示。高寬比大于100∶1的納米光學結構是DOE應用于硬X射線波段的主要技術瓶頸，挑戰微納加工技術的極限。我們提出了側墻轉移金屬輔助化學刻蝕方法。首先，利用薄膠光刻和離子束刻蝕在硅基表面制作Ti/Au金屬結構，基于提出的低溫金屬輔助化學刻蝕方法加工豎直硅納米結構［30-31］，在硅納米結構表面ALD一層氧化物（Al2O3，TiO2等），然后利用無掩蔽等離子刻蝕法去除硅納米結構表面上的氧化物和硅納米結構，并從硅襯基背面挖窗口和濕法去硅，從而在自支撐硅膜上獲取高寬比遠高于傳統干法刻蝕的側墻氧化物納米結構，用于形成硬X射線波段透射型DOE功能層結構。

圖4最后一行給出了蒸發剝離、金屬電鍍、多層干法刻蝕和側墻轉移金屬輔助化學刻蝕方法的實驗結果。其中，蒸發剝離的L型金屬結構分辨率達30 nm，高寬比為1∶1，如圖4（a）所示。Au結構線寬為25 nm，厚度為300 nm，對應高寬比為12∶1，如圖4（b）所示。多層干法刻蝕完成8臺階可見光DOE的制造，其三維光學表面輪廓如圖4（c）所示。側墻轉移金屬輔助化學刻蝕法的實驗結果如圖4（d）所示，Al2O3納米管線寬為30 nm，厚度為15μm，對應高寬比達500∶1。

圖4 加法（a和b）和減法（c和d）圖形轉移方法示意圖Fig.4 Schematic illustration of pattern transfer by additive（a，b）and subtractive（c，d）manufacturing techniques

3.4 不同波段微納光學結構制造方案

不同應用波段和應用場景的DOE制造通常需要采用不同的技術方案，具體如下：（1）可見光、紫外和深紫外波段DOE的分辨率要求相對較低，部分應用場景需要采用多臺階結構，因此，采用可變矩形束拼接電子束光刻、激光直寫或者i線/248 nm分步投影光刻的混合光刻方法，以及剝離或者干法刻蝕的圖形轉移方法；（2）極紫外和軟X射線波段DOE的分辨率要求極高，采用高斯束矢量掃描電子束光刻和激光直寫的混合光刻方法，前者采用干法刻蝕的圖形轉移方法，減少干法刻蝕損傷和缺陷，后者采用電鍍或者干法刻蝕的圖形轉移方法；（3）硬X射線波段DOE的分辨率通常不超過50 nm，采用高斯束矢量掃描/可變矩形束拼接電子束光刻和激光直寫的混合光刻方法，以及干法刻蝕或者金屬輔助化學刻蝕的圖形轉移方法。

自主研發的復雜圖形光刻數據處理體系兼容集成電路商用版圖軟件，將DOE設計指標高保真轉換成可制造的GDSII數據?；陔娮邮c光子束的混合光刻方法可以有效解決單一光刻技術難以同時兼顧高精度和大面積圖形生成的技術難題。基于加法和減法技術的4種圖形轉移基礎方法，包括剝離、電鍍、干法刻蝕和金屬輔助化學刻蝕，可以滿足多元性、復雜性光學功能結構的生成需求。

4 大面積衍射光學元件集成

大面積DOE可以提高光通量，實現大視場光學系統的精細光場調控，是衍射光學領域一個重要的發展方向。我們將復雜圖形光刻數據處理、混合光刻和高精度圖形轉移基礎方法等核心制造模塊和接近式光學光刻、PECVD等常規加工技術相結合，綜合考慮了襯基材料和厚度、機械傳輸手、光刻膠處理（前后烘溫度、時間、均勻性、制冷方式和時間、顯影液類型和濃度、顯影時間和溫度等）、化學清洗和腐蝕等加工敏感參數對圖形定位精度、面形精度和表面粗糙度等性能參數的影響，建立了相應的工藝控制規范，集成了系列大面積DOE，覆蓋可見光到硬X射線波段。

4.1 深紫外波段衍射光學元件集成

圖5（a）是集成研制的直徑為140 mm的深紫外波段透射式位相型DOE，采用標準的6025光刻掩模熔石英襯基。圖5（b）是其中心位置光學結構的三維輪廓，圖5（c）～5（e）是采用原子力顯微鏡測試的邊緣位置光學結構，最外環寬度達到300 nm。我們還采用集成電路光刻掩模定位測量系統（LMS IPRO2）對大面積DOE的光學結構位置誤差進行了定位表征，結果如圖5（f）所示，虛線表示的是設計位置，實線表示的是測量位置。在圖形內選擇150個點進行測量，X方向平均定位誤差為14 nm，Y方向平均定位誤差為232 nm，均在光刻掩模標準允許誤差范圍內，誤差來源為長時間、長行程的工件臺拼接和光刻膠處理、刻蝕過程等高溫工藝引起的誤差。圖5（g）是采用ZYGO干涉儀獲取的透射式面形測試結果，PV值為0.287λ，優于標準193 nm光刻掩模的面形PV值（約1.5λ）。深紫外波段DOE已經應用于我國首臺90/28 nm光學光刻機的鏡頭測試。

圖5 六英寸深紫外波段透射式位相型DOE。（a）實物圖；（b）中心位置光學結構；（c～e）邊緣位置光學結構；（f）定位精度；（g）面形精度Fig.5 Six inch phase-type DUV transmission DOE.（a）Fabricated DOE；（b）Optical structures at central location；（c-e）Optical structures at various edge locations；（f）Position accuracy；（g）Surface flatness

4.2 極紫外波段衍射光學元件集成

圖6（a）是集成研制的142 mm×142 mm極紫外波段反射式振幅型DOE，采用具有極低熱膨脹系數的6025 Mo/Si多層膜襯基［32］。在多層膜襯基表面采用離子束方法淀積了100 nm厚的Cr薄膜后，在20.1萬倍的掃描電鏡下觀測了Cr薄膜表面形貌，發現Cr薄膜顆粒形貌呈柱狀分布，如圖6（b）所示，這不同于傳統的細絲狀分布。隨機選取3個位置采用原子力顯微鏡測試表面粗糙度，Cr薄膜均方根粗糙度均小于1 nm，如圖6（c）所示。圖6（d）是在國家同步輻射實驗室計量線站獲取的多層膜反射率測試結果，13.5 nm波長處的反射率達到68.6%，接近69.5%的理論極限［33］。圖6（e）～6（f）是Cr光學結構的平面和剖面掃描電鏡測試結果。極紫外反射式光柵設計線寬為88 nm，設計周期為176 nm。實測線寬為87.25 nm，實測周期為174.5 nm。極紫外波段DOE已經應用于我國首臺32/22 nm節點EUV投影光刻原型裝置和空間探測EUV地面定標系統。

圖6 六英寸極紫外波段反射式振幅型DOE。（a）實物圖；（b）Cr薄膜表面形貌掃描電鏡測試；（c）三個位置的Cr薄膜表面粗糙度；（d）多層膜反射率；（e～f）平面及剖面掃描電鏡測試Fig.6 Six inch amplitude-type EUV reflective DOE.（a）Fabricated DOE；（b）Surface SEM image of Cr film；（c）AFM characterization exhibiting surface roughness at three different locations；（d）Reflectivity verus wavelength plot for Mo/Simultilayer；（e-f）Surface and cross-sectional SEM images of the fabricated DOE

4.3 軟X射線波段衍射光學元件集成

圖7是集成研制的直徑為70 mm的軟X射線波段透射式DOE。集成電路商用PECVD設備的淀積溫度為400℃，導致生長的無定形SiC自支撐薄膜口徑、熱學、機械和抗輻射等性能不滿足惡劣輻射環境的應用需求。我們自制了雙腔立式、高真空1 000℃非商用PECVD設備［34］，研究了淀積參數和退火度對SiC（100）多晶薄膜微結構、機械和光學性能的作用規律。在自支撐SiC襯基研制的基礎上，采用Au電鍍的圖形轉移方法集成制造了軟X射線波段透射式DOE，如圖7（a）所示。圖7（b）～7（c）是Au光學結構的掃描電鏡測試結果，其中的厚金加強筋結構采用接近式光學套刻和電鍍的方法制備，以防止Au光學結構倒塌，從而實現完全鏤空。軟X射線波段DOE已經應用于我國“神光”系列激光聚變等離子體診斷系統。

圖7 Au電鍍的圖像轉移法集成制造的4英寸軟X射線波段透射式DOEFig.7 Four inch soft X-ray transmission DOE fabricated by free-standing gold transmission grating supported by Au grid structures

4.4 硬X射線波段衍射光學元件集成

圖8（a）是集成研制的硬X射線波段高面形反射式DOE。圖8（b）～8（c）是Au光學結構的掃描電鏡測試結果。圖8（d）是采用原子力顯微鏡隨機測試的Au光學結構和襯基表面粗糙度，均方根粗糙度分別1.31 nm和1.40 nm。圖8（e）是面形測試結果，3個光柵區域的面形精度PV值分別為0.06λ，0.07λ和0.03λ。該面形結果遠優于深紫外波段DOE，主要原因在于精拋光過程中硅襯基材料的光滑度和加工面形控制難度比熔融石英/極低膨脹玻璃基板小。硬X射線波段DOE已經應用于我國同步輻射X射線光學元件標定平臺上。

圖8 硬X射線波段反射式DOE。（a）實物圖；（b～c）平面掃描電鏡測試結果；（d）原子力表征結果；（e）面形Fig.8 Hard X-ray reflective DOE.（a）the fabricated DOE；（b-c）SEM images of gold strip gratings；（d）AFM characterization；（e）Surface flatness of the fabricated DOE

5 總結與展望

針對DOE高精度、多功能和大面積的發展趨勢，本課題組建立復雜結構DOE成套制造技術，實現入射電磁波的精確操控，不僅是當前衍射光學研究發展的前沿和熱點，也是DOE產業發展的主要瓶頸。

近年來，在兼容標準CMOS工藝的約束條件下，我們自主研發了復雜圖形光刻數據處理體系，實現了DOE設計指標到可制造的GDSII數據的高保真轉換。發展了基于電子束與光子束的混合光刻方法，同時兼顧了高精度和大面積的復雜圖形生成。進一步提出了剝離、電鍍、干法刻蝕和金屬輔助化學刻蝕4種圖形轉移基礎方法，可以滿足可見光到硬X射線DOE的光學功能結構生成需求。基于上述關鍵制造技術，在熔石英、多層膜、SiC自支撐薄膜、高面形硅片等襯基上大面積集成了系列DOE，覆蓋可見光到硬X射線波段，應用于先進光刻、同步輻射、激光聚變和天文觀測等多項國家重大工程［35］及超過1 000家國內外高等院校、科研院所和高新企業。該成套制造技術還拓展應用于超表面、MEMS等器件［36-37］。然而，國內在DOE成套制造量產技術方面與國外仍然具有很大差距。德國卡爾蔡司公司生產的深紫外和極紫外波段DOE已經批量應用于193 nm/EUV步進掃描投影光刻機。麻省理工學院空間納米技術實驗室生產的100 nm分辨率硬X射線光柵數量已經達到數萬塊，僅Lynx光柵光譜儀攜帶的大面積硬X射線光柵數量就達到2 000塊［38］。

種類繁多、功能多樣化及應用范圍廣泛的DOE制造仍然面臨著提高性能、降低成本和提高成品率等挑戰。一方面，設計工藝協同優化（Design Technology Co-optimization，DTCO）是當前標準CMOS工藝的前沿方向，未來需要將DTCO方法引入DOE制造。在DOE制造層面，從襯基材料、圖形生成和結構轉移等角度建立可重復使用的制造模塊，提供限定設計規則和壞點圖形庫。在DOE設計層面，建立包括衍射效率、分辨率、面積和成本等因素在內的評價函數，對輸入面進行相位恢復，并輸出可制造的二值化離散化數據，實現設計與制造的協同優化。另一方面，近年來，多種新型納米加工方法被提出，但是，如何從兼容標準CMOS工藝角度實現納米級圖形生成、縱向與橫向結構轉移的精確控制，突破DOE集成制造和檢測瓶頸還需要進一步研究，尤其是大場區、高分辨、低成本的HVM光刻技術、檢測方法及裝備。這些技術問題的解決，不僅能夠提高DOE的整體性能和降低成本，也會為超表面、微納光電子、MEMS/NEMS等器件的HVM生產提供支持。

致 謝：Mo/Si多層膜襯基由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所金春水提供，多層膜反射率測試得到了國家同步輻射實驗室計量線站周洪軍和霍同林的幫助，面形測試得到了北京理工大學劉克的幫助，先進光刻機DOE設計及應用得到了長春國科精密光學技術有限公司周連生等人的幫助，X射線DOE設計及應用得到了深圳技術大學曹磊峰、中物院激光聚變中心魏來等人的幫助。DOE的集成制造由中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室朱效立、李海亮、華一磊、牛潔斌等30多名員工和研究生共同完成。