基于DMD的全息光刻系统设计

付伟平，李　静

(中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)



基于DMD的全息光刻系统设计

付伟平，李静

(中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027)

设计搭建了一套基于DMD(Digital Micro-mirror Derice)的全息光刻系统，它包括光路和软件部分。在软件设计中，采用MATLAB语言编制基于博奇编码的计算全息图，以二维灰度光栅为例，对其进行了计算全息的设计和模拟再现，并通过实验再现了二维灰度光栅图案，验证了设计的合理性和可靠性。

全息光刻；DMD；MATLAB

光刻技术是引领微电子发展的核心技术之一，一直是人们关注的焦点。全息光刻是近年来迅速发展的一种光刻技术。全息光刻具有不受像场和分辨率的限制，不会直接作用衬底，无需真空环境，记录速度快等诸多优点[1-2]。

空间光调制器DMD具有较高的分辨率、较宽的响应范围以及极快的响应速率。在全息光刻技术中，通过计算机将全息图加载到DMD上可构建复杂图案，实现数字光刻。本文以DMD为核心设计和搭建了一套全息光刻系统，该系统包括光路和软件部分。其中软件部分主要用于计算全息图的设计，是系统设计的核心。

1　系统光路

本文设计和搭建的基于DMD的全息光刻系统光路如图1所示。紫外激光器发出的光经针孔滤波后，通过透镜L1和L2准直扩束，形成均匀的照明光场照射到DMD上。计算机通过伺服电路将计算全息图加载到DMD上。再现的全息光场通过L3和L4构成的倒置望远镜系统缩小后，经紫外反射镜进入到物镜的入射光瞳中，由物镜聚焦后到达待光刻的基片表面。

图1　基于DMD的全息光刻系统光路

DMD是光路中的核心元件，它由上百万个可偏转的独立微镜构成，每个微镜都可视为一个光开关。微镜下方有CMOS存储单元。输入的电信号通过改写CMOS单元的值来控制微镜的偏转状态。DMD未上电时，微镜处于0°，未发生任何偏转，为平态。DMD上电后微镜会有2个工作稳态，当CMOS的值为1时，微镜偏转12°，为开态；反之，微镜偏转-12°，对应关态。当微镜处于开态时才能点亮对应的像素。像素的灰度等级由数字信号的脉宽控制，脉宽越大，微镜处于开态的时间越久，对应像素的灰度值越大；脉宽越小，微镜处于开态的时间越短，对应像素的灰度值越小。由于微镜排列呈二维阵列结构，DMD对于入射光的调制作用类似于二维梳妆抽样函数对写入函数的空间抽样，空间调制的时间积分效果类似于一个非周期的复杂二维光栅。

基于上述原理，DMD对于全息图的调制可以分为2步：1)对全息图平面抽样；2)对全息图平面进行灰度调制，并对调制出的每一像素的光进行衍射，从而再现原物[3-5]。

2　全息图的设计

计算全息图的编码方式有博奇编码、罗曼编码等[6]。采用不同的编码方式会得到不同的再现效果。由于博奇编码全息再现像质量较高，且运算速度快，在制作二维全息图时优势比较明显，因此，本文选用博奇编码制作计算全息图。在设计博奇编码全息图[7-9]时，应考虑：1)全息图的大小需要和DMD的分辨率相匹配，这样可以提高DMD微镜的利用率和DMD的衍射效率；2)博奇编码再现会出现图像混叠，可将待编码的图像镶嵌到全零矩阵中扩展，实现原始像和共轭像的分离。

本文采用MATLAB语言编制二维灰度光栅的计算全息图，并模拟了再现过程。为了保证再现全息像分离，又和DMD分辨率(使用的DMD分辨率为684×608)相匹配，原图大小设置成684×304，在该区域内绘制2组灰度渐变光栅。将待编码的二维灰度光栅图形扩展一倍(另一半为全零矩阵)，让扩展后的图像乘以随机相位以降低抽样单元透过率的变化范围；然后对其进行快速傅里叶变换，添加参考光波进行编码，获得全息图；对全息图做逆傅里叶变换处理，得到了二维灰度光栅再现像。计算全息图及其模拟再现如图2所示，图2c中左右两边像互为共轭。

图2　计算全息图及其模拟再现

在全息光刻系统上进行实验，经DMD再现的二维灰度光栅如图3所示，可见再现了设计要求的光栅图案。

图3　实验再现的二维灰度光栅

3　结语

本文设计搭建了基于DMD的全息光刻系统，它包括光路和软件部分。在软件设计中，利用MATLAB语言编程，采用博奇编码设计计算全息图。以二维灰度光栅为例，编制了用于DMD再现的计算全息图，并模拟了再现过程。全息光刻系统上的实验实现了二维灰度光栅图案的再现。本文的工作为采用基于DMD的全息光刻系统制作复杂图案提供了保障。

[1] 叶镇,王勇,高占琦,等.基于全息光刻系统制备528 nm周期孔阵图形[J].中国激光，2015,42(8)：288-292.

[2] 陈芬,周亚训.影响全息光刻图形质量的因素[J].半导体学报，2003,24(12)：1335-1339.

[3] 王鹏,张亚萍.基于数字微镜的计算全息再现像质增强[J].激光技术,2013,37(5)：619-621.

[4] 韩超，韦穗.数字微镜器件的全息显示[J].中国激光，2010,37(1)：191-193.

[5] 王巍, 巩马理. 数字微镜器件(DMD)在相干光照明下的空间光调制特性[J].光电技术应用，2007，22(3):32-35.

[6] 虞祖良，金国藩.计算机制全息图[M].北京：北京清华大学出版社,1984.

[7] 赵付丽,章鹤龄.基于Matlab的计算全息图的制作与数字再现的研究[J].应用光学,2009, 30(6):955-956.

[8] 陈蔓丽,狄红卫.傅里叶计算全息图的数字再现及混叠的消除[J].光学技术,2007,32(3)：364-366.

[9] 陈林,许宗保.基于博奇编码离轴全息方法的研究[J].应用光学,2014，35(6)：1005-1006.

责任编辑郑练

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

付伟平(1990-)，男，硕士，主要从事DMD全息再现等方面的研究。

李静

2016-04-28