衍射光學(xué)元件成套制造技術(shù)研究進(jìn)展

謝常青

（中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所 微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

1 引 言

衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements，DOE）是基于光波衍射理論，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)獲取二值化的離散數(shù)據(jù)，利用微納加工技術(shù)制造出的兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階的相位/振幅光學(xué)元件［1］。1964年，基于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的集成電路光刻掩模制造設(shè)備（IBM 7094計(jì)算機(jī)和Calcomp繪圖儀），IBM工程師Lohmann研制出世界上第一塊計(jì)算機(jī)全息圖［2］，并且指出“平面光學(xué)的優(yōu)勢(shì)是用輕量化的元件取代笨重而復(fù)雜的長(zhǎng)焦鏡頭”［3］。1987年，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室Veldkamp研究組在設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)中，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝中的光刻掩模制造技術(shù)引入DOE制作，并提出了“二元光學(xué)”概念［4］。隨后，DOE成為現(xiàn)代光學(xué)、計(jì)算機(jī)與集成電路技術(shù)等領(lǐng)域的新興交叉學(xué)科，加快了現(xiàn)代光學(xué)儀器設(shè)備小型化、輕量化和集成化進(jìn)程。近年來，隨著集成電路裝備、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，DOE在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用需求增長(zhǎng)迅速，逐漸成為引領(lǐng)集成電路裝備和光學(xué)儀器兩大產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心元器件。

通過在微納米尺度上對(duì)紅外線、可見光、紫外、極紫外、軟X射線乃至硬X射線光波進(jìn)行波前精確調(diào)控，DOE將衍射光波集中到設(shè)定的衍射級(jí)次上，從而實(shí)現(xiàn)成像、色散、均勻化、準(zhǔn)直、聚焦和任意設(shè)定波前等光學(xué)功能。DOE具有精度高、質(zhì)量輕、緊湊、設(shè)計(jì)自由度大、色散特性獨(dú)特和易于校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光通信、微光機(jī)電系統(tǒng)、傳感測(cè)量等領(lǐng)域［5］以及先進(jìn)光刻、同步輻射、激光聚變和X射線天文學(xué)4大光學(xué)工程［6-7］。特別地，DOE的研究進(jìn)展與先進(jìn)光刻機(jī)的進(jìn)展相輔相成，DOE的精度依賴于先進(jìn)光刻機(jī)水平，DOE的精度提高在先進(jìn)光刻機(jī)的發(fā)展中一直發(fā)揮著決定性的作用［3］。DOE已經(jīng)廣泛應(yīng)用于第四代光刻機(jī)（193 nm步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)）和第五代光刻機(jī)（極紫外步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)），包括激光帶寬壓縮、光束整形、離軸照明、非球面高精度檢測(cè)、調(diào)焦和套刻控制、工件臺(tái)位移超精密控制、計(jì)量學(xué)等重要環(huán)節(jié)［3，8-10］。193 nm光刻掩模本質(zhì)上就是一種基于熔石英襯基的“零缺陷”（圖形區(qū)中大于50 nm的缺陷數(shù)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(qū)中大于20 nm的缺陷數(shù)量為0）反射式DOE［3，11］。

一方面，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)引入微納光學(xué)結(jié)構(gòu)制造是衍射光學(xué)學(xué)科發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然選擇［12］。以高量產(chǎn)（High Volume Manufacturing，HVM）、高精度、高成品率為顯著特征的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝是集成電路生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)和基本前提，也是集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)持續(xù)縮微的核心驅(qū)動(dòng)力。2019年，數(shù)值孔徑為0.33的極紫外步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)投入集成電路量產(chǎn)，其極限分辨率達(dá)13 nm，12英寸硅片的曝光產(chǎn)率達(dá)到170片/小時(shí)?；跇O紫外投影光刻等上千道加工工序的高可靠集成技術(shù)，iPhone手機(jī)芯片以及人工智能處理器的性能不斷提高，摩爾定律已經(jīng)延續(xù)到7 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的金屬半周期為14 nm，單芯片容納的晶體管數(shù)量超過100億［13］。預(yù)計(jì)到2033年，數(shù)值孔徑為0.55或更高的極紫外步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)將投入1 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)集成電路量產(chǎn)，對(duì)應(yīng)的金屬半周期為7 nm［14］。

另一方面，標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)并不能直接應(yīng)用于定制化、小批量DOE制造，其原因是DOE產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多樣，不同波段DOE對(duì)制造技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)CMOS制造技術(shù)采用薄膠工藝，難以直接實(shí)現(xiàn)熔石英、Au等光學(xué)功能層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移；高端光學(xué)光刻機(jī)曝光場(chǎng)區(qū)面積較小，難以滿足更大面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)DOE圖形生成要求，如極紫外步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)在硅片面上的最大曝光場(chǎng)區(qū)面積為26 mm×33 mm；復(fù)雜結(jié)構(gòu)DOE的GDSII（Geometry Data Standard II的簡(jiǎn)寫）數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)高于集成電路，難以采用標(biāo)準(zhǔn)版圖單元庫(kù)；標(biāo)準(zhǔn)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(jià)格昂貴，其加工對(duì)象為結(jié)構(gòu)圖形相對(duì)簡(jiǎn)單、高度標(biāo)準(zhǔn)化、大批量（可達(dá)數(shù)十億顆）的硅基集成電路，不適合中小批量的元器件生產(chǎn)。目前，極紫外步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)價(jià)格超過1.2億歐元/臺(tái)，僅為英特爾、中國(guó)臺(tái)積電和三星三家公司所擁有。如何在兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制復(fù)雜性、多樣性的光學(xué)功能結(jié)構(gòu)，集成制造出設(shè)定光學(xué)功能的DOE，一直是跨微納尺度制造領(lǐng)域的核心科學(xué)問題［15］。

近年來，國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究工作取得了較快發(fā)展?；贖SQ光刻膠，麻省理工學(xué)院的電子束光刻孤立線線寬達(dá)到2 nm，半周期達(dá)到5 nm［16］。利用兩次電子束套刻技術(shù)，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制了12 nm分辨率Au X射線波帶片（對(duì)應(yīng)高寬比2.5∶1）［17］。俄羅斯科學(xué)院圖像處理系統(tǒng)研究所建設(shè)了DOE專用研發(fā)線［18］。斯坦福大學(xué)報(bào)道了線寬100 nm、高寬比達(dá)140∶1的硅基衍射光學(xué)元件研制結(jié)果［19］。瑞典皇家理工學(xué)院研制了分辨率為30 nm、高寬比達(dá)30∶1的Pd/Si波帶片［20］。陳宜方課題組報(bào)道了最外環(huán)寬度分別為100 nm（對(duì)應(yīng)高寬比為16∶1），50 nm（對(duì)應(yīng)高寬比為6∶1），30 nm（對(duì)應(yīng)高寬比為7∶1）的X射線波帶片，20～300 nm分辨率板的研制結(jié)果［7，21］。結(jié)合HSQ電子束光刻和低溫電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，段輝高課題組研制了亞10 nm硅納米管，對(duì)應(yīng)周期為100 nm，高度達(dá)390 nm［22］，逼近了硅納米結(jié)構(gòu)的加工極限。最近，采用HSQ光刻膠，該課題組還報(bào)道了亞5 nm單個(gè)重離子光刻技術(shù)［23］。

1995年，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所在國(guó)內(nèi)首次建立了0.8μm CMOS成套工藝技術(shù)體系，并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，這標(biāo)志著我國(guó)集成電路技術(shù)水平首次進(jìn)入亞微米時(shí)代［24］。在此基礎(chǔ)上，我們將0.8 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝成果導(dǎo)入DOE制造，報(bào)道了0.5μm分辨率（1000線對(duì)/mm）的X射線DOE研制結(jié)果［25］。之后，提出了混合光刻制作微納金屬光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)，研制了0.1μm分辨率（5000線對(duì)/mm）的X射線光柵［26-27］。然而，DOE制造技術(shù)仍然面臨三個(gè)方面的挑戰(zhàn)：（1）單一的光刻方法難以同時(shí)滿足DOE的高精度和大面積圖形生成需求；（2）單一的圖形轉(zhuǎn)移方法難以滿足DOE的多元性、復(fù)雜性光學(xué)功能結(jié)構(gòu)生成需求；（3）大面積DOE的高可靠集成。針對(duì)DOE復(fù)雜圖形數(shù)據(jù)處理、多元化襯基、跨微納尺度、高深寬比（結(jié)構(gòu)厚度與最小特征尺寸之比）和高保真等問題，本文在兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的約束條件下，對(duì)DOE成套制造技術(shù)路徑進(jìn)行了系統(tǒng)研究，總結(jié)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(shù)的研究成果，并對(duì)降低成本和提高成品率的技術(shù)方案進(jìn)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(fā)展的整個(gè)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(yán)格；多功能指可實(shí)現(xiàn)多元化襯基、高保真、高深寬比、高面形的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)制造；大面積指DOE的光學(xué)功能結(jié)構(gòu)面積大。不同應(yīng)用波段和應(yīng)用場(chǎng)景的DOE對(duì)襯基材料、特征尺寸、高寬比和臺(tái)階數(shù)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(yīng)用場(chǎng)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(shù)的核心是如何按照設(shè)計(jì)者的意圖高精度生成光刻膠圖形，進(jìn)而精確地在功能層材料上高保真復(fù)制出與光刻膠圖形一樣的功能層結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)定的高寬比。顯然，實(shí)現(xiàn)高性能DOE的關(guān)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(fù)雜關(guān)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(shù)非常小（與入射波長(zhǎng)的三次方成正比）。這種迥異于可見光光學(xué)性質(zhì)的相移吸收二元屬性（相位伴隨強(qiáng)度衰減而發(fā)生改變）對(duì)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(shù)金屬光學(xué)結(jié)構(gòu)，并耐受極其惡劣的輻射運(yùn)行環(huán)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(shù)體系，如圖1所示。建立了復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理方法，將衍射光學(xué)設(shè)計(jì)者意圖轉(zhuǎn)換為集成電路光刻掩模設(shè)備所識(shí)別的GDSII數(shù)據(jù)格式。提出了混合光刻圖形生成方法，將GDSII數(shù)據(jù)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(xué)刻蝕）兩種類型的高精度圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)方法，將光刻膠功能圖形高保真?zhèn)鬟f到襯基表面上的功能層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波前的光場(chǎng)調(diào)控。結(jié)合接近式光學(xué)光刻、濺射、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）等傳統(tǒng)加工技術(shù)，高可靠集成制造出DOE，最后進(jìn)行檢測(cè)、劃片、清洗和封裝。該DOE成套制造體系兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，加工精度、可靠性和成品率可以隨著光學(xué)掩模制造技術(shù)的進(jìn)步而提升。

圖1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)DOE成套制造技術(shù)原理Fig.1 Schematic diagram of complete manufacturing technology for DOE with complex structures

3 跨微納尺度復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)制造

針對(duì)可見光到硬X射線波段的DOE制造需求，需要在復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理、先進(jìn)光刻圖形生成和復(fù)雜圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)方法等方面開展關(guān)鍵技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)功能化的跨微納尺度復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)。

3.1 復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理體系

復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理是DOE從設(shè)計(jì)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(fù)雜度通常不高且有一定規(guī)律，對(duì)應(yīng)的GDSII數(shù)據(jù)量通常為0.1～100 Mbit。DOE的核心面積可達(dá)數(shù)萬平方毫米，其GDSII數(shù)據(jù)量比常規(guī)集成電路的GDSII數(shù)據(jù)量高2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，基于圓弧和任意函數(shù)曲線的復(fù)雜位置編碼無法使用集成電路版圖編輯與標(biāo)準(zhǔn)版圖單元庫(kù)［29］。為此，我們開發(fā)了復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)加權(quán)構(gòu)成的空間位置編碼微光刻數(shù)據(jù)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(shù)、VC編程工具和Python軟件，建立了DOE布局文件的層次結(jié)構(gòu)和繼承關(guān)系，自動(dòng)生成由復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)加權(quán)構(gòu)成的復(fù)雜空間位置編碼。在兼容商用集成電路版圖設(shè)計(jì)軟件的前提下，高保真實(shí)現(xiàn)了DOE設(shè)計(jì)與制造的無縫連接。

圖2給出了一個(gè)典型的復(fù)雜圖形微光刻數(shù)據(jù)處理例子。圖2（a）是待制造的本實(shí)驗(yàn)室徽標(biāo)?；谧灾频腖-Edit軟件宏文件，對(duì)徽標(biāo)圖形進(jìn)行二值化處理，自動(dòng)獲取了GDSII數(shù)據(jù)，如圖2（b）所示。圖2（c）是對(duì)圖2（b）的GDSII數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理后獲取的制造數(shù)據(jù)，圖2（d）是根據(jù)圖2（c）提供的制造數(shù)據(jù)完成的光刻圖形，徽標(biāo)圖形直徑為8.5μm，針尖精度優(yōu)于2 nm，表明GDSII數(shù)據(jù)的柵格參數(shù)設(shè)置為2 nm時(shí)，設(shè)計(jì)者意圖仍然可以體現(xiàn)在光刻膠圖形上。

圖2 高精度復(fù)雜圖形微光刻數(shù)據(jù)處理Fig.2 High-precision microlithography data processing for complex structures

3.2 先進(jìn)光刻圖形生成

圖形生成是集成電路制造最核心的環(huán)節(jié)，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(shí)，圖形生成還是DOE制造中技術(shù)難度最大、成本最高的環(huán)節(jié)。我們將集成電路光刻掩模制造技術(shù)拓展應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jù)不同的圖形特征尺寸，采用不同類型的光刻技術(shù)，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(yīng)影響，并同步生成套刻標(biāo)記圖形，以便于后續(xù)光刻套準(zhǔn)識(shí)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(jī)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(shí)），僅適用于100 nm以下復(fù)雜DOE圖形的生成?？勺兙匦问唇与娮邮饪淌钱?dāng)前45 nm節(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)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(shí)），為此用于小批量深亞微米復(fù)雜DOE圖形生成。對(duì)于大批量深亞微米復(fù)雜DOE圖形生成，則采用248 nm步進(jìn)投影光刻機(jī)（約80片/小時(shí)）。圖3（a）給出了極限分辨率光刻實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過采用冷顯影（2°C）的方法，光刻極限分辨率達(dá)到了6 nm，對(duì)應(yīng)的光刻膠厚度為70 nm。圖3（b）是復(fù)雜圖形的設(shè)計(jì)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(cè)試結(jié)果。

圖3 亞10 nm分辨率和復(fù)雜圖形光刻實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of sub-10 nm lithography and generation of complex pattern

3.3 復(fù)雜圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)方法

圖形轉(zhuǎn)移的質(zhì)量（功能層結(jié)構(gòu)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(shù)采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕硅、金屬和介質(zhì)，采用大馬士革鑲嵌工藝進(jìn)行銅布線，III-V族化合物半導(dǎo)體集成電路加工技術(shù)則采用蒸發(fā)剝離制造源極、漏極和柵極?；谶@一思路，針對(duì)復(fù)雜DOE不同高寬比和高保真圖形轉(zhuǎn)移的需求，我們發(fā)展了加法和減法兩種類型，4種圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)技術(shù)，如圖4所示。加法技術(shù)包括蒸發(fā)剝離和金屬電鍍圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)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(fā)所需的金屬，用濕法同時(shí)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(shù)，降低電鍍液的表面張力，實(shí)現(xiàn)側(cè)壁形貌與光刻膠模板具有高度一致性的圖形轉(zhuǎn)移，制作出來的金屬結(jié)構(gòu)和光刻膠模板具有相同的高度，如圖4（b）所示。減法技術(shù)包括多層干法刻蝕和低溫金屬輔助化學(xué)刻蝕圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)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(tái)階結(jié)構(gòu)，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(xué)結(jié)構(gòu)是DOE應(yīng)用于硬X射線波段的主要技術(shù)瓶頸，挑戰(zhàn)微納加工技術(shù)的極限。我們提出了側(cè)墻轉(zhuǎn)移金屬輔助化學(xué)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(jié)構(gòu)，基于提出的低溫金屬輔助化學(xué)刻蝕方法加工豎直硅納米結(jié)構(gòu)［30-31］，在硅納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面上的氧化物和硅納米結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)高于傳統(tǒng)干法刻蝕的側(cè)墻氧化物納米結(jié)構(gòu)，用于形成硬X射線波段透射型DOE功能層結(jié)構(gòu)。

圖4最后一行給出了蒸發(fā)剝離、金屬電鍍、多層干法刻蝕和側(cè)墻轉(zhuǎn)移金屬輔助化學(xué)刻蝕方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，蒸發(fā)剝離的L型金屬結(jié)構(gòu)分辨率達(dá)30 nm，高寬比為1∶1，如圖4（a）所示。Au結(jié)構(gòu)線寬為25 nm，厚度為300 nm，對(duì)應(yīng)高寬比為12∶1，如圖4（b）所示。多層干法刻蝕完成8臺(tái)階可見光DOE的制造，其三維光學(xué)表面輪廓如圖4（c）所示。側(cè)墻轉(zhuǎn)移金屬輔助化學(xué)刻蝕法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4（d）所示，Al2O3納米管線寬為30 nm，厚度為15μm，對(duì)應(yīng)高寬比達(dá)500∶1。

圖4 加法（a和b）和減法（c和d）圖形轉(zhuǎn)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(xué)結(jié)構(gòu)制造方案

不同應(yīng)用波段和應(yīng)用場(chǎng)景的DOE制造通常需要采用不同的技術(shù)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(duì)較低，部分應(yīng)用場(chǎng)景需要采用多臺(tái)階結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)刻蝕的圖形轉(zhuǎn)移方法。

自主研發(fā)的復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理體系兼容集成電路商用版圖軟件，將DOE設(shè)計(jì)指標(biāo)高保真轉(zhuǎn)換成可制造的GDSII數(shù)據(jù)?；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(shù)難以同時(shí)兼顧高精度和大面積圖形生成的技術(shù)難題?；诩臃ê蜏p法技術(shù)的4種圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)方法，包括剝離、電鍍、干法刻蝕和金屬輔助化學(xué)刻蝕，可以滿足多元性、復(fù)雜性光學(xué)功能結(jié)構(gòu)的生成需求。

4 大面積衍射光學(xué)元件集成

大面積DOE可以提高光通量，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)的精細(xì)光場(chǎng)調(diào)控，是衍射光學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。我們將復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理、混合光刻和高精度圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)方法等核心制造模塊和接近式光學(xué)光刻、PECVD等常規(guī)加工技術(shù)相結(jié)合，綜合考慮了襯基材料和厚度、機(jī)械傳輸手、光刻膠處理（前后烘溫度、時(shí)間、均勻性、制冷方式和時(shí)間、顯影液類型和濃度、顯影時(shí)間和溫度等）、化學(xué)清洗和腐蝕等加工敏感參數(shù)對(duì)圖形定位精度、面形精度和表面粗糙度等性能參數(shù)的影響，建立了相應(yīng)的工藝控制規(guī)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)的6025光刻掩模熔石英襯基。圖5（b）是其中心位置光學(xué)結(jié)構(gòu)的三維輪廓，圖5（c）～5（e）是采用原子力顯微鏡測(cè)試的邊緣位置光學(xué)結(jié)構(gòu)，最外環(huán)寬度達(dá)到300 nm。我們還采用集成電路光刻掩模定位測(cè)量系統(tǒng)（LMS IPRO2）對(duì)大面積DOE的光學(xué)結(jié)構(gòu)位置誤差進(jìn)行了定位表征，結(jié)果如圖5（f）所示，虛線表示的是設(shè)計(jì)位置，實(shí)線表示的是測(cè)量位置。在圖形內(nèi)選擇150個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(biāo)準(zhǔn)允許誤差范圍內(nèi)，誤差來源為長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)行程的工件臺(tái)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(cè)試結(jié)果，PV值為0.287λ，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)193 nm光刻掩模的面形PV值（約1.5λ）。深紫外波段DOE已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)首臺(tái)90/28 nm光學(xué)光刻機(jī)的鏡頭測(cè)試。

圖5 六英寸深紫外波段透射式位相型DOE。（a）實(shí)物圖；（b）中心位置光學(xué)結(jié)構(gòu)；（c～e）邊緣位置光學(xué)結(jié)構(gòu)；（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(xué)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(shù)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(cè)了Cr薄膜表面形貌，發(fā)現(xiàn)Cr薄膜顆粒形貌呈柱狀分布，如圖6（b）所示，這不同于傳統(tǒng)的細(xì)絲狀分布。隨機(jī)選取3個(gè)位置采用原子力顯微鏡測(cè)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(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室計(jì)量線站獲取的多層膜反射率測(cè)試結(jié)果，13.5 nm波長(zhǎng)處的反射率達(dá)到68.6%，接近69.5%的理論極限［33］。圖6（e）～6（f）是Cr光學(xué)結(jié)構(gòu)的平面和剖面掃描電鏡測(cè)試結(jié)果。極紫外反射式光柵設(shè)計(jì)線寬為88 nm，設(shè)計(jì)周期為176 nm。實(shí)測(cè)線寬為87.25 nm，實(shí)測(cè)周期為174.5 nm。極紫外波段DOE已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)首臺(tái)32/22 nm節(jié)點(diǎn)EUV投影光刻原型裝置和空間探測(cè)EUV地面定標(biāo)系統(tǒng)。

圖6 六英寸極紫外波段反射式振幅型DOE。（a）實(shí)物圖；（b）Cr薄膜表面形貌掃描電鏡測(cè)試；（c）三個(gè)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(cè)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(xué)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(shè)備的淀積溫度為400℃，導(dǎo)致生長(zhǎng)的無定形SiC自支撐薄膜口徑、熱學(xué)、機(jī)械和抗輻射等性能不滿足惡劣輻射環(huán)境的應(yīng)用需求。我們自制了雙腔立式、高真空1 000℃非商用PECVD設(shè)備［34］，研究了淀積參數(shù)和退火度對(duì)SiC（100）多晶薄膜微結(jié)構(gòu)、機(jī)械和光學(xué)性能的作用規(guī)律。在自支撐SiC襯基研制的基礎(chǔ)上，采用Au電鍍的圖形轉(zhuǎn)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(xué)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果，其中的厚金加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)采用接近式光學(xué)套刻和電鍍的方法制備，以防止Au光學(xué)結(jié)構(gòu)倒塌，從而實(shí)現(xiàn)完全鏤空。軟X射線波段DOE已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)“神光”系列激光聚變等離子體診斷系統(tǒng)。

圖7 Au電鍍的圖像轉(zhuǎn)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(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果。圖8（d）是采用原子力顯微鏡隨機(jī)測(cè)試的Au光學(xué)結(jié)構(gòu)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(cè)試結(jié)果，3個(gè)光柵區(qū)域的面形精度PV值分別為0.06λ，0.07λ和0.03λ。該面形結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)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(jīng)應(yīng)用于我國(guó)同步輻射X射線光學(xué)元件標(biāo)定平臺(tái)上。

圖8 硬X射線波段反射式DOE。（a）實(shí)物圖；（b～c）平面掃描電鏡測(cè)試結(jié)果；（d）原子力表征結(jié)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(jié)與展望

針對(duì)DOE高精度、多功能和大面積的發(fā)展趨勢(shì)，本課題組建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)DOE成套制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)入射電磁波的精確操控，不僅是當(dāng)前衍射光學(xué)研究發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)，也是DOE產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

近年來，在兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的約束條件下，我們自主研發(fā)了復(fù)雜圖形光刻數(shù)據(jù)處理體系，實(shí)現(xiàn)了DOE設(shè)計(jì)指標(biāo)到可制造的GDSII數(shù)據(jù)的高保真轉(zhuǎn)換。發(fā)展了基于電子束與光子束的混合光刻方法，同時(shí)兼顧了高精度和大面積的復(fù)雜圖形生成。進(jìn)一步提出了剝離、電鍍、干法刻蝕和金屬輔助化學(xué)刻蝕4種圖形轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)方法，可以滿足可見光到硬X射線DOE的光學(xué)功能結(jié)構(gòu)生成需求。基于上述關(guān)鍵制造技術(shù)，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(yīng)用于先進(jìn)光刻、同步輻射、激光聚變和天文觀測(cè)等多項(xiàng)國(guó)家重大工程［35］及超過1 000家國(guó)內(nèi)外高等院校、科研院所和高新企業(yè)。該成套制造技術(shù)還拓展應(yīng)用于超表面、MEMS等器件［36-37］。然而，國(guó)內(nèi)在DOE成套制造量產(chǎn)技術(shù)方面與國(guó)外仍然具有很大差距。德國(guó)卡爾蔡司公司生產(chǎn)的深紫外和極紫外波段DOE已經(jīng)批量應(yīng)用于193 nm/EUV步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)。麻省理工學(xué)院空間納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的100 nm分辨率硬X射線光柵數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬塊，僅Lynx光柵光譜儀攜帶的大面積硬X射線光柵數(shù)量就達(dá)到2 000塊［38］。

種類繁多、功能多樣化及應(yīng)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(zhàn)。一方面，設(shè)計(jì)工藝協(xié)同優(yōu)化（Design Technology Co-optimization，DTCO）是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移等角度建立可重復(fù)使用的制造模塊，提供限定設(shè)計(jì)規(guī)則和壞點(diǎn)圖形庫(kù)。在DOE設(shè)計(jì)層面，建立包括衍射效率、分辨率、面積和成本等因素在內(nèi)的評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)輸入面進(jìn)行相位恢復(fù)，并輸出可制造的二值化離散化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝角度實(shí)現(xiàn)納米級(jí)圖形生成、縱向與橫向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的精確控制，突破DOE集成制造和檢測(cè)瓶頸還需要進(jìn)一步研究，尤其是大場(chǎng)區(qū)、高分辨、低成本的HVM光刻技術(shù)、檢測(cè)方法及裝備。這些技術(shù)問題的解決，不僅能夠提高DOE的整體性能和降低成本，也會(huì)為超表面、微納光電子、MEMS/NEMS等器件的HVM生產(chǎn)提供支持。

致 謝：Mo/Si多層膜襯基由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所金春水提供，多層膜反射率測(cè)試得到了國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室計(jì)量線站周洪軍和霍同林的幫助，面形測(cè)試得到了北京理工大學(xué)劉克的幫助，先進(jìn)光刻機(jī)DOE設(shè)計(jì)及應(yīng)用得到了長(zhǎng)春國(guó)科精密光學(xué)技術(shù)有限公司周連生等人的幫助，X射線DOE設(shè)計(jì)及應(yīng)用得到了深圳技術(shù)大學(xué)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(guó)科學(xué)院微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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。