基于非对称扩散超表面透镜的无透镜监测与均匀照明系统用于光刻技术

《Research》：Asymmetric Diffusion Metasurface-Based Lensless Monitoring and Uniform Illumination Systems for Optical Lithography

　　

长期以来，照明性能（如均匀性）与光学系统复杂性之间的权衡阻碍了紧凑型光刻工具的发展。在此，研究人员通过引入一种支持超表面的无透镜照明系统，克服了这一限制，该系统无缝结合了光均质化和监测功能。利用结合智能优化算法的非对称扩散超表面(ADMs)，研究人员在不依赖传统透镜组件的情况下实现了精确的光场控制和自适应反馈。当部署在自行开发的大视场光刻平台上时，该系统展示了非均匀性低于3%的均匀紫外照明，并成功曝光了一系列特征尺寸的图形。灰度到功率级映射算法(GL-PLMA)能够实时评估紫外发光二极管(UV LEDs)的性能，提供诊断警报和自适应可重构曝光配置以规避故障发射器。超表面光学与算法智能之间的协同作用建立了一种紧凑、低成本且可扩展的光刻照明新范式，为下一代智能制造系统提供了路径。

研究人员针对传统光刻照明系统中均质化单元与监测单元分立导致的系统复杂、体积庞大及成本高昂等问题，提出了一种基于非对称扩散超表面(ADMs)和智能算法的新型无透镜光刻照明系统。该研究旨在通过单片集成的方式，同时实现照明均匀化与实时监测功能，并在自行开发的大视场接近式光刻平台上验证其可行性。研究人员通过在单一平面光学元件中融合光学调控与计算算法，成功实现了高性能的照明控制，相关成果发表在《Research》期刊。

为实现上述目标，研究人员采用了几项关键技术方法：首先，设计了基于双粒子干涉原理的非对称扩散超表面(ADMs)，通过精确控制二元反射金属或介质贴片的厚度及其在衬底内的嵌入深度，实现对反射和透射通道的独立调控；其次，开发了灰度-功率映射算法(GL-PLMA)，用于在监测端建立图像灰度值与发光二极管(LED)功率水平的对应关系，实现实时状态诊断；第三，利用遗传算法(GA)对发光二极管阵列的配置进行全局优化，以满足掩模对准曝光机所需的低于3%的照明非均匀性(INU)要求；最后，在自行开发的晶圆级大视场接近式光刻平台上进行实验验证。

研究结果

系统模型(System model)

研究人员提出了一个集成了监测和均质化的新型光刻照明系统模型。该系统基于宏观无序的非对称扩散超表面(ADMs)，利用遗传算法优化照明配置，并结合灰度-功率映射算法(GL-PLMA)实现实时故障检测，确立了包含基础光源数据库构建、曝光-监测对应关系建立、遗传算法优化及源控制模块执行的四步工作流程。

非对称扩散超表面(Asymmetric diffusion metasurfaces)

研究人员设计并制备了非对称扩散超表面(ADMs)。该结构利用两种基本超原子(meta-atoms)的干涉抑制镜面反射，通过控制贴片厚度(d_g)和嵌入深度(d₁、d₂)，使得透射光束相位差抵消，而反射光束在特定频率下保持π相位差。实验表明，该超表面实现了单向漫反射与正常透射的共存，验证了其在反射侧进行均匀照明和在透射侧进行监测的可行性。

监测：灰度-功率映射算法(Monitoring: Gray-level to power-level mapping algorithm)

研究人员实施了GL-PLMA以实现对紫外发光二极管(UV LEDs)状态的实时监测。通过对采集图像进行预处理、确定发光二极管位置及状态，算法建立了灰度值与功率水平的映射关系。实验验证显示，该系统对发光二极管故障的检测准确率达到100%，并能通过识别故障自动生成等效的均匀照明方案，避免了因单个发光二极管故障导致停机更换整个光源的情况。

基于遗传算法的均匀照明(Uniform illumination based on genetic algorithm)

研究人员利用遗传算法(GA)搜索最优光源配置。通过测量单个发光二极管在不同功率水平下的空间强度分布建立数据库，并将照明非均匀性(INU)定义为适应度函数。仿真结果表明，经过5000代进化后，非均匀性迅速下降至2.25%。在实际运行中，系统能通过预存优化配置应对光源异常，显著降低了响应延迟。

仿真结果(Simulation results)

数值模拟结果显示，遗传算法在520秒内收敛至全局最优解，实现了2.25%的非均匀性。解码后的优化配置给出了具体的发光二极管索引和功率水平分配，仿真光功率分布在探测平面上表现出良好的均匀性，最大辐照度为1344.3 μW/cm²，最小为1285.1 μW/cm²。

实验结果(Experiment results)

实验测试在自行搭建的空间光强采集系统和光刻平台上进行。在10厘米距离下，实验测得的最大辐照度为917.7 μW/cm²，最小为866.8 μW/cm²，非均匀性为2.85%，与仿真结果偏差仅为0.6%。在更长距离（10厘米）的应用场景中，系统仍保持了优异的距离容忍度，即使在偏离标准平面5毫米的情况下，非均匀性最坏情况仍优于96%。能量效率测试表明，随着探测距离从100毫米减小到5毫米，效率有所提升。最终，在光刻实验中成功曝光了从600微米等边三角形到2.5微米线对的多种不同特征尺寸图形，证明了该系统的有效性。

讨论(Discussion)

研究人员在讨论中指出，该系统完全无透镜，并通过无序工程抑制了近场相干干涉，提高了对间隙变化的容忍度。与传统的基于微透镜阵列(MLAs)或光积分棒的系统相比，该方法将复杂性从昂贵的光学硬件转移到计算算法上，具有结构简单、成本低廉的优势。此外，集成的实时监测算法能够准确追踪发光二极管状态，允许在无需立即更换硬件的情况下绕过故障发光二极管，大幅减少了维护成本和停机时间。尽管目前的能量利用效率相对于商业系统仍有提升空间，但通过优化超表面金属层和结构设计、表面涂层以及结合增亮膜等途径有望进一步改善。这项工作展示了一种紧凑、可扩展且经济高效的光刻照明解决方案，为下一代智能制造系统铺平了道路。