论文总字数：29984字

摘 要

随着半导体的特征尺寸日渐饱和，微纳加工技术开始面临越来越多的新挑战，而激光干涉光刻（LIL）技术作为一种无掩模光刻技术，在很多应用方面存在技术优势。与光刻的传统技术相比较，LIL具有光学系统的简易性，除了不需要掩膜外，它还具备成本低、聚焦深度高、单次曝光图案面积大等优点，常应用于微电子和纳米电子等器材中，是近几年来的研究热点。

本文主要围绕激光干涉光刻技术原理及其理论仿真，在深入分析了激光干涉光刻的技术分类及其基本原理的基础上，设计并提出了一种新型的激光干涉光刻系统：双劳埃德镜干涉系统。系统地对设计的激光干涉光刻系统进行理论仿真分析，研究了横向二维干涉光场分布的参数依赖关系，并在此基础上进一步考虑了纵向干涉的驻波效应，最终建立了新型双劳埃德镜激光干涉的物理模型。同时，本论文在此物理模型的基础上成功开发了该干涉光刻系统的仿真应用App，实现了从光刻系统装置和干涉结果的双向演算功能。通过光刻系统参数设置，该仿真App可以得到干涉光场的二维图样（包括周期及其矢量夹角），并演算最大曝光面积；相反，通过干涉图样设计，该仿真App可以通过周期及其矢量夹角反演出光刻系统的参数设置，并演算该干涉图样的最大曝光面积。本论文希望通过该仿真物理模型和仿真App，使物理理论和实验有机结合起来，通过理论指导实验，大大减少不必要的实验探索过程，提高实验效率，为实验装置的搭建和使用提供理论和软件程序支持。

关键词：激光干涉光刻，双劳埃德镜，App开发设计

Abstract

As semiconductor feature sizes become saturated, micro/nano fabrication technology is beginning to face more and more new challenges. Laser interference lithography (LIL) technology, as a maskless lithography technology, has technical advantages in many applications. Compared with the traditional technology lithography, LIL is a simple optical system. Besides no masks, it has the advantages of low cost, high depth of focus, and large single exposure pattern area. It is often used in microelectronics, nano-electronics and other equipments, and has been a hot research field in recent years.

This paper focuses on the principle of laser interference lithography and its theoretical simulation. Based on the in-depth analysis of the technical classification and basic principles of laser interference lithography, a new laser interference lithography system is designed and proposed: double Lloyd’s mirror interference system. The theoretical simulation analysis of the designed laser interference lithography system is carried out systematically. The parameter dependence of the horizontal two-dimensional interferometric light field distribution is studied. Moreover, the standing wave effect of longitudinal interference is further considered. Finally, the physical model of double Lloyd's mirror laser interference system is established.. At the same time, based on this physical model, this paper successfully developed the simulation App of the interference lithography system, and realized the bidirectional calculation function between the lithography system device and the interference result. Through the lithography system parameter setting, the simulation app can obtain a two-dimensional pattern of the interference light field (including the period and its vector angle), and calculate the maximum exposure area; Meanwhile, through the interference pattern design of periods and vector angle, the simulation App can calculate the parameter setting of the lithography system and output the maximum exposure area of ​​the interference pattern. This thesis hopes to combine physical theory and experiment through the simulation physical model and simulation app, and theoretically instruct the experiment to greatly reduce unnecessary experimental exploration process and improve experimental efficiency, finally providing the theory and software support for the construction and use of experimental systems.

KEY WORDS: laser interference lithography, double Lloyd’s mirror, App design

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1光刻技术概述 1

1.2光刻技术的发展趋势、现状与基本类型 2

1.2.1接触式光刻 2

1.2.2光学投影式光刻 3

1.2.3极紫外光刻（EUVL） 3

1.2.4激光干涉光刻 4

1.3激光干涉光刻技术主要类型 4

1.3.1全息光刻 5

1.3.2无掩膜激光干涉光刻 5

1.3.3波前分割法与振幅分割法 6

1.4激光干涉光刻的现有实验系统 6

1.4.1双光束干涉光刻系统 6

1.4.2三光束干涉光刻系统 7

1.5激光干涉光刻技术发展趋势与现状 8

1.6激光干涉光刻技术仿真研究意义 9

第二章 激光干涉光刻技术理论基础 11

2.1干涉光刻的理论基础 11

2.2激光干涉光刻基础理论 13

2.2.1双光束干涉曝光 14

2.2.2三光束干涉曝光 15

2.3驻波效应 16

2.4本章小结 19

第三章 双劳埃德镜激光干涉光刻系统建立及仿真数据分析 20

3.1双劳埃德镜多光束激光干涉光刻系统 20

3.1.1双劳埃德镜下的激光干涉光刻参数分析 21

3.1.2双劳埃德镜下的激光干涉光刻仿真设计 24

3.2双劳埃德镜激光干涉光刻仿真结果 25

3.2.1反射镜为垂直状态时，平面二维光强分布干涉图样、周期与面积 25

3.2.2反射镜为非垂直状态时，平面二维光强分布干涉图样、周期与面积 40

3.2.3利用周期导出初始角度条件以及直径（面积）的计算 45

3.2.4误差分析 46

3.3考虑驻波效应在三维空间的影响 46

3.4用户界面设计展示 49

3.5本章小结 53

第四章 总结与展望 55

4.1总结 55

4.2展望 55

致 谢 56

参考文献 57

第一章 绪论

1.1光刻技术概述

众所周知，信息技术的基础是微电子技术，在人类社会生活中，微电子存在于我们生活的每个角落，例如主机、显示屏、手机、家电等器件。1965年4月，美国的戈登·摩尔指出了后来闻名于世的“摩尔定律”：每一年半到两年（18-24个月）的时间间隔，芯片的容量（晶体管的数目）就会增加一倍。 近年来，半导体产业的发展到了5nm，而5nm以下由于存在量子隧穿效应，“摩尔定律”逐渐失效，而在此之前，在众多关键技术中，光刻技术拥有决定集成电路（IC）工艺水平高低的关键性地位。

自从上世纪60年代以来，光学光刻技术是工业上广泛采用的图案化光刻胶的一种技术，最常见的方法是利用光的照射将几何图案从光刻版转移到光刻胶上。然而随着器件尺寸的不断减小，使得生产工艺变得越来越复杂，导致生产效率降低而生产设备的价格不断攀升^[1]。线宽受到光学衍射效应的限制，线宽的刻度要求越高，对更昂贵的光刻系统的需求也随之增加，例如：极紫外辐射光刻系统^[2][3][4]等。经过来自于全球各国包括中国、韩国、美国、日本和欧洲等地区的800多名半导体专家共同不懈努力，历时两年，着眼于未来半导体制造技术的国际半导体技术机构（ITRS）在2001年制定的2001年国际半导体技术指南（如表1.1）中指出了在2004年可实现90nm的芯片特征尺寸，然而，ITRS随后在2016年7月正式发布的ITRS的路线图技术指南（ITRS2015），也是最后一份指南中做出预测，芯片的特征尺寸在经历了50多年的变化后，晶体管的尺寸可能将在5年后（2021年）停止缩减。可在此之前，每一代新的光刻技术在获得最小线宽提升后，总会带来新的一代设计思路与新的一代集成电路，故而集成电路的飞速发展是离不开一直在进步的光刻技术的支持的，光刻技术的进步程度直接决定了单个芯片器件的物理尺寸。

1. ITRS2001指南

伴随着特征尺寸的减少，半导体器件的运算速率变得越来越快，功耗也会越来越低。为了提高集成电路的产量和降低制造系统的成本，经过一代又一代的研究与尝试，学者们研究出了一些低成本的大面积光刻技术，如纳米压印技术、纳米球光刻技术和激光干涉光刻技术等。

1.2光刻技术的发展趋势、现状与基本类型

半导体集成电路产业本质的发展始终是围绕着两个目标，并以此为基点不断向前发展并创新：1.缩小芯片特征尺寸；2.扩大晶圆尺寸。在二十世纪80年代，在普遍的认知中，0.5μm左右是光刻技术所能达到的极限分辨率。随着相关技术的进步，光刻技术也拥有全方位的提升（光学系统、抗蚀剂等），光刻极限早已低于μm级别，在2019年4月15日的报道中，我国武汉光电国家研究中心的研究科研小组采用远场光学的方法造出9纳米光刻试验样机，该光刻样机能够光刻出9纳米线宽的线段，在国际上也是充满意义的一步。

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