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摘要。基于可变形状光束写入和字符投影的电子束光刻等高分辨率和高通量光刻制造技术的出现，为灵活使用各种光学纳米结构以满足某些最苛刻的应用开辟了道路。我们讨论了这些图案化方法的技术特点、优势和局限性，并展示了如何将它们结合起来，实现光学纳米结构的应用，这些应用多种多样，如用于超短激光脉冲或高分辨率光谱仪的光栅、用于非球面测试的计算机生成的全息图、各种光学元结构（透镜和光栅）或紫外偏振器。

划重点

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1 简介

微结构光学在 20 世纪 90 年代中期迎来了第一个高峰，当时人们进行了无数次尝试来实现基于衍射结构的光学功能。1 然而，当时，衍射光学未能满足许多远大的期望。然而，从那时起，专门用于实现光学微结构和纳米结构的制造技术的实质性改进已将这些元件带入了众多应用。2–7 在此背景下，一个特别热门的研究领域是光学超材料领域，因为它们通过纳米图案化提供了实现新颖光学功能的途径。8

本文重点介绍了现代电子束光刻方法在实现所需纳米结构以灵活定制高端应用中的光学功能方面的巨大潜力。相关的挑战是双重的：微结构光学元件需要精确控制纳米级的特征尺寸，同时需要对具有应用相关尺寸的元件进行图案化。基于可变形状光束 (VSB) 写入原理的电子束光刻是朝着这个方向迈出的第一步，其中扩展的几何基元（例如灵活尺寸的矩形或三角形）可以通过单次曝光进行曝光。对于高度重复的图案（例如光栅的一部分），使用所谓的字符投影 (CP) 可能更具优势。与基于像素的曝光策略相比，这种方法可以大大减少拍摄次数和写入时间（约 100...10,000 次）。9

下面简要回顾了电子束光刻中不同写入机制的基础知识。随后通过选定的光学微结构示例讨论了它们的优点和局限性。特别强调了图案化元件（例如尺寸高达 300 毫米的超透镜和超光栅）的潜力，以及所用写入机制对关键光学性能参数（例如光散射或波前质量）的影响。

2 纳米光学结构的高效电子束光刻

在光学应用中，调整光的传播可以通过光在不同材料界面处的折射或反射，或通过在具有与光波长相当的尺寸的结构上的相干（或非相干）散射过程并利用衍射现象来物理实现。随着 20 世纪 80 年代和 90 年代特定直接写入光刻图案化方法的发展，后一种方法已可用于光学应用，近年来，由于计算机辅助光学建模和设计技术的大幅改进，这种方法变得更加流行，特别是对于一类称为光学超材料的结构。这些超结构由横向尺寸甚至小于所用光波长的图案组成。它们可定制的光结构相互作用使人们能够实现传统光学材料无法实现的光学功能，例如可定制的波长相关衍射、4 偏振相关行为、10 特定吸收特性，11 甚至改进的非线性光学响应，例如用于波长转换。

光学纳米结构的实现对所使用的图案化技术提出了若干挑战。除了高分辨率之外，还需要具有很大的灵活性，以便可重复生成具有高位置精度的各种横向几何形状。为了能够满足实际应用，所使用的技术还需要能够在合理的图案化持续时间内在大面积上实现这一点，并且——特定于光学应用——在柔性基板几何形状和材料上。这些要求的组合清楚地区分了光学纳米结构的光刻技术与微电子领域使用的光刻技术。在微光学中，通过光刻曝光光刻胶层定义初始图案，通常随后进行后续蚀刻或剥离工艺，以将图案转移到特定材料层或底层基板上。图 1 显示了实现二元微光学元件的一种非常常见的图案化工艺，该工艺也在弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所 (Fraunhofer IOF) 的实验室中使用。

图 1 在熔融石英基板上光刻实现光学纳米结构的制造工艺流程。

图案化工艺首先在基板上沉积一层铬 (Cr) 和电子束敏感抗蚀剂的双层。然后，使用 SB350 OS 电子束刻蚀机 (Vistec Electron Beam GmbH) 通过电子束光刻将光栅结构曝光到抗蚀剂中。使用干蚀刻工艺将图案转移到铬层中。去除剩余的抗蚀剂后，Cr 层随后作为硬掩模，用于电感耦合等离子体反应器 (ICP 蚀刻) 中的后续反应离子蚀刻步骤，以将光栅结构转移到熔融石英基板表面所需的高纵横比结构中。最后，去除剩余的铬掩模层。所得的熔融石英结构可以直接用作光学元件，也可以用作后续复制步骤的母版，例如用于实现大量组件的纳米压印工艺。

使用电子束写入器定义纳米结构的优势在于，由于电子能量高，可以实现几纳米范围内的高横向分辨率。然而，在使用聚焦点束探针的电子束光刻工具中，写入速度和吞吐量相当低，将可图案化区域限制在几平方毫米以内。使用所谓的 VSB 技术和单元投影 (CP) 写入方案，可以将写入速度大幅提高几个数量级。两者都分别使用不同类型的电子光学来生成灵活尺寸的电子探针，甚至投射更复杂的单元。图 2 以示意图的形式解释了不同的电子束写入方案。在 VSB 方案中，要曝光的图案被分解为可变大小的基元（矩形和三角形），最大尺寸约为 2 μm × 2 μm。它们的实际尺寸可以以 1 nm 为步长进行调整。单次曝光照片以高精度拼接在一起，形成更复杂的曝光几何形状[例如，计算机生成的全息图 (CGH) 的曲线图案，见第 3 节]。

对于小型（且可能重复）复杂曝光几何形状，用矩形或三角形近似所需形状需要大量的曝光照片，因此曝光时间可能很长，这可能是不切实际的。除了这种曝光的相关成本外，整个过程的稳定性也成为一个挑战。12 在这种情况下，实现更高吞吐量的方法是使用 CP 写入模式，其中复杂的曝光几何形状被硬编码在所谓的微型光罩中。对于 SB350 OS 电子束写入器，可以使用单电子束曝光曝光最大尺寸为 2 μm × 2 μm 的复杂图案。电子光学系统允许选择各种几何形状（取决于它们的实际尺寸，介于 2048 和 12,800 个微型标线之间）。它们可以在曝光布局中灵活地相互组合，并与 VSB 镜头无缝结合。CP 写入模式的示例如图 3 所示。

图 2 电子束光刻中的书写方式。

图 3 采用 CP 写入方式的电子束光刻生成的复杂图案的 SEM 图像。插图显示了用于构成所示图案的微型光罩的形状。

3 电子束写入纳米光学元件示例

以下通过三个不同示例讨论了不同电子束写入机制的潜力：用于测试非球面镜的大型高精度 CGH、非常大的超光栅和具有非常低光散射的衍射轴棱镜。其他电子束写入光学微结构的示例，例如用于太空光谱复制或地面天文仪器的各种高性能光栅，已在其他出版物中报道。4,7

3.1 用于望远镜光学非球面测试的计算机生成全息图

最先进的天文望远镜通常需要非球面或自由曲面镜或透镜来实现其所需的衍射极限性能。以最高精度表征此类光学器件的首选方法是干涉测试，利用 CGH 将干涉仪的波前调整到被测表面的非球面形状。这样，CGH 就成为光学元件精度的标尺，因此需要遵守对所生成波前的极端精度要求。在现代望远镜中，需要实现单个纳米范围内的均方根波前误差值。CGH 的制造过程与图 1 所示的过程类似，波前误差要求直接转化为光刻曝光过程的定位精度要求。对测试 CGH 精度有极端要求的一个例子是 ESO 极大望远镜的次镜。13 由于其凸形，直径为 4.2 米的次镜无法直接使用 CGH 进行表征，但在制造过程中使用折射非球面参考板进行测试。用于表征此参考板的 CGH 由 Fraunhofer IOF 使用如上所述的电子束光刻工艺制造。从光学角度来看，CGH 可以看作是具有局部变化的光栅周期的光栅结构。相应的图案不重复，并使用 VSB 写入模式在 9 英寸熔融石英掩模空白基板上曝光。为了最大限度地减少基板本身的 WFE 贡献，使用离子束刻画工艺将其抛光至 2.4 nm rms 的残余透射 WFE。

图 4 显示了用于干涉测试参考板和制造的测试 CGH 的测量装置。由于使用了 VSB 写入模式，可以在约 54.6 小时的曝光时间内对约 205 mm × 205 mm 的 CGH 区域进行图案化。

根据以下公式，CGH 结构的光刻刻画过程的局部定位误差 ε 直接转化为 CGH 的波前误差 ΔW

图 4 ELT 的 M2 参考板的干涉测量装置，利用 230 mm × 230 mm 尺寸的高精度 CGH 来调整从干涉仪射出的球面波前以适应参考板的非球面表面形状。

图 5 (a) 使用 LMS-IPRO 测量的 ELT M2 参考板的 CGH 电子束曝光的横向放置误差。(b) 由放置误差引起的双通传输中的波前误差图。

其中 Pðx; yÞ 是 CGH 的局部周期。使用 LMS-IPRO 2（KLA Tencor）通过 20 × 20 基准标记网格表征曝光的定位误差。获得的放置误差在 x 和 y 方向上分别为 7.6 和 18.1 nm [见图 5（a）]。由该放置误差引起的双程传输中的相应 WFE 如图 5（b）所示，仅为 0.7 nm rms，这表明使用电子束光刻图案定义可以实现高精度。

3.2 极端尺寸的超光栅

在第二个示例中，展示了 CP 写入模式覆盖非常大面积的光学纳米结构的巨大潜力。这对于实现超结构特别有意义，因为它们通常由一组重复的单元格组成。由于这种光刻方法具有较高的分辨率，因此使用电子束光刻来制造此类结构非常常见。然而，通常报道的尝试使用带有点光束探针的电子光学器件，将可实现的光学区域限制在几平方毫米。14

我们在这里报道了在直径为 300 毫米的全硅晶片上实现有效介质超光栅的纳米压印母版。如图 6 所示，光栅的布局由具有不同直径和间距的密集点阵列组成。最小特征尺寸为 100 纳米，间距为 200 纳米。即使圆形图案不能用多个矩形曝光镜头来近似，这种图案中的点数也绝对无法使用 VSB 写入模式实现。图 6(b) 显示了元结构如何由一组微型光罩组装而成，每个光罩包含一个由 6 × 6 到 12 × 12 个圆形曝光形状组成的阵列，这些形状可在一次拍摄中曝光。

图 6 (a) 300 毫米 Si 晶片上的元光栅布局。(b) 将光栅周期分解为一组四个不同的微型光罩，每个光罩包含一个由 6 × 6 到 12 × 12 个大小和间距各异的圆点组成的阵列。

表 1 分别通过模拟和实验确定的实现具有 VSB 和 CP 写入模式的元光栅的写入时间和发射次数。

图 7 300 毫米 Si 晶片上直径 280 毫米的超光栅照片以及蚀刻后转移到 Si 基板上的光刻胶结构和超结构的 SEM 图像。

表 1 显示了 VSB 和 CP 方法的模拟写入时间估计值对比，以及基于 CP 的演示器实现的测量写入时间。

图 7 显示了通过反应离子蚀刻将图案转移到 Si 晶片的实际曝光和图案转移结果。该元光栅专用于用作后续纳米压印复制的母版，目前正在为如此大的区域和小的特征尺寸开发。目前，所示的基于 CP 的电子束光刻工艺似乎是在合理的时间范围内实现如此大的元结构的唯一可行技术。

3.3 低散射衍射轴棱镜结构

第三个示例展示了 CP 写入模式在改善微光学元件的光学功能方面的潜力，即减少确定性杂散光，特别是在 CGH 中出现的曲线结构中。使用常见的 VSB 方法曝光此类结构需要通过矩形或三角形电子束照射来近似可变局部周期的弯曲光栅线。由于局部周期性或曲线的方向仅随结构布局上的局部位置而微弱变化，因此在所需结构与其照射近似之间可能会出现一种莫尔条纹。这可能导致宏观超结构覆盖到所需的衍射结构上，这是肉眼可见的。与矩形曝光形状的优先方向相结合，这些超结构会导致不良的衍射效应或“衍射重影”，从而影响干涉测量的波前精度（在非球面测试 CGH 的情况下）或光谱灵敏度（在高分辨率光谱仪光栅的情况下）。电子束光刻中的 CP 写入模式可有效用于抑制此类超结构和相关的不良衍射效应。为了证明这一点，选择了衍射轴棱镜结构作为测试结构，并分别使用VSB 和 CP 写入模式两种方法进行曝光。衍射轴棱镜由圆形光栅结构组成，因此可以视为具有局部恒定周期但圆形变化光栅方向的 CGH 的特殊情况。之所以选择它作为本例，是因为它相对于发生的光散射图案的光学特性比更一般的测试 CGH 更直观。

图 8 使用 (a) VSB 写入模式和

(b) CP 写入模式曝光的二元轴棱镜结构的 SEM 图像。SEM 图像上叠加的是所用的曝光照片。

轴棱镜结构被定义为局部周期为 700 nm，单个元件直径为 15 mm。它使用两种写入模式在 Si 晶片上曝光到 FEP171 型化学放大光刻胶（富士胶片）中。在传统 VSB 曝光的情况下，曝光数据准备利用可用的矩形和三角形形状来获得最佳的结构近似值。在 CP 写入模式下，曝光数据仅包含圆形曝光镜头，其直径是从数百个可用的微型光罩中选择出来的，以最好地匹配轴棱镜所需的线宽。图 8 显示了显影后轴棱镜中心产生的二元光刻胶结构的 SEM 图像。

叠加在 SEM 图像上的是两种写入模式中使用的曝光形状。可以看出，在微观尺度上，两次曝光都产生了非常相似的结果，而线边缘粗糙度或图案保真度没有明显差异。

如果分析这两种不同结构的光学功能，特别是它们的光散射图案和衍射重影，就会发现明显的差异，如图 9 所示。使用 Fraunhofer IOF 开发的散射仪 MLS10，直接在抗蚀剂结构上进行波长为 λ ¼ 395 nm 的光散射测量。15 没有应用任何额外的转移过程，只获得写入过程的散射足迹，并避免此类后续工艺步骤的额外影响。

图 9 在暴露的轴棱镜结构中，在波长为 395 nm 处在后半球进行的杂散光测量。上行和下行分别显示 VSB 和 CP 写入模式的测量值。右侧显示了基于两种情况下的镜头近似计算的衍射图案的比较。

轴棱镜所需的光学功能是产生圆形衍射环，这在测量中清晰可见。然而，除了这种衍射图案之外，VSB 写入元件还特别显示了记录的散射图案中的各种附加特征，这些特征源于将圆形光栅分解为矩形和三角形曝光镜头。这包括在所需衍射环之外可见的伪部分环图案以及沿笛卡尔坐标方向的十字形衍射结构。在 CP 写入轴棱镜的情况下，这些不需要的图案被明显抑制甚至不存在。因此，光学功能的实现更加清晰，并且可以大大减少此类元件应用中对波前精度或信噪比的负面影响。此外，使用 CP 写入模式的轴棱镜元件的写入时间比使用 VSB 模式的方法短约 2 倍。4 与其他光刻技术的比较

在本节中，我们简要讨论了所提出的 VSB/CP 电子束写入技术，并将其与其他两种当代高分辨率光刻图案化方法进行比较：多束电子束光刻，也称为互补电子束光刻 (CEBL)16和光学光刻。

当今的光学光刻工具基本上能够很好地解决上一节中介绍的元素的特征尺寸。这些工具中的曝光基于包含光掩模的图案的缩小成像。采用这种并行方法，光学光刻总是比任何直接写入技术快得多。因此，在光学光刻或基于 VSB/CP 的电子束光刻之间做出选择的核心问题是所需的努力以实现所需的光学性能。对于光学光刻而言，这与掩模的质量有关。高分辨率光学图案可能需要非常精细地近似掩模图案，从而导致掩模车间的写入时间很长，从而导致相当大的成本。因此，在不同技术之间进行选择时，必须考虑所需元件的数量以及最终消费品的售价。这不能一概而论。在高分辨率结构的原型设计和设计优化以及小批量生产的情况下，总能找到VSB / CP电子束光刻的有利部署方案，在这些情况下，制造专用的高端光掩模根本不经济。在这里，基于VSB / CP的电子束光刻提供了高灵活性和短周转时间，以及合理的成本数字。这还包括在可用基板尺寸和材料方面的更高灵活性，而这些在光学光刻方法中通常受到更多限制。另一方面，多光束电子束直写方法或 CEBL 在可实现的写入速度方面可以胜过讨论的 VSB/CP 技术。此外，图案化灵活性不受限制；因此 CEBL 基本上可以解决第 3 节中描述的类似应用。写入时间与可用光束的数量成比例。传统的 6 英寸光掩模可以在大约 10 小时内曝光，几乎与发射次数或图案的复杂性无关。17 使用高斯光束形状可以曝光高分辨率曲线图案。另一方面，CEBL 技术在实现均匀定位精度和 CD 控制方面面临更大的挑战，对数据处理的要求也更高。因此，目前 CEBL 写入器的工具成本超过了 VSB/CP 工具的成本；因此，拥有成本更高。因此，在选择哪种技术时，必须基于对所涉及的应用场景的详细考虑。

5 总结

基于现代写入机制（例如 VSB 原理或

CP 模式）的电子束光刻技术结合了非常高的图案分辨率、高定位精度和高图案保真度以及高吞吐量的优势，使聚焦点光束探针的写入速度提高了几个数量级。特别是，对于通常包含重复图案的纳米光学结构的实现，这是一种非常强大的光刻技术，能够处理数百 cm2 尺寸的应用相关元件尺寸。CP 曝光模式的微型掩模版台的实现可承载数千种不同形状，从而确保实现复杂布局的最高灵活性。

此外，两种写入模式可以很好地结合起来，以实现光学纳米结构，其应用范围非常广泛，例如用于超短激光脉冲或高分辨率光谱仪的光栅、用于非球面测试的计算机生成的全息图、光学超透镜、具有局部变异取向的紫外偏振器，以及其他各种应用