СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММЫ РИСУНКА
METHOD OF PRODUCING HOLOGRAM OF DRAWING

Изобретение относится к области микролитографии и может быть промышленно реализовано, например, при изготовлении интегральных схем, бинарных голограмм или структур со сформированным по заданной программе рельефом с субмикронным разрешением, для изготовления голограммных масок, и может быть использовано в оптической промышленности для изготовления фокусирующих, рассеивающих и корректирующих элементов оптики, например киноформов, в приборах оптического контроля формы асферических поверхностей, таких как голограммные компенсаторы.
Создание интегральных схем с характерным размером элементов 0.1-0.01 мкм является важнейшим перспективным направлением развития современной микроэлектроники. Технология высокоточного (с субмикронными и микронными допусками) изготовления прецизионных форм с трехмерным рельефом может быть промышленно использована, например, при создании массовой технологии изготовления деталей микророботов, высокоразрешающих элементов дифракционной и френелевской оптики, а также в других областях техники, где тоже необходимо получение в функциональном слое изделия трехмерного рисунка заданной глубины с высоким разрешением его структур, например, при создании печатных форм для изготовления денежных знаков и иных ценных бумаг.
От разрешающей способности процесса микролитографии, определяющей уровень развития большинства отраслей современной науки и техники, в решающей степени зависит дальнейшее развитие современной микроэлектроники. Микролитография включает нанесение на поверхность твердого тела (обычно подложки из полупроводникового материала) слоя материала, чувствительного к воздействию используемого потока излучения, оптического излучения или электронных пучков, в качестве которого наиболее часто используется слой фоторезиста. Экспонирование фоторезиста через шаблон, обычно называемый маской, позволяет создать на фоторезисте рисунок, соответствующий заданной топологии, например топологии слоя создаваемой интегральной схемы.
Точность позиционирования лучших проекционных сканирующих систем (степперов), производимых мировым лидером в этой области технологического оборудования для микроэлектроники - голландской фирмой ASM-Lithography, достигает 10 нм, что явно не достаточно для создания СБИС с характерным размером элементов 20-30 нм. Отставание возможностей степперов от нужд промышленности естественно, т.к. разработка степпера для субмикронных технологий требует трех-пяти лет, а стоимость его при серийном выпуске в зависимости от обеспечиваемого разрешения составляет от 10 до 70 миллионов долларов, не говоря уж о стоимости разработки, составляющей многие сотни миллионов долларов.
1
В настоящее время в промышленности наиболее распространена фотомикролитография (или фотолитография). Обеспечиваемое ею разрешение Дх определяется длиной волны λ используемого излучения и числовой апертурой NA проекционной системы: Δх=kλ /NA (У. Моро "Микролитография": в 2-х ч. Ч. 1: Пер. с англ.- М., Мир, 1990, с.478 [1]). Такая зависимость естественно стимулировала у разработчиков стремление к использованию все более коротковолновых источников излучения и все более высокоапертурных проекционных систем. В результате за последние 40 лет в промышленной проекционной фотолитографии произошел переход от ртутных ламп с характерной длиной волны излучения 330-400 нм к эксимерным лазерам с длинами волн излучения 193 и даже 157 нм. Проекционные объективы современных степперов достигли диаметра 600-700 мм, что и обуславливает быстрый рост стоимости степперов.
2
Увеличение разрешения приводит к резкому уменьшению глубины фокусировки ΔF, т.к. ΔF=±λ/2(NA) [1, с.478], что приводит к уменьшению производительности и радикальному усложнению системы фокусировки гигантских проекционных объективов, а значит, опять-таки к росту стоимости степперов. К тому же краевые эффекты ограничивают возможность использования апертуры такого объектива при работе с предельным разрешением, обеспечиваемым объективом.
В процессе развития проекционной фотолитографии минимальный размер проецируемых деталей уменьшался в среднем на 30% каждые 2 года, что позволяло каждые 18 месяцев удваивать число транзисторов на интегральных схемах (закон Мура). В настоящее время в промышленности используется "0.065-микронная технология", позволяющая печатать детали с разрешением 65 нм, в то время как следующим рубежом, по мнению экспертов, является создание проекционных систем и источников излучения, обеспечивающих уверенное разрешение на уровне 22 нм. Это потребует перехода к источникам экстремального ультрафиолета (EUV-источникам) или даже перехода к мягкому рентгеновскому излучению. В настоящее время интенсивно ведутся эксперименты с микролитографией на λ=13,4 нм. Первая такая установка, как сообщалось на форуме разработчиков компании INTEL (ведущего мирового производителя СБИС), была создана и в 2002 году на ней были получены транзисторы с характерным размером 50 нм. Однако стоимость такого степпера даже при серийном производстве будет достигать, по оценке экспертов, 70 миллионов долларов, а для отладки технологии серийного производства микропроцессоров с характерным размером элементов на уровне 30 нм потребуется по самым оптимистическим оценкам еще 3-5 лет.
Одним из наиболее существенных ограничений применения фотолитографии является ограничение, связанное с дифракцией от краев маски (дифракция от краев экрана), используемой для получения желаемого проекционного изображения на поверхности фоторезиста. Это явление по мере увеличения монохроматичности используемого излучения приводит ко все более заметному ухудшению качества получаемого изображения вследствие появления дифракционных максимумов, располагающихся на расстояниях порядка λ от центра проецируемой линии. Если учесть, что в настоящее время ведущими производителями используется лазерное излучение с длиной волны λ=193 нм и даже (в экспериментальных степперах!) еще меньшей, то становится очевидным, насколько существенным может быть ограничение по разрешению, вносимое дифракцией на краю маски.
Таким образом, существующие проекционные устройства для создания изображения на светочувствительном слое имеют ряд существенных недостатков:
1) принципиальные трудности совмещения в одном устройстве высокого разрешения и большой глубины резкости;
2) существенное усложнение конструкции и технологии проецирующего устройства при уменьшении длины волны излучения, используемого при проецировании изображения на фоторезист;
3) радикальное усложнение оптической системы и технологии изготовления проецируемого объекта - маски по мере уменьшения длины волны, используемой при проецировании;
4) резкое удорожание технологии и оборудования по мере роста степени интеграции производимой продукции;
5) чрезвычайно низкая технологическая гибкость производственного процесса и очень высокая стоимость его перестройки;
6) принципиальная невозможность создания диверсифицированного производства, т.е. производства различных интегральных схем на одной подложке в едином технологическом процессе.
Известен способ получения бинарной голограммы, в котором создают множество областей пропускания в пленке непрозрачного для используемого излучения материала в соответствии с их заранее заданным или рассчитанным положением таким образом, чтобы при освещении полученного множества областей пропускания голографическое изображение формировалось на заданном расстоянии от них (Л.М. Сороко "Основы голографии и когерентной оптики." - М., Наука, 1971, с.420-434 [2]). В указанной монографии рассмотрена возможность получения "численной голограммы", называемой также синтетической, искусственной или бинарной голограммой, и изложена теория, отличающаяся лаконичностью и ясностью математического описания. Однако известный способ получения бинарных голограмм, при котором изображение областей пропускания получают, например, графически, и фотографируют со значительным уменьшением, не позволяет получить достаточно высокое качество изображения и высокое разрешение, прежде всего, за счет недостаточной точности изготовления и недостаточно большого количества используемых областей пропускания.
Известен способ получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с использованием голограммы, в котором формируют на поверхности чувствительного к используемому излучению материала пятна засветки путем получения на его поверхности изображения, по крайней мере, одной голограммы, установленной перед чувствительным к используемому излучению материалом (GB 1331076 А, опубл. 19.09.1973 [3]). Однако известный способ получения изображения на чувствительном к используемому излучению материале с использованием голограммы не позволяет получить высокое качество изображения из-за взаимного перекрытия множества порядков дифракции, а высокое разрешение - из-за невозможности применения коротковолновых источников излучения. Более того, главной задачей этого способа являлось обеспечение эффективного контроля визуально контролируемых меток.
пор
пор
пор
Известен способ получения бинарной голограммы, известный из RU 2262126 [4]. Согласно описанию, в пленке материала, непрозрачного для излучения, используемого для восстановления изображения, получают множество областей пропускания в соответствии с их заданными или рассчитанными размерами и положением. При этом предварительно получают на чувствительном к используемому излучению материале, располагаемом на пленке непрозрачного материала, изображение указанного множества областей пропускания, изображение каждой из которых выполняют путем формирования суммарной зоны перекрытия пятен засветки, каждое из которых обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Е, где Е - пороговое значение дозы излучения, соответствующее порогу чувствительности чувствительного к используемому излучению материала, а доза излучения, которую получает чувствительный к используемому излучению материал в каждой суммарной области перекрытия пятен засветки, равна или превышает Е. Пятна засветки получают с помощью расположенной перед поверхностью чувствительного к используемому излучению материала двумерной матрицы излучателей, каждый из которых выполнен с возможностью управления интенсивностью выходящего из него излучения и содержит по крайней мере один элемент для формирования потока излучения с заданными размерами и формой его поперечного сечения, взаимосвязанный с источником излучения, причем при получении каждой из суммарных областей перекрытия пятен засветки, перед экспонированием по крайней мере одного пятна засветки из образующих данную суммарную зону перекрытия пятен засветки осуществляют перемещение матрицы излучателей или/и чувствительного к используемому излучению материала в плоскости, параллельной поверхности чувствительного к используемому излучению материала, в одном направлении или в двух взаимно перпендикулярных направлениях, после чего с помощью соответствующей обработки формируют в пленке непрозрачного для используемого излучения материала указанное множество областей пропускания.
Недостатком известного способа является ограничение, накладываемое на структуру получаемой бинарной голограммы: формируемые элементарные области пропускания могут располагаться только по регулярной сетке, шаги которой не могут быть меньше шагов расположения излучателей в матрице, что ограничивает, соответственно, возможность влиять на параметры качества голографического изображения путем изменения структуры голограммы. Известный метод также не учитывает возможностей создания голограммы в виде набора отверстий в среде, прозрачной для излучения, формирующего голографическое изображение, или чередующихся углублений в отражающей это излучение среде, или комбинаций части из этих вариантов, что не позволяет максимально использовать возможности, предоставляемые голографическим методом для получения высококачественного изображения. Кроме того, известный метод не рассматривает возможностей проведения до изготовления голограммы корректировок ее структуры, учитывающих физические условия получения голографического изображения и выполняемых с целью получения максимально возможного качества последнего.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления голографических изображений рисунка, известный из RU 2396584 [5]. Способ реализуется следующим образом. Исходный рисунок, например изображение топологии слоя интегральной микросхемы, преобразуют в растр в цифровой форме. Преобразование осуществляется следующим образом: исходный рисунок в виде черно-белого изображения размещается в некоторой системе координат. В частном случае рисунок может быть двухтоновой, когда изображение состоит, например, из белых элементов на черном фоне, а в общем случае - полутоновой, когда изображение состоит из деталей, имеющих один из заранее заданного количества уровней уровень яркости, например, от 0 до 255. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и также размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме. Таким образом, записывают информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель. Если требуется представить каждую точку растра как протяженный излучатель, например круг или квадрат, то координаты этой точки считаются координатами центра протяженного излучателя, яркость точки считается яркостью в центре протяженного излучателя, фаза точки считается фазой в центре протяженного излучателя, и дополнительно задается форма протяженного излучателя, распределение амплитуды и фазы по его поверхности. Затем рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности излучателей - элементов цифрового растра изображения рисунка. Для этого используют компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитывают интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме. Полученные данные используют для модуляции пучка излучения, который используется для записи голограммы на носителе. В качестве источника излучения могут использоваться лазеры или источники ускоренных частиц, под воздействием которых может происходить изменение свойств отдельных участков облучаемого носителя. В качестве последнего может быть использован фоторезист какого-либо типа, чувствительный к используемому излучению.
Недостатком известного способа является сложность и трудоемкость расчета коррекций, которые необходимо вносить в голограмму для получения с нее восстановленных изображений высокого качества. Кроме того, известный способ не позволяет получать голограммы с высоким контрастом и разрешением из-за невозможности получения широкого спектра размеров пропускающих элементов в изготавливаемой голограмме.
Заявляемый в качестве изобретения способ изготовления голограммы рисунка направлен на получение рисунка с высокими технологическими параметрами, повышение контраста получаемого рисунка и снижение уровня шума.
Указанный результат достигается тем, что рисунок преобразуют в растр в цифровой форме, записывают информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как протяженный или точечный излучатель, рассчитывают необходимые параметры элементов голограммы, для чего переводят элементы цифрового растра изображения рисунка в цифровой растр будущей голограммы, при этом в каждой точке будущей голограммы рассчитывают картину дифракции, создаваемую от всей совокупности излучателей - элементов цифрового растра изображения рисунка, рассчитывают интерференционную картину, полученную от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного точечного или протяженного источника излучения, идентичным обращенному реальному волновому фронту источника, который будет использоваться при восстановлении голографического изображения рисунка, определяют функцию пропускания голограммы и выделяют в ней области, которые после бинаризации дадут прозрачные элементы недопустимо малого размера, физически не пропускающие свет, после чего изменяют функцию пропускания, обеспечивая увеличение размера этих элементов, используют полученный результат для формирования дифракционной структуры голограммы на носителе, создают голограмму в виде набора прозрачных дискретных элементов в непрозрачном слое, нанесенном на прозрачную подложку, и проводят оптическую коррекцию увеличенных элементов, обеспечивающую пропускание этими увеличенными элементами количества света в соответствии с первичной функцией пропускания, при этом коррекцию осуществляют путем размещения на непрозрачном слое слоя поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения, а области над неувеличенными элементами выполняют в нем прозрачными.
Указанный результат достигается также тем, что оптическую коррекцию проводят неоднократно, для чего наносят на поверхность предыдущего слоя поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения последующий слой поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения, и области над областями предыдущего слоя, не обеспечивающими пропускание количества света в соответствии с первичной функцией пропускания, выполняют в нем прозрачными.
Указанный результат достигается также тем, что после завершения оптической коррекции на слой поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения наносят слой прозрачного вещества, обеспечивающий сдвиг фазы восстанавливающего изображения излучения на заданную величину, для чего в нем выполняют набор дискретных элементов, в пределах площади которых сдвиг фазы отсутствует, форму, размер и расположение которых определяют расчетным путем, для чего сначала рассчитывают цифровой растр функции пропускания голограммы, а затем рассчитывают цифровые растры непрозрачного и обеспечивающего сдвиг фазы слоев предполагаемой двухслойной маски, для чего определяют среднее значение коэффициента пропускания по всем элементам цифрового растра функции пропускания голограммы, вычитают полученное среднее значение из первоначальных значений, в областях, где разность является положительной величиной, приписывают элементам цифрового растра непрозрачного слоя положительные значения, равные значениям разности, приписывают элементам цифрового растра обеспечивающего сдвиг фазы слоя значение «ноль», в областях, где разность является отрицательной величиной, приписывают элементам цифрового растра непрозрачного слоя положительные значения, равные отрицательным значениям разности по абсолютной величине, приписывают элементам цифрового растра обеспечивающего сдвиг фазы слоя значение «единица», и на основании анализа полученного цифрового растра непрозрачного слоя проводят расчет необходимой оптической коррекции, которую необходимо провести перед нанесением слоя, обеспечивающего сдвиг фазы восстанавливающего изображения излучения на заданную величину.
Указанный результат достигается также тем, что голограмму снабжают слоем, обеспечивающим требуемое изменение вектора поляризации восстанавливающего изображения излучения в рассчитанных областях этого слоя.
Указанный результат достигается также тем, что прозрачные дискретные элементы выполняют разного размера и формы.
Указанный результат достигается также тем, что прозрачные дискретные элементы выполняют разного размера, но одинаковой формы.
Указанный результат достигается также тем, что прозрачные дискретные элементы размещают по равномерной или неравномерной сетке.
Указанный результат достигается также тем, что прозрачные дискретные элементы выполняют в виде отверстий в непрозрачном слое.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве средства формирования прозрачных дискретных элементов в непрозрачной среде используют электрически управляемый транспарант.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве слоя с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения, в котором обеспечивают формирование прозрачных дискретных элементов, используют электрически управляемый транспарант.
Указанный результат достигается также тем, что слой, обеспечивающий изменение вектора поляризации восстанавливающего изображения излучения в рассчитанных областях, изготавливают в виде электрически управляемого транспаранта.
Указанный результат достигается также тем, что набор дискретных элементов, в пределах площади которых сдвиг фазы должен отсутствовать, выполняют в виде отверстий в слое, обеспечивающем сдвиг фазы восстанавливающего изображения излучения на заданную величину.
Указанный результат достигается также тем, что набор дискретных элементов, в пределах площади которых сдвиг фазы должен отсутствовать, выполняют в виде прозрачных участков в электрически управляемом транспаранте.
Преобразование исходного рисунка в растр в цифровой форме и запись информации об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как протяженный или точечный излучатель, обеспечивает возможность произвести расчет дифракционной картины, создаваемой рисунком, как суммы дифракционных картин, создаваемых всеми его элементами, пользуясь заранее известным решением задачи дифракции (распространения электромагнитных волн) для вышеупомянутого протяженного или точечного излучателя.
Перевод элементов цифрового растра изображения рисунка в цифровой растр будущей голограммы и расчет картины дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемой от всей совокупности излучателей - элементов цифрового растра изображения рисунка обеспечивает получение волнового фронта (называемого "объектным") от заданного рисунка. Этот волновой фронт зависит только от самого заданного рисунка и от способа его подсветки, принятого при расчете дифракционной картины, и не зависит от амплитуды или распределения амплитуд, фазы или распределения фаз и расположения опорного источника излучения. Поэтому один и тот же полученный объектный волновой фронт может быть использован для расчета нескольких голограмм с разными восстанавливающими пучками и разными оптическими схемами.
Расчет интерференционной картины, полученной от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного точечного или протяженного источника излучения, идентичным обращенному реальному волновому фронту источника, который будет использоваться при формировании голографического изображения рисунка, необходим для того, чтобы получить функцию распределения по голограмме оптических свойств, например пропускающей способности или отражающей способности.
Определение функции пропускания голограммы и выделение в ней точек, которые после бинаризации дадут элементы недопустимо малого размера, не пропускающие свет, позволяет выделить области голограммной маски, в пределах которых техническая реализация в виде одного слоя прозрачных дискретных элементов не позволяет обеспечить заданную точность передачи функции пропускания, а изменение функции пропускания, обеспечивающее увеличение размера этих элементов, позволяет увеличить точность передачи первоначальной функции пропускания в этих выделенных областях.
Недостаток точности при реализации требуемой функции пропускания голограммной маски связан с тем, что для передачи этой функции пропускания с помощью набора дискретных областей прозрачности в непрозрачном слое используется метод пространственной импульсной модуляции, проходящей через голограммную маску восстанавливающей волны, при котором для передачи ярких мест - максимумов функции пропускания - используются области прозрачности или группы зон прозрачности наибольшего размера, а для передачи темных мест - минимумов функции пропускания - используются области прозрачности или группы зон прозрачности наименьшего размера. Если функция пропускания голограммной маски имеет минимумы, близкие к нулю, для их передачи требуется применить зоны прозрачности с размерами, которые начинаются от нуля. Между тем, при размерах прозрачных зон менее половины длины волны восстанавливающего изображения излучения нарушается пропорциональность между площадью прозрачной зоны и количеством света, проходящего сквозь эту зону. Более того, если техническая реализация непрозрачного слоя не позволяет изготовить этот слой с толщиной, много меньшей длины волны, прозрачные области в относительно толстом слое - с толщиной более 1/10 длины волны начинают проявлять заметные волноводные свойства, которые выражаются в том, что зоны прозрачности - короткие волноводы - не пропускают свет (не излучают) при размерах поперечного сечения торца менее ½ длины волны и при размерах, близких к одной длине волны. При размерах от 0,6 до 0,9 и от 1 до 1,7 длины волны, амплитуда и фаза излучения такого короткого волновода сильно зависят от погрешностей изготовления каждой зоны прозрачности, что приводит к фазовому шуму, который примешивается к восстановленному изображению. Поэтому при изготовлении голограммной маски использования областей прозрачности с поперечными размерами менее чем 1,7 длины волны следует избегать.
Создание голограммы в виде набора прозрачных дискретных элементов в непрозрачном слое, нанесенном на прозрачную подложку, позволяет с требуемой точностью передать расчетную непрерывную функцию пропускания голограммной маски с помощью фактической дискретной функции пропускания, т.е. реализовать метод пространственной импульсной модуляции.
Проведение оптической коррекции увеличенных элементов, обеспечивающей пропускание этими увеличенными элементами количества света в соответствии с первичной функцией пропускания, позволяет повысить точность воспроизведения минимумов (темных мест) исходной функции пропускания.
Выполнение коррекции путем размещения на непрозрачном слое слоя поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения, когда области над неувеличенными элементами выполняют в нем прозрачными, позволяет вместо областей пропускания недопустимо малого размера использовать для передачи минимумов (темных мест) функции пропускания зоны пропускания допустимого размера, уменьшив амплитуду проходящего через них излучения с помощью слоя поглощающего вещества.
Создание голограммы в виде набора дискретных элементов, отличающихся своими оптическими свойствами, позволяет, также как и в прототипе, обеспечить возможность получения бинарных голограмм, создающих изображение высокого качества. При этом разрешающая способность синтезированных бинарных голограмм полностью соответствует классической теории дифракции: угловой диаметр имеет величину порядка отношения длины волны освещающего света или монокинетичного корпускулярного пучка к полному размеру голограммы, и, следовательно, она может быть выше, чем у традиционных оптических элементов.
Таким образом, обеспечивается возможность использовать получаемые бинарные голограммы для создания изображений на чувствительном к используемому излучению материале, что обеспечивает отсутствие каких бы то ни было фокусирующих или иных традиционных оптических элементов преобразования волновых фронтов между голограммой, содержащей информацию об изображении в виде изготовленного на подложке набора элементов необходимого размера, и пластиной, покрытой слоем материала, чувствительного к используемому типу излучения, причем формируемое на пластине голографическое изображение определяется расположением и формой элементов голограммы, взаимным расположением голограммы и пластины, а также параметрами пучка считывающего излучения, в частности спектральным составом (длиной волны) и формой волнового фронта, которые определяются источником излучения и, при необходимости, специальной формирующей пучок системой.
При этом количество информации, содержащейся в голограмме и в создаваемом при восстановлении голограммы изображении, совпадает, что позволяет заранее рассчитать необходимые размеры голограммы, ее структуру и время ее изготовления.
В некоторых случаях проведения одной оптической коррекции для достижения требуемого высокого качества может оказаться недостаточно. Тогда оптическую коррекцию проводят неоднократно, для чего наносят на поверхность предыдущего слоя поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения последующий слой поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения, и области над областями предыдущего слоя, не обеспечивающими пропускание количества света в соответствии с первичной функцией пропускания, выполняют в нем прозрачными. Неоднократная коррекция позволяет еще более повысить точность передачи минимумов (темных мест) исходной функции пропускания голограммы. Если после применения первой коррекции оказывается, что прозрачные элементы минимально допустимого размера все еще пропускают слишком много света, несмотря на уже наложенный первый затемняющий слой, то можно дополнительно наложить на такие элементы еще один дополнительный затемняющий слой или несколько таких слоев. Это увеличит динамический диапазон амплитуды пропускаемого каждой зоной прозрачности излучения, за счет чего можно повысить качество восстановленного изображения при прежнем размере голограммы или уменьшить размер голограммы при сохранении качества восстановленного изображения.
В частных случаях реализации целесообразно после завершения оптической коррекции на слой поглощающего вещества с известным коэффициентом поглощения для восстанавливающего изображения излучения наносить слой прозрачного вещества, обеспечивающий сдвиг фазы восстанавливающего изображения излучения на заданную величину. Это позволит значительно уменьшить мощность формируемого голограммой нулевого порядка излучения, что приведет к возможности уменьшить размер и увеличить КПД голограммной маски, а также снизить уровень создаваемого нулевым порядком когерентного шума в области восстановленного изображения.
Для этого в прозрачном слое выполняют набор дискретных элементов, в пределах площади которых сдвиг фазы отсутствует, форму, размер и расположение которых определяют расчетным путем. Сначала рассчитывают цифровой растр функции пропускания голограммы, а затем рассчитывают цифровые растры непрозрачного и обеспечивающего сдвиг фазы слоев предполагаемой двухслойной маски, для чего определяют среднее значение коэффициента пропускания по всем элементам цифрового растра функции пропускания голограммы, вычитают полученное среднее значение из первоначальных значений, в областях, где разность является положительной величиной. Приписывают элементам цифрового растра непрозрачного слоя положительные значения, равные значениям разности, приписывают элементам цифрового растра обеспечивающего сдвиг фазы слоя значение «ноль», в областях, где разность является отрицательной величиной, приписывают элементам цифрового растра непрозрачного слоя положительные значения, равные отрицательным значениям разности по абсолютной величине, приписывают элементам цифрового растра обеспечивающего сдвиг фазы слоя значение «единица». На основании анализа полученного цифрового растра непрозрачного слоя проводят расчет необходимой оптической коррекции, которую необходимо провести перед нанесением слоя, обеспечивающего сдвиг фазы восстанавливающего изображения излучения на заданную величину.
В некоторых случаях реализации голограмму снабжают слоем, обеспечивающим требуемое изменение вектора поляризации восстанавливающего изображения излучения в рассчитанных областях этого слоя. Это позволит улучшить условия интерференции лучей, сходящихся в области восстановленного изображения за счет устранения скрещивания электрических векторов лучей, сформированных противоположными, симметрично расположенными относительно центра областями голограммы. При применении линейно поляризованного восстанавливающего излучения дополнительный поворот поляризации на голограммной маске позволит устранить поляризационную анизотропию разрешения в восстановленном изображении.
В частных случаях реализации элементы выполняют одинакового размера и формы. Если прозрачные дискретные элементы выполняют в виде отверстий в непрозрачном слое, то это обеспечивает возможность наиболее быстрого и точного изготовления всего набора отверстий, так как является наиболее технологичным при использовании современного оборудования (в частности, электронно-литографических установок). Кроме того, упрощается и ускоряется расчет, так как решение задачи дифракции излучения на отверстии выбранной формы достаточно произвести только один раз.
В частных случаях реализации прозрачные элементы могут быть выполнены разного размера, но одинаковой формы. Это позволяет упростить и ускорить расчет, так как решение задачи дифракции излучения на элементах выбранной формы достаточно произвести только один раз.
Целесообразно прозрачные элементы размещать по равномерной или неравномерной сетке. Это необходимо для того, чтобы обеспечить наилучшую аппроксимацию (передачу) изготовляемой голограммы, заключенной в расчетном цифровом растре будущей голограммы.
При этом прозрачные элементы могут быть выполнены не только в виде отверстий в непрозрачном слое, нанесенном на прозрачную подложку, но и в виде прозрачных дискретных элементов в непрозрачной среде, в качестве которого используют электрически управляемый транспарант. Использование транспарантов обеспечивает целый ряд преимуществ. Например, создание электрически управляемых голограмм. Действительно, создав однажды слоистую структуру, ее можно использовать многократно, подавая на электрически управляемый транспарант сигнал, полученный по результатам расчетов цифрового растра и оптических коррекций для разных рисунков. При этом возможен и такой вариант, когда все слои, входящие в структуру голограммы будут выполнены из электрически управляемых транспарантов, в том числе и те, которые обеспечивают требуемую оптическую коррекцию.
Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации.
Пример 1. В самом общем случае способ реализуется следующим образом. Исходный рисунок, например изображение интегральной микросхемы или топологии, преобразуют в растр в цифровой форме. Преобразование осуществляется следующим образом: исходный рисунок в виде черно-белого изображения размещается в некоторой системе координат. В частном случае рисунок может быть двухтоновой, когда изображение состоит, например, из белых элементов на черном фоне, а в общем случае - полутоновой, когда изображение состоит из деталей, имеющих один из заранее заданного количества уровней уровень яркости, например, от 0 до 255. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и так же размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме. Таким образом записывают информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель электромагнитного поля. Если требуется представить каждую точку растра как протяженный излучатель, например круг или квадрат, то координаты этой точки считаются координатами центра протяженного излучателя, яркость точки считается яркостью в центре протяженного излучателя, фаза точки считается фазой в центре протяженного излучателя, и дополнительно задается форма протяженного излучателя, распределение амплитуды и фазы по его поверхности.
Затем рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра электромагнитного поля. Для этого используют компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитывают интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме.
Полученные данные используют для определения местоположения прозрачных элементов в слоях голограммной маски, для чего сначала рассчитывают характеристики прозрачного фазосдвигающего слоя на основе рассчитанной функции пропускания, а саму функцию пропускания после этого изменяют (пересчитывают). Затем анализируют пересчитанную функцию пропускания и по результатам анализа выбирают метод бинаризации (расстановки отверстий) для основного амплитудного слоя, рассчитывают количество и требуемые характеристики дополнительных затемняющих слоев, рассчитывают расположение прозрачных элементов (отверстий) для непрозрачного слоя, рассчитывают бинаризацию для дополнительных затемняющих слоев и рассчитывают бинаризацию для прозрачного слоя.
Полученные данные используют для изготовления многослойной голограммной маски, состоящей из слоя непрозрачного вещества, нескольких слоев затемняющего (частично прозрачного) вещества и прозрачного фазосдвигающего слоя.
Пример 2. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников, окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры имели различные размеры (2,5-6 мм), а линии, их соединяющие, - различные толщины (2,5-6 мм). Исходный рисунок был преобразован в цифровой растр с помощью следующих действий. Исходный рисунок в виде черно-белого полутонового изображения размещается в некоторой системе координат. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и так же размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме.
Таким образом, записали информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель.
Затем рисунок, заданный в цифровой форме, использовали для расчета цифрового растра оптимизированного электромагнитного поля на поверхности фоторезиста. Для этого применили метод моделирования засветки фоторезиста электромагнитным излучением, прошедшим сквозь проекционную систему, состоящую из источника когерентного излучения, конденсора, проекционной маски и проекционного объектива. Параметры маски автоматически корректировались таким образом, чтобы в конечном итоге смоделированное изображение на фоторезисте не совпадало с исходным цифровым растром рисунка не более чем на заданную величину. Для реализации этого метода использовали компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением.
Затем рассчитали картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра оптимизированного электромагнитного поля на поверхности фоторезиста. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали персональный компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитали интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме. Расчет осуществлялся путем вычисления комплексной амплитуды излучения, создаваемого опорным источником в каждой точке голограммы и последующего сложения этой амплитуды с комплексной амплитудой расчетной картины дифракции.
Полученные данные использовали для модуляции пучка излучения, который использовался для записи голограммы на носителе. В качестве носителя голограммы использовался нанесенный на прозрачную подложку слой хрома толщиной 0,1 мкм, покрытый слоем электронорезиста марки ЭРП-40 толщиной 0,4 мкм, который экспонировался в электронно-лучевой установке ZBA-21. После записи голограммы в виде набора дискретных элементов электронорезист и хром последовательно подвергались обработке для удаления облученных участков.
Записанное на полученной голограмме изображение восстанавливалось с помощью источника излучения, в качестве которого использовался He-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм. В результате было получено восстановленное изображение исходного рисунка, уменьшенное в 10000 раз, при этом характерный размер геометрических фигур составлял 0,25-0,6 мкм.
Пример 3. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников, окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры имели различные размеры (2,5-6 мм), а линии, их соединяющие, - различные толщины (2,5-6 мм). Исходный рисунок был преобразован в цифровой растр с помощью следующих действий. Исходный рисунок в виде черно-белого полутонового изображения размещается в некоторой системе координат. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и так же размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме.
Таким образом, записали информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель.
Затем рассчитали картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра исходного рисунка. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали персональный компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитали интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме. Расчет осуществлялся путем вычисления комплексной амплитуды излучения, создаваемого опорным источником в каждой точке голограммы и последующего сложения этой амплитуды с комплексной амплитудой расчетной картины дифракции.
Полученные данные использовали для расчета функции пропускания голограммы и определения координат и свойств элементов в двух электрически управляемых транспарантах, для чего сначала на основе рассчитанной функции пропускания рассчитали изменение фазы для каждой ячейки прозрачного фазосдвигающего транспаранта, а саму функцию пропускания после этого изменили. Затем по результатам анализа измененной функции пропускания рассчитали требуемую степень пропускания для каждой ячейки транспаранта с переменной прозрачностью.
Затем настроили двухслойную голограммную маску, составленную следующим образом: на прозрачной подложке транспарант, состоящий из ячеек с регулируемой прозрачностью, а на нем - транспарант, состоящий из ячеек с регулируемым фазовым сдвигом (фазовращатель).
Записанное на полученной голограмме изображение восстанавливалось с помощью источника излучения, в качестве которого использовался He-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм. В результате было получено восстановленное изображение исходного рисунка, уменьшенное в 10000 раз, при этом характерный размер геометрических фигур составлял 0,25-0,6 мкм.
Пример 4. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников, окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры имели различные размеры (2,5-6 мм), а линии, их соединяющие, - различные толщины (2,5-6 мм). Исходный рисунок был преобразован в цифровой растр с помощью следующих действий. Исходный рисунок в виде черно-белого полутонового изображения размещается в некоторой системе координат. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и так же размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме.
Таким образом, записали информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель.
Затем рассчитали картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра исходного рисунка. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали персональный компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитали интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме. Расчет осуществлялся путем вычисления комплексной амплитуды излучения, создаваемого опорным источником в каждой точке голограммы и последующего сложения этой амплитуды с комплексной амплитудой расчетной картины дифракции.
Полученные данные использовали для расчета функции пропускания голограммы и определения местоположения прозрачных элементов в слоях голограммной маски, для чего сначала на основе найденной функции пропускания рассчитали расположение отверстий в прозрачном слое, который обеспечивает сдвиг фазы проходящего излучения на 180 градусов, а саму функцию пропускания после этого пересчитали. Затем по результатам анализа пересчитанной функции пропускания рассчитали характеристики дополнительного затемняющего слоя, рассчитали расположение отверстий для непрозрачного слоя, рассчитали расположение отверстий в дополнительном затемняющем слое.
Затем рассчитанные конфигурации отверстий в слоях использовали для изготовления трехслойной голограммной маски, состоящей из слоя непрозрачного вещества, слоя затемняющего (частично прозрачного) вещества и прозрачного фазосдвигающего слоя.
Записанное на полученной голограммной маске изображение восстанавливалось с помощью источника излучения, в качестве которого использовался Не-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм. В результате было получено восстановленное изображение исходного рисунка, уменьшенное в 10000 раз, при этом характерный размер геометрических фигур составлял 0,25-0,6 мкм.
Пример 5. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников, окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры имели различные размеры (2,5-6 мм), а линии, их соединяющие, - различные толщины (2,5-6 мм). Исходный рисунок был преобразован в цифровой растр с помощью следующих действий. Исходный рисунок в виде черно-белого полутонового изображения размещается в некоторой системе координат. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и так же размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме.
Таким образом, записали информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель.
Затем рассчитали картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра исходного рисунка. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали персональный компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитали интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме. Расчет осуществлялся путем вычисления комплексной амплитуды излучения, создаваемого опорным источником в каждой точке голограммы и последующего сложения этой амплитуды с комплексной амплитудой расчетной картины дифракции.
Полученные данные использовали для расчета функции пропускания голограммы и определения координат и свойств элементов в трех электрически управляемых транспарантах, для чего сначала на основе рассчитанной функции пропускания рассчитали изменение фазы для каждой ячейки прозрачного фазосдвигающего транспаранта, а саму функцию пропускания после этого изменили. Затем по результатам анализа измененной функции пропускания рассчитали требуемую степень пропускания для каждой ячейки транспаранта с переменной прозрачностью. Отдельно рассчитали распределение поворота плоскости вектора поляризации по площади голограммы.
Затем настроили трехслойную голограммную маску, составленную из электрически управляемых транспарантов следующим образом: непосредственно на прозрачной подложке - транспарант, состоящий из ячеек с регулируемой прозрачностью, в середине - транспарант, состоящий из ячеек с регулируемым фазовым сдвигом (фазовращатель) и сверху - транспарант, осуществляющий поворот плоскости поляризации.
Записанное на полученной голограммной маске изображение восстанавливалось с помощью источника излучения, в качестве которого использовался Не-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм. В результате было получено восстановленное изображение исходного рисунка, уменьшенное в 10000 раз, при этом характерный размер геометрических фигур составлял 0,25-0,6 мкм.
Пример 6. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников, окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры имели различные размеры (2,5-6 мм), а линии, их соединяющие, - различные толщины (2,5-6 мм). Исходный рисунок был преобразован в цифровой растр с помощью следующих действий. Исходный рисунок в виде черно-белого полутонового изображения размещается в некоторой системе координат. В той же системе координат размещают мелкую сетку с заранее заданным шагом. В области, занимаемой рисунком, для каждого узла сетки записывают координаты этого узла и яркость рисунка в этой точке. Если требуется воспроизвести рисунок с заданным распределением фазы излучения по этому рисунку, то это распределение фазы также представляется в виде черно-белого, в общем случае - полутонового, изображения и так же размещается в той же системе координат. Перечень четырех величин: двух координат, яркости и фазы для всех узлов сетки, находящихся в области, занимаемой исходным рисунком, представленный, например, в виде списка, вектора или матрицы, и является растром в цифровой форме.
Таким образом, записали информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как точечный излучатель.
Затем рассчитали картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра исходного рисунка. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали персональный компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Затем рассчитали интерференционную картину, которая будет получена от взаимодействия расчетной картины дифракции с расчетным волновым фронтом от виртуального опорного источника излучения, волновой фронт которого идентичен обращенному волновому фронту реального источника излучения, который в дальнейшем будет использоваться для восстановления изображения, записанного на голограмме. Расчет осуществлялся путем вычисления комплексной амплитуды излучения, создаваемого опорным источником в каждой точке голограммы и последующего сложения этой амплитуды с комплексной амплитудой расчетной картины дифракции.
Полученные данные использовали для расчета функции пропускания голограммы и определения местоположения прозрачных элементов в слоях голограммной маски, для чего сначала на основе рассчитанной функции пропускания определили расположение отверстий в прозрачном слое, который обеспечивает сдвиг фазы проходящего излучения на 180 градусов, а саму функцию пропускания после этого пересчитали. Затем по результатам анализа пересчитанной функции пропускания рассчитали коэффициент пропускания первого дополнительного затемняющего слоя, после чего функцию пропускания снова пересчитали. На основании вторично пересчитанной функции пропускания рассчитали расположение отверстий для непрозрачного слоя, затем рассчитали расположение отверстий в обоих дополнительных затемняющих слоях. Отдельно рассчитали распределение поворота вектора поляризации по площади голограммы.
Затем данные о повороте плоскости поляризации и рассчитанные конфигурации отверстий в слоях использовали для изготовления и настройки пятислойной голограммной маски, состоящей из электрически управляемого транспаранта, поворачивающего плоскость вектора поляризации, слоя непрозрачного вещества, слоя затемняющего (частично прозрачного) вещества и прозрачного фазосдвигающего слоя.
Записанное на полученной голограммной маске изображение восстанавливалось с помощью источника излучения, в качестве которого использовался Не-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм. В результате было получено восстановленное изображение исходного рисунка, уменьшенное в 10000 раз, при этом характерный размер геометрических фигур составлял 0,25-0,6 мкм.