通过自适应曲率分割和区域特定拟合实现高保真数字光刻技术，用于复杂图案的制造

《Optics & Laser Technology》：High-fidelity digital lithography method via adaptive curvature segmentation and region-specific fitting for complex patterns

　　针对数字微镜器件（DMD）光刻技术中像素化效应导致的边缘锯齿和线宽误差问题，提出了一种改进的动态模糊曝光（DBE）技术。该方法通过自适应阈值分割动态划分复杂图案的局部曲率区域，并采用线性或多项式最优拟合策略进行子图处理，有效解决了传统方法因全局拟合产生的位移偏差和边缘扩散问题。实验表明，边缘锯齿从1.32μm降至0.15μm（改善88.6%），线宽误差率降低45.16%，且无需改造光学系统即可实现纳米级精度边缘优化，适用于高分辨率光刻和微纳制造。

　　

黄胜洲|邵永康|吴东杰|潘建妮|何思文|徐婵婵

安徽工业大学人工智能学院，中国芜湖

摘要

数字微镜装置（DMD）在数字光刻技术中的像素化效应会导致明显的边缘锯齿和线宽误差，从而限制了复杂微结构的成像精度和尺寸控制能力。为了解决这个问题，提出了一种改进的曲率动态模糊曝光（DBE）技术，该技术结合了自适应阈值分割用于区域特定特征提取和最优拟合策略进行子图像处理。该方法根据曲率特征动态将复杂图案划分为子区域，并为每个部分应用定制的拟合模型（例如线性或多项式）。这有效地解决了由于局部拟合失真导致的各种问题，如位移偏差、边缘像素扩散和线宽扩展。无需额外的预处理步骤来抵消这些偏差，所提出的方案实现了高精度的边缘优化，同时显著降低了工艺复杂性。仿真和实验结果表明，与传统方法相比，边缘锯齿从1.32 μm减少到0.15 μm（提高了88.6%），线宽误差率降低了45.16%。重要的是，这种优化是在不修改光学系统的情况下实现的，提高了微/纳米制造的图案保真度。该技术在高分辨率DMD光刻、多层图案化和自由形微结构制造中具有广泛的应用前景，为工业规模精密制造提供了稳健的解决方案。

引言

数字微镜装置（DMD）技术[[1], [2], [3]]已成为半导体制造[4]、生物医学工程[5]和增材制造[6]中数字光刻的基石，这得益于其成本效益[7]、高吞吐量[8]和系统紧凑性[9]。DMD取代了传统的光掩模[10]，实现了印刷电路板（PCBs）[11]、组织支架[12]和微光学元件[13]的快速图案化。然而，微镜阵列[14]的固有离散性会在图案边缘产生像素化效应，表现为明显的锯齿（>1 μm）[15]和线宽偏差[16]。这些缺陷严重影响了亚微米应用中的尺寸精度[17]，阻碍了DMD在高分辨率光刻中的应用[18]。

为了解决这个问题，全球的研究人员提出了几种改进方法。例如，Chen等人[19]采用了摆动技术，通过控制DMD微镜与平台之间的亚像素级相对位移来补偿锯齿，但这种方法需要高精度的位移平台，显著增加了系统复杂性。Yang等人[20]提出了基于遗传算法的光学邻近校正（OPC）来预先补偿掩模设计中的线宽误差，但其迭代优化需要大量的计算周期，阻碍了实时曝光应用。灰度光刻[21]通过调节曝光能量梯度来平滑边缘，但需要12位高精度光强调制模块，大大增加了设备成本。此外，还有一种基于像素重叠的更高效优化策略（例如脉冲扫描曝光[22]、强度调制OPC[23]），通过亚像素位移填充几何不连续性，将锯齿误差减少到初始值的45%-55%。在2016年至今的现有边缘锯齿补偿策略中（例如摆动技术[19]、脉冲扫描[22]、协同调制[23]），上述方法平均减少了大约50%的锯齿误差。对于通过极大量子图优化边缘粗糙度的策略（例如时空调制技术[24]），需要连续重叠400多个子图案来提高边缘平滑度。

在之前的工作中[25]，我们的研究小组提出了一种基于曲率的动态模糊曝光技术，该技术通过曲线拟合结合三维纳米级定位平台[26]来减轻边缘锯齿。虽然这种方法对简单几何结构表现出显著的效果，但其对固定阈值和全局拟合的依赖限制了其对非线性曲率图案的适应性[27,28]。为了解决这些限制，我们提出了一种改进的方法：自适应阈值分割技术根据局部曲率动态划分边缘，并且可以通过参数调整来调整子区域的数量，以平衡效率和精度。最优拟合策略（如最小二乘法或样条方法）可以灵活应用于不同的子区域，有效保留了线性和非线性边界特征，同时大幅减少了拟合失真。这种方法减轻了扩展动态模糊预补偿机制以控制由拟合误差引起的线宽漂移的固有复杂性。所提出的方法在复杂图案的光刻中表现出优越的性能，推动了DMD向纳米级精度的发展。

章节片段

数字光刻系统设置

本实验中使用的基于DMD的数字光刻系统由我们的研究小组自主研发，包括以下核心组件：UV光源、均匀化模块、DMD芯片和控制器、镜子、投影镜头、带有压电陶瓷执行器的三维纳米定位平台以及中央控制计算机。系统结构的示意图如图1所示。光源是UV-LED（型号：CBT-39-UV-C32-FB400-22）

仿真与验证

为了验证第2章中提出的图像分割和拟合策略在实际图案曝光中的适用性，在相同的光学系统结构和参数下进行了仿真，并进行了比较分析。使用了三组掩模图案：原始图案、用传统方法处理的图案以及用改进方法处理的图案。仿真工作流程包括自适应阈值的选择

实验结果与讨论

在本实验中，选择了心形图案的左半部分作为曝光目标，以评估所提出方法对复杂曲线结构的适用性和优化性能。实验过程中，树脂和基底被安装在三维运动平台的表面上，采用浸没曝光工艺。平台由D3S闭环压电控制器驱动，确保了高精度的位移控制和重复定位

结论

本研究提出了一种改进的基于曲率的DBE技术，该技术结合了自适应分割和区域特定拟合，有效减轻了DMD光刻中由像素化引起的图案退化。该方法根据局部曲率动态划分边缘，并为不同的线段应用定制的拟合模型（如线性或多项式函数），从而显著提高了边缘的平滑度和尺寸精度。实验结果

作者贡献声明

黄胜洲：方法论、研究、形式分析、数据管理。邵永康：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。吴东杰：撰写——审稿与编辑、监督。潘建妮：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、概念构思。何思文：监督、概念构思。徐婵婵：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62305001）、安徽省重点研发计划（2022a05020008）、安徽省自然科学基金（2308085MF210）、芜湖市技术场景应用研发项目（2024cj09）、安徽省中青年教师培训项目（JNFX2023015）、安徽工业大学研究生教育创新基金以及新时代的支持