Способ изготовления голографических изображений рисунка
Предложен cпособ изготовления голографических изображений рисунка. В способе преобразуют изображение рисунка в растр в цифровой форме. Записывают информацию об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как протяженный или точечный излучатель. Рассчитывают параметры записывающего пучка излучения для чего переводят элементы цифрового растра изображения рисунка в цифровой растр будущей голограммы. Рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности излучателей. 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 формировании голографического изображения рисунка. Используют полученный результат в качестве сигнала модуляции пучка излучения, используемого для формирования дифракционной структуры голограммы на носителе, и создают голограмму. Используют построчное сканирование носителя пучком излучения, модулированным по интенсивности, по его диаметру и распределению интенсивности внутри записывающего пятна. Техническими результатами являются уменьшение отклонений геометрии рисунка от заданного, увеличение разрешающей способности надежности записи временного списка дефектов. 3 з.п. ф-лы.
зобретение относится к области микролитографии, и может быть промышленно реализовано, например, при изготовлении интегральных схем, 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/сканеров), 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 25 до 125 миллионов долларов, не говоря уже о стоимости разработки, составляющей (в случае последних моделей) более миллиарда долларов.
В настоящее время в промышленности наиболее распространена фотомикролитография (или фотолитография). Обеспечиваемое ею разрешение Δх определяется длиной волны λ используемого излучения и числовой апертурой NA проекционной системы: Δx=k1λ/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 365 нм к эксимерным лазерам с длинами волн излучения 248 и 193 нм. Проекционные объективы современных степперов достигли диаметра 600-700 мм и весят более 700 кг. Кроме того, следует учитывать и необходимость использования иммерсии, обеспечения точного позиционирования и высокой производительности (до 200 кремниевых пластин диаметром 300 мм, содержащих 125 зон засветки размером 26×33 мм). Все это привело к экспоненциальному росту цен на современные высокоразрешающие степперы.
Увеличение разрешения, к сожалению, приводит к резкому уменьшению глубины фокусировки ΔF, т.к. ΔF=±λ/2(NA)2 [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 "22 (ограниченно) - 28-нанометровая технология", позволяющая создавать топологические элементы интегральных схем с разрешением 22-28 нм, в то время как следующим рубежом, по мнению экспертов, является создание проекционных систем и источников излучения, обеспечивающих уверенное разрешение на уровне 14 нм (в настоящее время уже имеются результаты, полученные в опытно-промышленном производстве), дальнейшее продвижение к разрешениям ≈10 нм требует перехода к источникам экстремального ультрафиолета (EUV-источникам) или даже перехода к мягкому рентгеновскому излучению. В настоящее время интенсивно ведутся эксперименты с микролитографией на λ=13,5 нм. Первая опытная установка, как сообщалось на форуме разработчиков компании INTEL (ведущего мирового производителя СБИС), была создана и еще 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, 125 миллионов долларов, а для отладки технологии серийного производства микропроцессоров с характерным размеров элементов на уровне 22 нм потребуется по самым оптимистическим оценкам еще 5-6 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, 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 (уменьшения характерных размеров топологических элементов критических слоев интегральных схем);
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/рассчитанным положением, чтобы при освещении полученного множества этих областей пропускания топографическое 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 создаваемых таким образом 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, создаваемого при освещении когерентным источником излучения голограммы, установленной перед чувствительным к используемому излучению материалом (GB 1331076 А, опубл. 19.09.1973 [2]). 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 достаточно коротковолновых источников излучения.
Известен способ получения бинарной голограммы, известный из RU 2262126 [3]. 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, причем изображение каждой из которых выполняют путем формирования суммарной зоны перекрытия пятен засветки, каждое из которых обеспечивает получение чувствительным материалом дозы излучения меньше Епор, где Епор - 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 Епор. 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 этого способа является ограничение, накладываемое на структуру получаемой бинарной голограммы, а именно: 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 топографического изображения путем изменения структуры голограммы. Известный метод также не учитывает возможности создания голограммы в виде набора областей пропускания в среде, прозрачной для излучения, формирующего топографическое изображение, или чередующихся углублений в отражающей это излучение среде, или комбинаций части из этих вариантов, что не позволяет максимально использовать возможности, предоставляемые топографическим методом для получения высококачественного изображения. Кроме того, известный метод не рассматривает возможностей проведения до изготовления голограммы корректировок ее структуры, учитывающих физические условия получения топографического изображения и выполняемых с целью получения максимально возможного качества последнего.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления топографических изображений рисунка, известный из RU 2396584 [4]. 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 двухтоновым, когда изображение состоит, например, из белых элементов на черном фоне, а в общем случае - полутоновым, 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 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. Трудоемкость оптимизации голограммы может в десятки раз превосходить трудоемкость первоначального расчета голограммной маски. Кроме того, анализ структуры синтезируемой таким образом голограммы, в которой амплитудное пропускание формируется за счет размещения пропускающих элементов одного размера (отверстий) с различной плотностью, показал, что такой подход требует многократного превышения размеров голограммы над размером изображения.
Заявляемый в качестве изобретения способ изготовления голографических изображений рисунка направлен на получение рисунка с высокими технологическими параметрами, включая уменьшение отклонений геометрии получаемого рисунка от заданного, повышение контраста получаемого рисунка, увеличение разрешающей способности, а также на уменьшение размеров голограммной маски, необходимой для воспроизведения указанного рисунка.
Указанный результат достигается тем, что способ изготовления голографических изображений рисунка предусматривает eго преобразование в растр в цифровой форме, запись информации об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как протяженный или точечный излучатель, расчет необходимых параметров для записывающего пучка излучения, для чего переводят элементы цифрового растра изображения рисунка в цифровой растр будущей голограммы, при этом рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, 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 формировании голографического изображения рисунка, используют полученный результат в качестве сигнала модуляции пучка излучения, применяемого для формирования дифракционной структуры голограммы на носителе и создают голограмму, для чего используют построчное сканирование носителя пучком излучения, модулированным по интенсивности, по его диаметру и по распределению интенсивности внутри записывающего пятна.
Указанный результат достигается так же тем, что цифровой растр голограммы преобразуют в цифровой растр восстановленного изображения рисунка и сравнивают его с растром исходного изображения рисунка, выбирают меру несовпадения, сравнивают по этой мере и по результатам сравнения вносят коррекцию в цифровой растр исходного изображения рисунка.
Указанный результат достигается также тем, что цифровой растр голограммы преобразуют в цифровой растр восстановленного изображения рисунка, рассчитывают пятно размытия - цифровой растр восстановленного изображения рисунка, состоящего из одной точки, вносят коррекцию в цифровой растр исходного изображения рисунка для каждой точки этого растра с помощью добавления взятого с некоторым коэффициентом заранее рассчитанного цифрового растра пятна размытия, перенесенного центром в эту точку, а затем рассчитывают окончательный цифровой растр голограммы.
Указанный результат достигается также тем, что для расчета коэффициентов используют любой из градиентных методов оптимизации.
Для получения восстанавливаемого изображения рисунка с высокими технологическими параметрами исходный 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 для записывающего пучка излучения, для чего переводят элементы цифрового растра изображения рисунка в цифровой растр будущей голограммы, при этом рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, 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 формировании голографического изображения рисунка, затем для уменьшения отклонений геометрии получаемого рисунка от заданного, повышения контраста получаемого рисунка, увеличения разрешающей способности, а также уменьшения размеров голограммной маски, необходимой для воспроизведения указанного рисунка, цифровой растр голограммы преобразуют в цифровой растр восстановленного изображения рисунка и сравнивают его с растром исходного изображения рисунка, выбирают меру несовпадения, сравнивают по этой мере и по результатам сравнения вносят коррекцию в цифровой растр исходного изображения рисунка, а затем на основании скорректированного растра изображения рисунка вновь рассчитывают цифровой растр голограммы, и затем используют полученный результат в качестве сигнала модуляции пучка излучения, используемого для формирования дифракционной структуры голограммы на носителе.
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.
Построчное сканирование носителя пучком излучения позволяет осуществить запись на носитель элементов его дифракционной структуры - зон с измененными оптическими свойствами, имеющих непрерывное распределение величины заданного оптического свойства (например, коэффициента пропускания, коэффициента отражения, фазового сдвига) внутри каждой зоны.
Модуляция пучка излучения по интенсивности, по его диаметру и распределению интенсивности внутри записывающего пятна обеспечивает возможность записывать на носитель с помощью построчного сканирования такие зоны измененных оптических свойств, которые имели бы предельно малый размер, приближающийся к размеру дифракционного пятна размытия записывающего пучка излучения и в то же время - произвольное распределение изменяемых оптических свойств внутри себя.
Преобразование цифрового растра голограммы в цифровой растр восстановленного изображения рисунка и сравнение его с растром исходного изображения рисунка, выбор меры несовпадения, сравнение по этой мере и внесение коррекции в цифровой растр исходного изображения рисунка по результатам сравнения позволяет расчетным путем, без проведения эксперимента, оценить и повысить качество рисунка.
Преобразование цифрового растра голограммы в цифровой растр восстановленного изображения рисунка и последующий расчет пятна размытия - цифрового растра восстановленного изображения рисунка, состоящего из одной точки, внесение коррекции в цифровой растр исходного изображения рисунка для каждой точки этого растра с помощью добавления, взятого с некоторым коэффициентом заранее рассчитанного цифрового растра пятна размытия, перенесенного центром в эту точку, позволяет упростить и ускорить процесс расчета окончательного цифрового растра голограммы.
Ускорение обусловлено следующим.
Предметное поле объекта может быть представлено в виде отдельных излучающих квадратных пикселов. Рассмотрим голограмму одного пиксела и восстановим с нее изображение светящегося пиксела. Получим несколько «размазанное» изображение маленького квадратика. Полученное «пятно размытия» неодинаково для пиксела, расположенного с краю объекта и в его центре. Однако, если голограмма много больше объекта и находится от объекта на расстоянии, существенно больше размеров объекта, то этим различием можно пренебречь, и пятна размытия будут отличаться друг от друга только сдвигом вдоль плоскости объекта, но не формой. Поэтому восстановленное изображение всего объекта можно представить как линейную комбинацию «пятен размытия», полученных из одного «пятна размытия» сдвигами вдоль плоскости объекта. В таком случае можно моделировать результат «предыскажения» предметного поля просто вариацией коэффициентов упомянутой линейной комбинации, а вычислять значения этой линейной комбинации с помощью известного метода - с использованием быстрого преобразования Фурье. Изменение коэффициентов линейной комбинации - это и есть предыскажение предметного поля.
Выбор коэффициентов осуществляется путем минимизации функционала отличия моделируемого изображения и некоторого «идеального» заданного заранее изображения. При этом на каждом шаге оптимизации необязательно создавать голограмму и восстанавливать с нее изображение (что требует большого количества операций). Достаточно только использовать рассчитанное заранее и хранящееся в памяти ЭВМ «пятно размытия». Это резко сокращает количество операций, необходимых для оптимизации, и позволяет использовать классические методы оптимизации.
При этом, как показали проведенные исследования, возможно использование для расчета коэффициентов любого из градиентных методов оптимизации. Преимущество их использования состоит в том, что проведение расчетов значительно ускоряется по сравнению с методом локальных вариаций и другими методами, не использующими вычисление производных.
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 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 рисунок, заданный в цифровой форме, используют для расчета цифрового растра оптимизированного электромагнитного поля на поверхности фоторезиста, для чего используют компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением.
Затем рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, создаваемую от всей совокупности виртуальных излучателей - элементов цифрового растра оптимизированного 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 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 резист какого-либо типа, чувствительный к используемому излучению.
Пример 2. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников и окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры имели различные размеры (4-6 мм), а линии, их соединяющие, различные толщины (1-1,5 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 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, 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 отличалось бы от исходного цифрового растра 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 компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением.
Затем рассчитывали 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 кварцевую подложку слой фоторезиста марки Shipley 1808 толщиной 0,4 мкм, который экспонировался в специальной установке, использующей в качестве источника излучения He-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм.
Входящие в состав установки оптические элементы, снабженные электромеханическими приводами, обеспечивали контролируемое построчное сканирование носителя пучком излучения, модулированным по интенсивности, по его диаметру и распределению интенсивности внутри записывающего пятна. Управление электромеханическими приводами осуществлялось от персонального компьютера, снабженного соответствующим программным обеспечением, использующим в качестве входных данных цифровой растр окончательной голограммы.
По окончании экспонирования носителя голограммы формировался слой фоторезиста с непрерывной переменной засветкой, который затем подвергался обработке для удаления засвеченных участков. В результате на носителе голограммы образовывался микрорельеф с профилем, соответствующим проведенному экспонированию.
Затем с помощью ионного плазменного травления профиль обработанного фоторезиста переносился в кварцевую подложку.
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 0,4-0,6 мкм.
Пример 3. В качестве исходного рисунка использовалось изображение наборов различных геометрических фигур (квадратов, треугольников и окружностей, соединенных между собой прямыми линиями). Геометрические фигуры и линии, их соединяющие, имели различные размеры и 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. Распределение фазы также представляется в виде черно-белого 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, 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 излучателей - элементов цифрового растра изображения рисунка. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением.
Затем рассчитывали цифровой растр основной голограммы - 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 сложения этой амплитуды с комплексной амплитудой расчетной картины дифракции.
Затем рассчитывали таким же способом цифровой растр вспомогательной голограммы, для чего в качестве исходного рисунка использовали изображение, состоящее из одной фигуры с размерами менее 1/2 длины волны источника излучения.
Затем рассчитывали изображение, которое будет восстановлено с полученного вышеуказанным способом цифрового растра основной голограммы. Расчет осуществлялся путем
- вычисления комплексной амплитуды излучения, создаваемого при восстановлении каждой точкой голограммы;
- вычисления картины дифракции в каждой точке виртуально восстановленного рисунка, создаваемой от всей совокупности излучателей - элементов цифрового растра голограммы. Для этого использовался метод вычисления сумм типа свертки с использованием преобразования Фурье и употреблением алгоритма быстрого преобразования Фурье. Для его реализации использовали компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением.
Затем также рассчитывали цифровые растры амплитуды и фазы пятна размытия - изображения, которое будет восстановлено с цифрового растра вспомогательной голограммы.
Затем вычисляли меру несовпадения - сумму модулей разностей интенсивностей всех точек растров исходного рисунка и виртуально восстановленного в цифровом виде из цифрового растра основной голограммы.
Затем в каждой точке цифрового растра виртуального восстановленного рисунка прибавляли умноженный на некоторый коэффициент цифровой растр пятна размытия, перенесенного своим центром в эту точку.
Коэффициенты выбирались путем минимизации указанной выше меры несовпадения с помощью градиентного метода оптимизации. Для его реализации использовали компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением.
Затем, используя тот же способ, каким ранее были рассчитаны цифровые растры основной и вспомогательной голограмм, рассчитывали цифровой растр окончательной голограммы, принимая за исходное изображение цифровой растр оптимизированного рисунка - результат работы метода оптимизации.
Полученные данные - цифровой растр окончательной голограммы - использовали для модуляции пучка излучения, который применялся для записи голограммы на носителе.
В качестве носителя голограммы использовался нанесенный на прозрачную кварцевую подложку слой фоторезиста марки Shipley1808 толщиной 0,4 мкм, который экспонировался в специальной установке, использующей в качестве источника излучения He-Cd лазер марки PLASMA мощностью 90 мВт с длиной волны излучения 0,442 мкм.
Входящие в состав установки оптические элементы, снабженные электромеханическими приводами, обеспечивали контролируемое построчное сканирование носителя пучком излучения, модулированным по интенсивности, по его диаметру и распределению интенсивности внутри записывающего пятна. Управление электромеханическими приводами осуществлялось от персонального компьютера, снабженного соответствующим программным обеспечением, использующим в качестве входных данных цифровой растр окончательной голограммы.
По окончании экспонирования носителя голограммы формировался слой фоторезиста с непрерывной переменной засветкой, который затем подвергался обработке для удаления засвеченных участков. В результате на носителе голограммы образовывался микрорельеф с профилем, соответствующим проведенному экспонированию.
Затем с помощью ионного плазменного травления профиль обработанного фоторезиста переносился в кварцевую подложку.
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 топологических элементов составлял 0,25-0,5 мкм.
1. Способ изготовления голографических изображений рисунка, включающий его преобразование в растр в цифровой форме, запись информации об амплитуде и фазе, характеризующих каждую точку растра как протяженный или точечный излучатель, расчет необходимых параметров для записывающего пучка излучения, для чего переводят элементы цифрового растра изображения рисунка в цифровой растр будущей голограммы, при этом рассчитывают картину дифракции в каждой точке будущей голограммы, 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 формировании голографического изображения рисунка, используют полученный результат в качестве сигнала модуляции пучка излучения, используемого для формирования дифракционной структуры голограммы на носителе, и создают голограмму, отличающийся тем, что используют построчное сканирование носителя пучком излучения, модулированным по интенсивности, по его диаметру и распределению интенсивности внутри записывающего пятна.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровой растр голограммы преобразуют в цифровой растр восстановленного изображения рисунка и сравнивают его с растром исходного изображения рисунка, выбирают меру несовпадения, сравнивают по этой мере и по результатам сравнения вносят коррекцию в цифровой растр исходного изображения рисунка.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что цифровой растр голограммы преобразуют в цифровой растр восстановленного изображения рисунка, рассчитывают пятно размытия - цифровой растр восстановленного изображения рисунка, состоящего из одной точки, вносят коррекцию в цифровой растр исходного изображения рисунка для каждой точки этого растра с помощью добавления взятого с некоторым коэффициентом заранее рассчитанного цифрового растра пятна размытия, перенесенного центром в эту точку, а затем рассчитывают окончательный цифровой растр голограммы.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для расчета коэффициентов используют любой из градиентных методов.
