从“复杂光学”到“智能光源”：一种超表面驱动的匀光与监测一体化光刻照明范式

技术应用背景

光刻技术是半导体制造的核心环节，而照明系统则在其中扮演着“隐形中枢”的角色，直接决定着成像质量与生产效率。在这一体系中，匀光单元与监测单元构成了两大核心功能模块：前者负责实现高均匀度的掩模照明，后者则用于实时功率监测与偏差矫正，两者直接关系到光刻工艺的稳定性与可靠性。长期以来，工业界主要采用基于科勒照明原理的复杂光学系统，通过积分棒、微透镜阵列以及多级透镜组的协同作用实现均匀化照明。然而，这一成熟体系背后始终存在难以回避的瓶颈：首先，为获得更优的照明性能，往往需要引入更复杂、更大规模的光学系统，从而显著增加系统成本与集成难度；其次，多级光学元件的级联设计对系统装调精度提出了更高要求，带来高精度对准与长期稳定性挑战；此外，传统监测系统通常依赖独立光路设计，造成结构冗余与系统复杂度提升，同时光源局部失效还会进一步引发维护成本增加及整机停机风险上升。在大视场曝光、低成本制造以及智能化光刻设备的需求驱动下，传统照明架构正逐渐逼近其性能与工程实现的极限。发展一种紧凑化、低成本、可扩展且具备智能调控能力的新型光刻照明策略，已成为推动下一代光刻技术向智能制造体系演进的关键，具有重要的学术意义与产业应用价值。

研究工作意义

针对传统光刻照明系统在“高均匀性-高复杂度”之间的长期权衡难题，鹏城实验室余少华院士与浙江大学曹子峥教授团队联合中山大学、南京大学和北京理工大学团队提出了一种全新的解决方案——基于非对称扩散超表面的无透镜匀光与监测一体化光刻照明系统。该工作在体系架构与物理机制上实现了三项关键突破：

（1）单一器件实现双功能一体化。通过设计超表面结构，在同一平面器件中同时实现两类核心功能（图1）：反射侧用于实现高均匀度照明，透射侧用于实时光源监测。该方案首次在无透镜架构下，借助智能算法，将“匀光”与“监测”两大功能融合于单一器件中，显著降低了系统复杂度。

（2）非对称扩散光学机制。通过精细调控纳米结构引入的光程差，实现反射与透射通道的解耦调控（图2）：反射光呈现强扩散特性，用于实现均匀照明；透射光则保持正常透射传播，用于光源状态监测。在同一器件中实现两种差异化光学功能响应，突破了传统光学元件功能单一的限制。

（3）算法驱动的智能光源系统。系统引入遗传算法与灰度-功率映射算法，实现光源阵列的智能调控：遗传算法用于优化LED阵列配置，实现优于3%的照明不均匀性（图3）；灰度-功率映射算法实现对LED工作状态的实时识别，可准确检测故障光源并动态调整照明方案（图4），从而实现“自动避障”式照明，无需中断系统运行或更换光源。

该照明系统在自研的大视场光刻平台上完成了系统验证（图5），实验结果表明：照明不均匀性优于3%，可实现多尺度图案清晰曝光，支持约10 cm× 10 cm的大视场均匀照明，并在部分LED失效情况下仍能稳定运行，充分验证了该系统的技术可行性与工程应用潜力。

该工作的重要价值在于：

（1）构建了一种光刻照明系统的新范式：从“光学堆叠”到“功能融合”，传统系统依赖多级光学元件叠加实现功能，而该方案通过单层超表面实现多功能集成，大幅简化了系统结构；从“固定设计”到“智能调控”，传统照明系统以固定设计为主，而该工作引入了实时监测与动态优化机制，使系统具备自适应调控能力；从“硬件依赖”到“算法驱动”，将系统复杂度由光学硬件转移至软件算法，实现软硬件协同优化，为兼顾照明系统的低成本与高性能，提供统一的新型技术路径。

（2）充分体现了产学研协同创新优势。项目依托鹏城实验室国家级科研平台，联合中山大学、南京大学、浙江大学、北京理工大学等高校团队，在器件设计、算法优化与系统实现等方面开展深度合作，形成了“基础理论—器件设计—系统集成—平台验证”的完整技术链条。这种跨机构协同模式为复杂光电系统的快速工程化与产业转化提供了重要支撑。

未来应用展望

该技术不仅在学术上具有创新意义，更展现出清晰的产业化路径。在先进封装领域，该成果有望应用于掩模对准光刻与大视场曝光系统，提升照明性能并降低系统复杂度；在新兴制造领域，有望赋能Mini/Micro LED、MEMS与功率器件、柔性显示及可穿戴电子等多类微纳制造场景；在智能制造方向，该技术可进一步扩展为具备自监测与自适应调控能力的“智能光源”，并结合AI技术实现光刻过程的动态优化。同时，该技术为国产新型光刻装备中的核心功能模块研发提供了重要支撑。

更值得关注的是，这一方案天然具备“光场编程”的能力。通过与计算光刻（如光源-掩模联合优化）及人工智能设计方法的深度融合，有望构建新一代可重构光场调控体系，推动标准化、模块化的匀光照明产品研发。在高校与国家级科研平台持续协同攻关的基础上，该成果具备良好的工程应用前景与产业孵化条件，有望在未来促进国产光刻设备关键模块研发实现实质性突破。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1197