随着信息产业的蓬勃发展和“中国制造2025”战略的提出,企业对半导体器件的需求不断扩大,国家已经将芯片列入战略产业,企业界对半导体芯片的品质需求也在日益增加。芯片生产中非常关键的主要制造工艺是光刻曝光。在这样的大背景下,光刻技术得以迅速发展。激光直写技术是一种通过改变聚焦位置从而控制激光束在光刻胶上直接进行曝光的光刻技术,也可称其为无掩模光刻技术,主要用于制作纳米级的衍射光学元件以及激光投影曝光用的掩模。其灵活性高,可以光刻灰阶掩模,并且避免了传统掩模工艺因多次套刻带来的随机误差,有效提升了加工精度。本课题主要研究激光直写光刻系统中光束控制技术,重点研究光束整形算法和基于所研究算法的实验验证,提出改进的退火-迭代傅里叶变换算法设计相位器件来获得平顶光束。在实践上,利用调制相位信息与空间光调制器相结合,实现高斯入射光束和平顶光束的转换,有效提高了直写光束能量利用率,改善光刻线条质量,对提高半导体元件的制作精度有重要的参考意义。论文的主要研究内容如下:详细介绍了常见光束整形算法的基本原理,分析了Gerchberg-Saxton算法、模拟退火算法以及傅里叶迭代算法等几种基本光束整形优化算法的原理性能。提出一种改进的退火-迭代傅里叶变换算法,该算法可以在克服初值敏感问题的同时,有效提高优化精度;相同的优化效果下,有效减少迭代次数,减少运算时间。理论上使用该算法调制球函数和多点函数的均方误差可低至1.94%和3.98%。设计了光束整形直写实验系统,并应用改进的退火-迭代傅里叶变换算法将高斯型入射光束整形为均匀的平顶光束,仿真均方误差低至3.94%。根据所提出的算法,利用纯相位液晶空间光调制器完成光束调制。分析了液晶空间光调制器的相位调制原理,相位测量的算法原理。完成了空间光调制器相位-灰度特性曲线的测定,使得空间光调制器更精确地调制相位信息。工艺方面,采用时域有限差分方法(FDTD)对建立与实际直写装置相同的模型,根据仿真结果确定了适宜的胶层厚度。并进行多次曝光显影实验,研究优化工艺流程中的各项实验参数,将各项影响直写线条光刻质量的因素降至最低。最后,搭建光束整形激光直写实验装置,对平顶光束调制效果进行实验验证。从采集到的离焦面的发散平顶光束可以看出,平顶光束整形效果与仿真结果基本一致。从光刻线条的线宽随光强趋势以及线条沟槽的形貌可知,经过调制后得到的光刻线条对光强波动不敏感,线条边缘及底部与侧壁连接处更加锋利,沟槽底部的均匀性有明显提升。