随着科技的发展,以衍射光栅、二维微孔阵列为代表的周期微纳结构在诸多科研及工业领域有着十分广泛的应用。目前,光学光刻法是制备大面积、高精度周期微纳结构的重要手段。因此在利用有掩模的光学光刻法对周期微纳结构进行制备的过程中,自成像效应成为一个不可忽视的因素。作为周期微纳结构的经典物理效应之一,自成像效应会在沿光轴方向上以特定的距离为周期,不断复现该结构的本身像以及翻转像,即自成像和相移自成像,具有无镜头成像的特点。现有针对将自成像效应与光刻进行结合的相关研究,主要集中于如何在光刻感光介质上高质量地记录下周期微纳结构的自成像和相移自成像。这些研究工作是基于接近式光刻法展开,并在紫外波段、深紫外波段以及EUV波段进行了实验验证,属于定位型自成像光刻法。此外,有研究团队为解决定位型自成像光刻法焦深过短的问题,提出了一种空域扫描积分光刻的方法,但该方法存在运动机构十分复杂、曝光控制难等问题。综上,前述的研究主要考虑的是如何利用自成像效应进行高分辨力光刻,而并未对自成像效应在光刻中所引入的其他影响进行过研究。本论文主要基于自成像效应在光刻过程中的“利、弊”两个方面,分别对接近式光刻、投影式光刻中的自成像效应展开研究和分析。1、从“利”的方面,论文首先研究了定位型自成像光刻中的焦深问题。将所有衍射级次分量纳入考虑范围推导出定位型自成像光刻焦深较为严格的表达式。通过数值仿真与实验对比相结合方法,验证了理论的正确性。同时,利用定位型自成像光刻法实现了太赫兹金属网聚酰亚胺薄膜基底制备。2、为平衡定位型自成像光刻的焦深与分辨力,论文进一步提出一种利用紫外光谱积分自成像效应进行周期微纳结构制备的方法。利用不同波长透过周期掩模的自成像与相移自成像在光轴方向上的非相干叠加,获得可用于光刻的超长焦深。在验证实验中,在光刻感光介质上记录下百纳米线宽的Ronchi光栅结构,并实现了相对于掩模的周期倍频。该方法具有高性价比、相对高分辨力和大面积制备的优势。3、从“弊”的方面,论文主要研究了在投影光刻中因自成像效应而引入的光刻图案周期失真问题。这类问题在之前的研究中很少被提及。在利用投影光刻法制备周期微纳结构时,即使投影物镜分辨力与微纳结构特征尺寸匹配,其物方焦深也会出现与掩模自成像光场之间不匹配的问题。在这种情况下,掩模的零阶自成像、部分第一阶相移自成像以及第一阶相移自成像焦深外光强分布会同时被物镜成像至匀胶基底上。我们通过理论推导、数值仿真结合验证实验的手段,分别对投影光刻中一维和二维周期微纳结构掩模进行了分析。4、提出一种二次谐波非线性自成像效应与空域扫描积分光刻相结合的新型高分辨光刻方法。二次谐波波长为入射基波的1/2,因此相比于线性自成像效应,非线性自成像的分辨力将提高一倍,降低对短波长光刻光源的要求。同时,采用空域扫描积分光刻可以进一步将自成像与相移自成像记录在感光介质上,实现周期倍频。该思路获得了青年科学基金的支持,本文对其进行了初步探索。