陈龙江[1]2010年在《曲面激光直写中若干关键技术研究》文中研究指明本课题搭建了一套新型兼顾直角坐标与极坐标的激光直写系统,该系统与以往的常规直写系统不同,通过创新的恒姿态结构,以光刻光路与闭环检测光路设计成分立体系,将整个光学准直聚焦系统和焦点检测的闭环反馈光路系统同时构建于一个高精度的一维平动导轨上,在进行直写光刻的过程中光刻光路和检测光路始终保持联动,该恒姿态系统可以有效的克服以往传统激光直写系统的焦点定位不准、光刻光路和检测光路出现偏差所导致的光刻线条移位等缺点。同时直接利用计算机对曝光光强和时间进行数字化控制,克服以往声光调制的同步性不高和实时性不好等不足。平面激光直写技术已经发展到比较成熟,而曲面光刻,尤其是曲面激光直写技术的研究与工艺开发还处于刚起步阶段。和平面衍射光学元件(DOE)、平面微光机电系统(MOMES)相比,曲面DOE、曲面MOMES有更多的设计自由度,更好的光学性能表现和更出色的微结构特性,但曲面DOE、曲面MOMES的制作却相对来说要困难得多。本课题在设计并搭建了一套新型适宜于在曲面基片进行光刻的恒姿态激光直写系统的基础上,开展曲面激光直写光刻以及相关基础性制作工艺研究,主要以在曲面基片上进行激光直写光刻以及相应的曲面衍射光学元件的制作工艺为研究对象,同时详细分析并讨论了对于曲面光刻最为重要的几个关键技术：曲面甩胶尤其是凸面甩胶技术,曲面胶层厚度的测量方法,曲面光刻过程中的对中、调焦技术,曲面直写光刻的曝光模型等。本论文所撰写的主要内容介绍如下：第一章、本文的绪论,主要介绍了本课题以及本论文相关研究内容的发展现状,简要分析了一些传统上常规的和最近新出现的用于制作衍射光学元件(DOE)、微光机电系统(MOMES)等微光学元件的技术,比如投影曝光、激光直写、金刚石车削、塑料注射成型、LIGA (Lithographie, Galanoformung, Abformung)技术、微电铸等,并对比总结了它们各自的优缺点,指出激光直写光刻虽然是一种逐渐趋于成熟的技术,但依旧有其比较性优点、研究价值和应用市场,尤其是在掩膜制作和曲面微光学元件的加工上。回顾和概括了利用常规成熟的激光直写系统制作平面微光学元件的技术在工艺发展上的主要优缺点和应用上的概况,同时简析了曲面微光学元件(CMOE)相较于平面微光学元件(PMOE)在光学性能、机械性能上的优点,阐述了曲面微光学元件在应用上的需求,以及利用激光直写技术制作曲面微光学元件的必要性和可行性,从而引出本论文的研究背景。第二章、搭建了一套新型的适宜于在曲面基片进行光刻加工的恒姿态激光直写系统,详细介绍了该系统的总体构成,以及各个子系统组件和模块的功能配置情况。围绕着该直写系统的光机结构,讨论了利用该系统在曲面基片上进行直写加工的可行性和优势所在。还从理论上简要介绍了本直写系统基于能量检测和位置传感器(Position Sensitive Detector, PSD)的调焦原理。然后以该直写系统为基础,简要介绍了在曲面基片上进行直写光刻的加工过程。第三章、首先指出了利用传统上常规的离心旋涂式甩胶机,在曲面基片上进行光刻胶旋涂过程中,会因为胶液重力分量的存在而导致胶层分布质量变差。而因为直写光刻时胶层内部的光强相对分布和曝光量相对分布会存在一定的不一致性,所以曲面基片上均匀性比较差的胶层分布会对直写光刻所得线条和微结构图形的质量造成很差的影响。以此为出发点,得出了研究曲面甩胶和胶厚分布均匀性在工艺上的必要性。根据流体力学理论,详细分析和讨论了在凸面基片上进行旋涂甩胶过程中胶液的受力状态。并在理论上分别建立了凸面基片上进行旋涂甩胶后所得胶厚分布的数学模型和胶层均匀性的数学模型。最后从实验上验证了这两个模型的合理性。第四章、提出了两种测量曲面基片上胶层厚度分布的方法。在以往传统的平面基片上进行激光直写光刻之前的甩胶过程中,一般都是通过工艺经验来在平面基片上获取一定厚度的光刻胶,而对胶层厚度和均匀性的确切数值并不关注。但在曲面基片上通过旋涂甩胶所得胶厚分布的均匀性比较差,所以在曲面基片上进行激光直写过程时,尤其是对于线条深度方向上需要进行精细控制的曲面微光学元件,测知曲面基片上的胶层厚度分布状况和均匀性好坏显得尤为必要。本章先从理论上提出利用基于数字波面处理技术的双干涉条纹法来测量曲面基片上胶层厚度的方法,该法可对胶厚分布进行在线、全场、高精度的测量。然后还提出了基于能量对比的多光谱透射法来测量曲面基片上胶层厚度分布,并从实验上对多光谱透射法进行了验证。第五章、在前述所搭建的恒姿态直写光刻系统的基础上,根据信息光学的衍射理论,推导出了曲面基片胶层上表面处的光场分布；从曲面基片的中心出发,建立了逐点等效斜面来模拟整个曲面的几何模型。同时以描述涂覆有薄层光刻胶的平面基片上曝光过程的Dill模型为基础,建立了等效斜面的修正Dill曝光模型。并以该修正Dill曝光模型为基础,模拟了在曲面基片上进行激光直写加工的曝光过程和胶层中的光强分布状态,从而在理论上推导出了薄层光刻胶曲面直写光刻过程中的曝光模型和线宽表达式。理论仿真表明,在曲面直写光刻过程中,随着基片上表面所加工环带径向矢径的增大,其线条横截面的对称性会变差。然后在一块凸面基片上进行的光刻实验显示,该几何等效模型和修正Dill曝光模型是有效的,具有一定的理论和工艺指导意义。第六章、主要分析和研究了本课题中恒姿态曲面激光直写系统的加工能力,在基于工艺经验的基础上对该系统的光刻特性进行了初步讨论。从系统所使用光机器件的功能参数和几何光路的结构关系出发,理论上分析了因为对中和调焦的要求对系统加工过程所形成的约束条件。以这些约束条件为基础,分别推导出了该系统所能加工曲面基片的最大曲率半径和最大口径的表达式,通过实际的数值计算得出了该直写系统所能加工凸面基片的最小曲率半径、最大口径和最大矢高,并确定了它们之间的相互制约关系。然后对该恒姿态曲面激光直写系统的应用进行了初步探索,利用该直写系统在一个凸面基片的口径内中心区域部分,曝光、刻蚀制作了一个圆光栅,并测量了该光栅的光栅常数和加工深度。第七章、本论文的最后一章,主要对本课题所做的研究工作进行了概括性回顾和总结,对本文的贡献和创新点进行了简要归纳,并对以后的研究工作进行了展望,提出了本课题未来的主要研究方向。
罗剑波[2]2012年在《曲面激光直写系统与关键技术研究》文中研究说明在曲面上进行微光刻是当前制作微器件的发展方向之一,曲面激光直写则是曲面微器件,特别是微光学器件制作的一个重要发展方向。相比平面激光直写,曲面激光直写由于曲面基片可变倾斜角的引入,使得在其上的光刻曝光困难许多。目前,和曲面激光直写相关的技术、工艺、设备尚处于起步阶段。本论文搭建了一套新型的曲面激光直写系统。.该系统通过创新的光刻头恒姿态结构,实现曲面基片上光焦点的检测、控制与曝光。此外,论文对基于曲面的光刻理论、基于曲面的焦点检测,和基于曲面的焦点控制分别进行了研究。论文对曲面基片上光刻胶胶层内光场的传输、曝光,以及工艺参数在曲面基片情况下对微结构线条的影响等内容进行了研究。论文首先建立了曲面基片上光刻胶胶层内光场传输与分布模型,之后分析了曲面各种不同的扫描曝光方式,并建立了曲面下的Dill曝光模型,以及不同扫描曝光方式下光刻胶胶层内的曝光模型。在此基础上,论文分别建立了曲面不同扫描曝光方式下的线宽模型,并分析了不同扫描曝光方式下各种工艺参数对线条的影响。曲面上光焦点的检测与控制是曲面激光直写的关键。论文在共焦显微技术的基础上,建立了曲面上光焦点的系统响应模型,在此基础上得出了曲面上光焦点的系统径向、轴向响应特性,并据此提出了适合于曲面的光焦点探测新方案,也即动态扫描检测法。论文对新方案原理、参数进行了分析和研究。在此基础上,论文构建了反映曲面上光焦点位置信息的焦点误差信号FES。曲面上焦点的控制方面,论文根据曲面基片上光刻的特点,使用了宏／微双驱动控制系统对光焦点进行控制。由于直写光刻的特殊性,论文对宏／微控制系统进行了针对性的设计,包括反映定位误差的信号构建、宏微系统同步方式等。此外,论文研究并提出了两种曲面基片上的焦点搜索机制。这两种机制分别用于激光直写系统初始化时焦点的搜索,以及光刻过程中失去焦点或闭环控制失控时的焦点重新搜索。论文最后在所搭建的曲面激光直写系统基础上,进行了初步性的实验,并进行了圆光栅和直线光栅的制作。
张山[3]2010年在《影响直角坐标激光直写曝光质量的若干关键技术研究》文中研究指明激光直写技术无需掩模、加工灵活,可制作出边缘平滑的复杂特征结构,是制作衍射微结构光学元件的重要技术手段之一。随着科学技术的发展,对微结构光学元件的大口径和精细化的需求日益迫切,这就要求更高的激光直写精度。曝光是激光直写技术的重要工序,对加工精度起着决定性的作用,但目前还存在三个与此工序相关且不够完善需要解决的问题:曝光模型不够准确、邻近效应校正方法不够完善和定位精度不高,这些因素不利于激光直写技术的实验研究和加工质量的提高。课题“影响直角坐标激光直写曝光质量的若干关键技术研究”的目的是对影响直角坐标激光直写曝光质量的上述三个关键问题进行研究,在深入分析直写曝光过程的基础上,建立与实际工况相符的直角坐标激光直写动态曝光模型,完善邻近效应校正方法,以及探讨降低宏微系统定位噪声的方法,为高加工精度的激光直写机的研制提供理论依据和技术基础。本课题的研究可为大口径、复杂结构衍射微光学元件的加工提供可靠的模型和技术。本文为了更加精确地预测直角坐标激光直写获得的光刻线条质量,建立了一种兼顾胶层的光吸收特性、直写光束的高斯分布特征以及直写光束与胶层的相对运动的直角坐标激光直写动态曝光模型,据此模型分析了直写速度和直写光功率的变化对光刻胶内线条线宽和侧壁角的影响,从而可以创建满足线条质量要求的直写系统的加工工艺窗,为开展激光直写光刻实验提供了理论指导。为了有效校正激光直写中的邻近效应,提出了声光调制器低分辨力时邻近效应的校正方法,该方法基于误差校正迭代方法,先以虚拟的高分辨力声光调制器对直写图案进行校正,再对各误差区域重心的最邻近光点的曝光量数据进行调制寻优,可有效克服误差校正迭代方法不能以低分辨力声光调制器校正直写图案以及寻优不彻底的缺点。为了合理选择耦合阻尼抑制宏微系统中的定位噪声,基于并行双伺服控制策略建立了包含耦合阻尼的宏微系统控制模型,研究分析了耦合阻尼的作用规律,从而揭示了耦合阻尼对噪声传递和宏、微工作台动态特性等的影响,为宏微系统采用耦合阻尼方式改善定位稳定性、达到纳米级的定位噪声提供了一定的理论指导。最后对课题所研究的若干关键技术进行了实验验证。首先,对所提出的声光调制器低分辨力时邻近效应的校正方法进行了实验验证。实验表明:以“L”直写图案为例,相比在声光调制器低分辨力情况下无法对直写图案优化校正的误差校正迭代方法,用本文所提方法能对直写图案进行优化校正,并使图案误差相对于原始误差减小了70.88%。然后,研制了宏微系统的耦合阻尼器,完成了宏微系统的搭建、调试和性能测试,并就宏微系统控制模型的有效性和耦合阻尼的作用效果进行了实验验证。实验表明:在控制参数不变的条件下,实验结果与所推导的宏微系统中的耦合阻尼特性一致,且增加阻尼系数为293.78N/(m/s)的耦合阻尼器后,本文所研制的宏微系统的定位噪声由80nm(峰峰值)降为60nm(峰峰值)。
参考文献：
[1]. 曲面激光直写中若干关键技术研究[D]. 陈龙江. 浙江大学. 2010
[2]. 曲面激光直写系统与关键技术研究[D]. 罗剑波. 浙江大学. 2012
[3]. 影响直角坐标激光直写曝光质量的若干关键技术研究[D]. 张山. 哈尔滨工业大学. 2010