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应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究

作　者: 刘勋
导　师: 左铁钏
学　校: 北京工业大学
专　业: 光学
关键词: 能量均匀化二元光学元件菲涅尔波带片等离子体刻蚀
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在MEMS技术中,准分子激光微细加工技术是一项具有发展潜力的微加工手段。在利用准分子激光进行掩模光刻的试验中,分辨率是决定曝光系统性能的关键因素,不断提高光刻分辨率一直是人们努力解决的问题。其中,掩模光刻系统中光能分布的均匀性是很重要的。本文在了解目前常用的几种准分子激光匀束的方法后,针对实验室拥有的准分子激光器的光束特性和实际用途,提出以二元光学理论为基础,运用微电子加工技术,设计并且制作了应用于准分子激光波面整形的菲涅尔波带透镜。论文首先从理论上证明了二元光学元件(BOE)对激光波面的整形作用。使用MATLAB?编写了基于盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法的仿真模拟软件,证实了纯相位元件对波面的整形作用。进而,根据二元光学理论设计了均匀器。选择透镜的基本单元为菲涅尔波带片,元件结构为单层复眼形式。为了和实验室已经拥有的准分子激光掩模光刻光路相容,确定元件有效尺寸为33mm×33mm,阵列数目为80×80个,台阶数为8,主焦距为16.0mm,单元孔径之为0.4125mm。因为KrF准分子激光处于紫外波段,所以选择石英材料(JGS1)作为透镜材料。在制作元件的过程中,首先编写程序计算了单元阵列的各个波带环的半径值,并且根据计算数据,使用LEDIT软件绘制了三块掩模版,并且加入相应的对准标记。紧接着,经过试验反复摸索,得到对石英材料光刻的最佳曝光时间为13s,同时研究了等离子体刻蚀的参数选择问题,比如刻蚀速率的测定和刻蚀时间的确定。根据元件结构的要求,确定刻蚀量的大小,进一步确定了每一次刻蚀的时间。最终确定试验参数:曝光时间为13s,显影时间60s,定影时间30s,使用气体为CHF3:180sccm,SF6:60sccm;三次刻蚀的时间分别为T1=9min,T2=4.5min,T3=2.25min;刻蚀速率为V=50nm/min。对制作完成的元件,使用显微镜、三维轮廓仪和电镜来观察它的形貌。为了更好地了解它的工作性能,我们测量了它的能量透过率,并且和现有的石英棒阵列进行比较,原均束器的能量透过率约为77%,完成的二元光学菲涅尔均束器的能量透过率约为85%,有了显著提高。对它的均匀性作了进一步考察,得到在X和Y方向的能量分布。使用在掩模光刻光路中,可以明显看到其对能量的均匀化作用,并且进行了曝光试验。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-18
  1.1 微细加工技术  8-9
  1.2 准分子激光微细加工技术  9-11
    1.2.1 准分子激光  9
    1.2.2 准分子激光微细加工的特点  9-10
    1.2.3 准分子激光微细加工的方法  10-11
    1.2.4 准分子激光微细加工系统  11
  1.3 准分子激光均束的方法  11-14
    1.3.1 棱镜法  11-12
    1.3.2 反射镜法  12
    1.3.3 万花筒法  12-13
    1.3.4 柱面镜法  13
    1.3.5 复眼透镜阵列法  13-14
  1.4 试验室的准分子激光均束系统现状  14-15
  1.5 研究内容和目标  15-18
第2章二元光学均束器的设计  18-32
  2.1 二元光学理论及相关推倒  18-23
    2.1.1 相关原理说明  18-19
    2.1.2 基于MATLAB~(?)软件的GS 算法  19-20
    2.1.3 仿真结果与分析  20-23
  2.2 菲涅尔波带透镜  23-26
  2.3 二元光学均匀器的参数选择  26-28
    2.3.1 设计参数与性能讨论  26-28
    2.3.2 二元光学均匀器焦平面模拟  28
  2.4 元件材料的选择与要求  28-31
  2.5 总结  31-32
第3章二元光学均匀器的制作  32-50
  3.1 套刻掩模版的制作  32-37
    3.1.1 掩模版的设计  32-35
    3.1.2 掩模版的绘制  35-37
  3.2 光刻试验  37-43
    3.2.1 准备阶段  37
    3.2.2 光学曝光的方式与过程  37-39
    3.2.3 曝光参数试验  39-41
    3.2.4 问题及解决  41-43
  3.3 刻蚀试验  43-47
    3.3.1 反应离子深刻蚀技术  43
    3.3.2 刻蚀参数的确定  43-44
    3.3.3 第一版刻蚀效果  44-45
    3.3.4 第二版刻蚀效果  45-46
    3.3.5 第三版刻蚀效果  46-47
  3.4 总结  47-50
第4章二元光学均匀器的检验  50-62
  4.1 二元光学元件的形貌  50-53
    4.1.1 元件照片  50
    4.1.2 显微镜下的照片  50-51
    4.1.3 电镜照片  51-53
  4.2 激光能量透过率的比较  53
  4.3 激光能量均匀性的比较  53-56
  4.4 误差分析  56-58
  4.5 试验效果  58-60
  4.6 小结  60-62
结论  62-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间获得的学术成果  68-70
致谢  70-71

应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究

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