（光學(xué)專業(yè)論文）數(shù)字光刻及其制作微光學(xué)元件的模擬研究.pdf

數(shù)字光刻及其制作微光學(xué)元件的模擬研究 光學(xué)專業(yè) 指導(dǎo)教師杜驚雷 近年來，以微光學(xué)、微電子、微機(jī)械為基礎(chǔ)的m e m s 和m o e m s 技術(shù)迅猛 發(fā)展，推動了微細(xì)加工技術(shù)的不斷改進(jìn)和提高，已在航空航天、光纖通信、光 互聯(lián)、光計(jì)算等高科技諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景，將對整個信息化 時代產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，給傳統(tǒng)光學(xué)、傳統(tǒng)工業(yè)以及人們的生活帶來根本性的變 化。 微光學(xué)在設(shè)計(jì)理論和制作方法等方面也取得了長足的發(fā)展，為了進(jìn)一步擴(kuò) 大微光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，對其制作方法也提出了更多更高的要求。因此，研究方 便有效的微光學(xué)元件制作新方法仍是目前國內(nèi)外微光學(xué)領(lǐng)域研究的一個重要方 向。本論文基于d m d 和m e m s 技術(shù)相結(jié)合的數(shù)字投影成像裝置，提出可快速、 并行、靈活地制作微光學(xué)元件的d m d 實(shí)時灰度光刻新方法，并對這種數(shù)字光刻 技術(shù)的成像理論、數(shù)字圖形快速、精確優(yōu)化的算法，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴膯?題做深入探討和研究。建立適用于描述數(shù)字灰度光刻過程的全新、實(shí)用的部分 相干理論模型，并基于該模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)基片曝光劑量分布的波前工程思想， 提出合理調(diào)控掃描速度、掃描行間距、數(shù)字圖形幅數(shù)、灰度結(jié)構(gòu)和圖形排列間 距的系列數(shù)字圖形設(shè)計(jì)方法，對實(shí)驗(yàn)工作的展開具有指導(dǎo)意義。 d m d 數(shù)字光刻技術(shù)具有不受限于任意三維面形結(jié)構(gòu)，不需要常規(guī)掩模，不 存在對位誤差，并可對掩模圖形實(shí)時修改和不需要昂貴設(shè)備以及制作周期短等 優(yōu)點(diǎn)，為產(chǎn)生任意三維連續(xù)微結(jié)構(gòu)提供了一條有效的新途徑，對發(fā)展微光學(xué)、 m o e m s 有重要意義。 關(guān)鍵詞：數(shù)字光刻技術(shù)，實(shí)時掩模，d m d ，優(yōu)化設(shè)計(jì)，微光學(xué)元件 m e t h o da n ds i m u l a t i o no fm i c r oo p t i c a le l e m e n t s f a b r i c a t e db yd i g i t a ll i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y m a j o ro p t i c s p o s t g r a d u a t e x id u a n s u p e r v i s o r j i n g l e id u i nr c c e r l ty e a r s ，m i c r o m a c h i n es y s t e m ( m e m s ) a n dm i c r o - o p t i c a l - m a c h i n e s y s t e m ( m o e m s ) t e c h n o l o g y b a s e do n m i c r o - o p t i c s ，m i c r o e l e c t r o n i c a n d m i c r o - m e c h a n i c a ld e v i c er a p i d l yd e v e l o p ，w h i c hd r i v et h ei n c r e a s i n gi m p r o v e m e n t o fm i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e i ts h o w sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nag o o dm a n y h i g h - t e c hf i e l d o fa e r o s p a c e o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n , o p t i c a li n t e r c o n n e c t ， o p t i c a l c a l c u l a t i o na n d s oo n i tp r o d u c e s p r o f o u n di n f l u e n c e t ot h ew h o l e i n f o r m a t i o na g e ，a n db r i n g su l t i m a t ec h a n g eo f t r a d i t i o n a lo p t i c s ，t r a d i t i o n a li n d u s t r y a n dp e o p l el i v i n g m i c r o - o p t i c s h a s a c q u i r e dq u i t e g r e a tp r o g r e s s i nd e s i g n t h e o r ya n d m a n u f a c t u r i n gm e t h o d f o rf u r t h e re x t e n d i n ga p p l i c a t i o nf i e l do fm i c r o - o p t i c s ，t h e m a n u f a c t u r i n gm e t h o do fm i c r o o p f i c si s a d v i s e dm o r en e wr e q u e s t s t h e r e f o r e , s t u d y i n gc o n v e n i e n ta n de f f e c t i v em a n u f a c t u r i n gn e wm e t h o do fm i c m o p t i c si sa i m p o r t a n td i r e c t i o no fd o m e s t i ca n do v c r s g a sm i c r o - o p t i c sf i e l dn o w t h i sp a p e r p r e s e n t sn e wm e t h o do fd m dr e a l t i m eg r a yl i t h o g r a p h yo fq u i c k l y , p a r a l l e l l y , n e a t l yf a b r i c a t em i c r o - o p t i c s ，a n dp r o f o u n d l yd i s c u s s e st h ei m a g i r l gt h e o r yo fd i g i t a l l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y , q u i c ka n do p t i m i z i n ga l g o r i t h mo fd i g i t a li m a g e ，a n dd a t a t r a n s f e ra n ds oo n w eb u i l daf i r e - n e w , a p p l i e dp a r t i a l l yc o h e r e n tm o d e ld e s c r i b i n g d i g i t a lg r a yl i t h o g r a p h yp r o c e s s ，a n dp r e s e n ts e r i a ld i g i t a li m a g ed e s i g n i n gm e t h o do f p r o p e r l ym o d u l a t i n gs c a n n i n g - v e l o c i 哪, r o ws p a c e ，d i g i t a li m a g en u m b e r s ，g r a y c o n f i g u r a t i o na n di m a g ea l i g n m e n ts p a c eb a s e do nt h em o d e la n dt h et h o u g h to f w a v e f r o n tp r o j e c to fo p t i m i z i n gs u b s t r a c te x p o s u r ed o s ed i s t r i b u t i o n i ts u p p l i e sb a s i s f o rm i c r o - o p t i c a le l e m e n tf a b r i c a t i o na n dd e 印l yd e v e l o p m e n to fd i g i t a ll i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to ft h i st e c h n i q u e ，t h ec o n v e n t i o n a lp h o t o l i t h o g r a p h y i sg r e a t l ys i m p l i f i e da sas i n g l ed m dd i g i t a lm a s kc a nr e p l a c ea s e to f c o n v e n t i o n a l m a s k s a 1 i g n m e n tb e t w e e nd i f f e r e n t l e v e l so fm a s k s i n c o n v e n t i o n a l p h o t o l i t h o g r a p h yi s u ol o n g e rn e c e s s a r yi ft h ed m dd i g i t a lm a s ki su s e d b e c a u s e t h em a s kd e s i g nc a nb ea d j u s t e di nr e a lt i m e i ti sc o m p a r a t i v e l ye a s yt oc h a n g et h e m a s kd e s i g nt oc o m p e n s a t ea n yn o n l i n e a re f f e c t si na e r i a li m a g i n g ，i np h o t or e s i s t e x p o s u r e ，d e v e l o p m e n ta n ds u b s t r a t ee t c h i n gp r o c e s s t h u s i t g i v e san e wa n d e f f e c t i v ea p p r o a c hf o rt h ef a b r i c a t i o no ft h ea r b i t r a r i l ys h a p e dm i e r o s t r u c t u r ew i t h 3 - dc o n t i n u o u sr e l i e la n dh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to f m i c r oo p t i c sa n dm o e m s k e y w o r d s ：d i g i t a ll i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y , r e a l t i m em a s k , d m d ，o p t i m i z i n gd e s i g n ， m i c r o - o p t i c a le l e m e n t s 四塒l 大掌碩士掌位論文 第一章引言 1 1 微光學(xué)的形成及發(fā)展?fàn)顩r 微型化和智能化是近代工業(yè)和科技的主要發(fā)展方向。利用微細(xì)加工技術(shù)， 二十世紀(jì)7 0 年代發(fā)展了微電子學(xué)，使電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微型化。但功能器件，如 傳感器、驅(qū)動器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器等仍是常規(guī)結(jié)構(gòu)，尺寸上十分不配。到了8 0 年代，出現(xiàn)了微機(jī)械及微電器，在硅平面上可做出杠桿，齒輪，微閥，微泵， 微電機(jī)，微驅(qū)動源，微執(zhí)行器等。這促使光學(xué)器件也向微型化發(fā)展。因此，在 8 0 年代中期以后出現(xiàn)了微光學(xué)。微光學(xué)( m i c r oo p t i c s ) 作為現(xiàn)代光學(xué)的新興分 支，是光學(xué)與微電子學(xué)相互滲透，交叉而形成的前沿學(xué)科“1 ，是研究微米、納米 級尺寸的光學(xué)元器件的設(shè)計(jì)制作工藝及利用這類元器件實(shí)現(xiàn)光波的發(fā)射傳 輸、變換及接收的理論和技術(shù)的新學(xué)科。隨著微光學(xué)的發(fā)展，人們不僅可以在 硅芯片上制作出與襯底平行的微光學(xué)元件，更可以制作出與襯底垂直的三維光 學(xué)微器件，例如各種折射、反射、衍射、全息、變折射率器件、波導(dǎo)器件，開 始實(shí)現(xiàn)微光學(xué)平臺( m o t ) 。幾乎在所有的工程應(yīng)用領(lǐng)域中，無論是現(xiàn)代國防科 學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域，例如光纖通訊、信息處理、航空航天，生 物醫(yī)學(xué)，激光一機(jī)械加工和光計(jì)算技術(shù)，微光學(xué)元件都顯示出越來越重要的應(yīng)用 價值和廣闊的應(yīng)用前景。 微光學(xué)平臺與微機(jī)電系統(tǒng)( m e m s ) 結(jié)合最終出現(xiàn)了微光機(jī)電系統(tǒng)( m o e m s ) “”， 開始實(shí)現(xiàn)工業(yè)科學(xué)上的兩大追求微型化和智能化。微光機(jī)電系統(tǒng)中的微光 學(xué)元件在微電子和微機(jī)械裝置的作用下能夠?qū)馐M(jìn)行匯聚、衍射、反射等控 制，從而可最終實(shí)現(xiàn)光開關(guān)、衰減、掃描和成像等功能1 。微光機(jī)電系統(tǒng)的出 現(xiàn)極大地促進(jìn)信息通訊、航天技術(shù)以及精密光學(xué)儀器的發(fā)展，對整個信息化時 代將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，給傳統(tǒng)光學(xué)、傳統(tǒng)工業(yè)以及人們的生活帶來根本性的變 化。 四j 大掌碩士掌位論文 1 2 微光學(xué)元件的制作方法 微光學(xué)元件按照光傳播原理可簡單地分為兩大類：衍射光學(xué)元件 ( d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s ，d o e s ) 和折射性光學(xué)元件( r e f r a c t i v e0 p t i e a l e l e m e n t ，r o e s ) ；若根據(jù)表面形成的浮雕結(jié)構(gòu)，則可以分為多臺階和連續(xù)面型 兩種類型。隨著微光學(xué)的不斷深入發(fā)展，對具有良好面形和高衍射效率的微光 學(xué)元件的需求與日俱增，微光學(xué)元件的制作方法是近年來國內(nèi)外微光學(xué)領(lǐng)域研 究的一個重要方向。 微光學(xué)元件的制作方法歸納起來有兩種：機(jī)械加工方法和光學(xué)加工方法。 機(jī)械加工方法主要有：光纖拉制( d r a w i n go ff i b e rl e n s e s ) 、超精度研磨 ( u l u a p r e e i s i o ng r i n d i n g ) 、注模( m o u l d i n g ) 、金剛石車削( d i a m o n dt u r n i n g ) 等。機(jī)械加工方法工藝過程簡單，但是難于實(shí)現(xiàn)陣列型器件和大規(guī)模廉價復(fù)制， 而且不易制作非旋轉(zhuǎn)對稱微光學(xué)元件，如柱面透鏡、任意不規(guī)則面型微光學(xué)元 件。光學(xué)加工方法就是光刻( p h o t o l i t h o g r a p h y ) ，可實(shí)現(xiàn)制作多臺階或連續(xù)面形 微光學(xué)元件，主要方法有二元圖形多次套刻方法伽、直寫法帆”、移動掩模法“”、 熟熔法“”、灰階掩模法“5 ”1 。另外還包括梯度折射率方法、離子交換法、熔融 表面張力法、全息法、l i g a 法等“”，這些方法雖不是很常用，但各有特點(diǎn)，分 別適用于不同性能要求的元件。光學(xué)加工方法雖然工藝相對復(fù)雜、對環(huán)境要求 較高，但能實(shí)現(xiàn)任意不規(guī)則面型微光學(xué)元件，且可以大規(guī)模復(fù)制。下面我們分 別介紹光學(xué)光刻的幾種主要方法。 1 2 1 二元套刻方法 二元套刻方法嘲是利用超大規(guī)模集成電路( v l s i ) 處理技術(shù)的靈活性和精 確性及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( c a d ) 工具，在電解質(zhì)基板，金屬基板或者半導(dǎo)體基板 上制作衍射微光學(xué)元件“”的方法。其工藝流程一般包括三個步驟：掩模設(shè)計(jì)及 制作，圖形轉(zhuǎn)印和基片刻蝕。對于多相位的二元光學(xué)元件，則需要多次重復(fù)上 述三步工藝過程，進(jìn)行掩模的套刻加工，用量化的臺階去逼近理想的輪廓。圖 2 四l 大掌碩士掌位論文 i 1 是采用光刻方法加工8 臺階二元衍射微光學(xué)元件的加工工藝原理，采用三塊 不同的掩摸板，通過三次甩膠、曝光、顯影、刻蝕等工藝實(shí)現(xiàn)9 5 衍射效率的 微光學(xué)元件。 = = = 亡= 口 臼墜巳芻氐 a 兩臺階b 四臺階c 八臺階 圖1 - 1 二元套刻方法制作8 臺階衍射微光學(xué)元件原理 二元套刻方法雖然能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜面形而得到廣泛應(yīng)用，但受到光刻線寬 分辨率的限制而不能制作較大數(shù)值孔徑的微光學(xué)元件。且多次套刻，所制作的 浮雕結(jié)構(gòu)由多臺階組成，工藝流程復(fù)雜，需要大型設(shè)備，費(fèi)用和時間成倍增加； 而且每套刻一次都會產(chǎn)生對準(zhǔn)誤差，套刻次數(shù)愈多，誤差愈嚴(yán)重，從而影響元 件的最終質(zhì)量。這種技術(shù)限制了微光學(xué)及微系統(tǒng)的發(fā)展。 1 2 2 直寫法 直寫法”即通過直寫裝置控制光致抗蝕劑上不同位置的曝光光束能量， 顯影后再經(jīng)烘烤得到連續(xù)的微浮稚結(jié)構(gòu)。直寫的方法主要有兩種：激光直寫m 1 和電子束直寫洶1 。電子束直寫方法制作精度較高，適于加工最小線寬小于o 5 0 hm 的元件；激光直寫方法多用于最小線寬大于o 5 0 um 的元件制作。 1 2 2 1 激光直寫法 用激光直寫法制作微光學(xué)元件時，首先由元件表面的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和抗蝕材料 的顯影特性計(jì)算確定表面各點(diǎn)所需的曝光劑量分布，并將該數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)； 然后用激光對基片上抗蝕劑進(jìn)行掃描式逐點(diǎn)曝光；顯影后得到與理想結(jié)構(gòu)十分 接近的臺階型或連續(xù)表面輪廓，對其進(jìn)一步刻蝕還可將抗蝕劑表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到 墓 四川大學(xué)碩士掌位氍吁 基片上。激光直寫制作元件的具體工藝流程見圖1 2 。 衛(wèi)l 捌蝕 圖l - 2 直寫法制作微光學(xué)元件基本原理 激光直寫法可一次寫出多相位階數(shù)或連續(xù)相位的微光學(xué)元件，避免了多次 掩摸套刻產(chǎn)生的對位誤差。但不能精確控制輪廓深度，加工輪廓深度與曝光強(qiáng) 度、掃描速度、抗蝕劑材料、顯影液配方和溫度狀態(tài)以及顯影時間等多種因素 有關(guān)，任何一個因素的改變都會引起輪廓深度誤差。 1 2 2 2 電子束直寫法 電子束直寫原理與激光束直寫相同，基于電子束在抗蝕層表面曝光劑量與 顯影后抗蝕層高度的線性關(guān)系，將光學(xué)元件輪廓分布用曝光劑量的大小表示出 來，再用該劑量的電子束對基片逐點(diǎn)曝光，顯影后得到設(shè)計(jì)的連續(xù)表面輪廓。 電子束直寫法存在的主要問題是；( 1 ) 輪廓深度難以控制和刻蝕圖形變形。 ( 2 ) 由于電子束曝光量是靠在每個格點(diǎn)的駐留時間來控制的，因此局部浮雕輪 廓的深淺不僅與局部電子束曝光劑量有關(guān)，還與附近區(qū)域的曝光劑量有關(guān)，使 抗蝕劑所得到實(shí)際曝光量與入射曝光量存在一定差距，顯影后的實(shí)際輪廓也就 和設(shè)計(jì)的輪廓存在差異。( 3 ) 曝光時間過長，元件制作費(fèi)用較高。 1 2 3 移動掩模方法 4 2 9 i 大掌碩士掌位論文 移動掩模方法“是一種通過移動掩摸調(diào)制曝光量的連續(xù)面形微光學(xué)元件制 作方法。其原理如圖1 3 所示，首先根據(jù)要求的面形設(shè)計(jì)掩模，再將掩模放在 曝光系統(tǒng)的物面，并與平動臺一起作連續(xù)的直線運(yùn)動。光刻材料固定在投影曝 光系統(tǒng)的像面，掩模圖形以一定比例縮小投影在光刻材料上。當(dāng)掩模靜止時， 光刻材料上是一個與掩模相同，尺寸縮小的投影像。掩模作連續(xù)平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動，在光刻材料上就得到直線對稱的或旋轉(zhuǎn)對稱的曝光分布。 圖l - 3 掩模移動曝光技術(shù)原理圖n 2 1 掩模移動法同直寫法和灰度掩模法等方法相比，具有成本低廉，制作效率 高，制作元件光學(xué)性能和陣列均勻性好等優(yōu)點(diǎn)。但它只適合制作具有一定對稱 性的連續(xù)位相微光學(xué)元件。 1 2 4 熱熔法 熱熔法m 加是采用抗蝕劑熱熔成形的方法來制作微透鏡陣列。首先進(jìn)行基片 清洗，再以合適的轉(zhuǎn)速甩膠，從而形成厚度合適而且均勻的膠層。然后在具有 適當(dāng)孔徑的圓形圖案陣列的掩模遮蔽下進(jìn)行紫外曝光，經(jīng)過顯影后在基底上就 形成了相應(yīng)的孤立的圓柱狀膠體；再進(jìn)行熱處理，加熱抗蝕劑至熔點(diǎn)以上某溫 度處，此時熔融的抗蝕劑借助表面張力的作用以及抗蝕劑層與基片的浸潤程度， 形成了以圖案孔徑為邊界的光滑的球冠狀凸起的平凸透鏡。其工藝流程分為三 步：( 1 ) 抗蝕劑基片在掩模的遮蔽下進(jìn)行曝光；( 2 ) 對已曝光的抗蝕劑基片進(jìn) 行顯影；( 3 ) 熱熔成形。如圖1 4 所示。這些透鏡可以就這樣使用，或者做進(jìn) 一步處理：通過離子刻蝕，或通過譬如鑄造、壓模、注射成形等具體的復(fù)制技 術(shù)，將光刻膠圖形移至襯底材料上。 ，。 四j 大掌碩士掌位論文 一一- 一 圖卜4熱熔法制作微透鏡陣列工藝流程 熱熔法具有工藝相對簡單，對材料和設(shè)備要求不高，工藝參數(shù)穩(wěn)定且易于 控制，復(fù)制容易等優(yōu)點(diǎn)，適于制作較大相對口徑的微透鏡。但填充因子小，且 面形不容易控制和難于制作不規(guī)則面形，因此應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。 1 2 5 灰階掩模方法 灰階掩模法“”6 的原理是根據(jù)微光學(xué)元件所需面型，對掩模進(jìn)行灰階編碼， 形成相應(yīng)的光強(qiáng)透過率分布函數(shù)，用灰階掩模板來調(diào)制基片上不同的位置抗蝕 劑的曝光量，根據(jù)抗蝕劑在曝光量不同的情況下經(jīng)顯影的抗蝕劑被溶解的厚度 不同的特點(diǎn)，形成各種抗蝕劑浮雕圖形，最后通過刻蝕，得到光學(xué)材料上的面 形。見圖卜5 所示。從原理上講，只要合理地編制灰階掩模圖形，就能夠制作 任意浮雕結(jié)構(gòu)的微光學(xué)元件，該方法關(guān)鍵是正確地在掩模板上形成灰階分布， 即合理控制掩模板透過率的分布。灰階掩模板可通過利用幻燈片精縮轉(zhuǎn)印到黑 白膠片中，或采用高能束敏感玻璃( h i g h - e n e r g y b e a ms e n s i t i v eg l a s s ) 等方法制 作。圖1 - 6 為一制作菲涅耳透鏡用的變灰階掩模板，而圖1 7 即是利用該掩模扳 制作的菲涅耳透鏡元件的剖面輪廓。 灰階掩模方法具有設(shè)計(jì)靈活、能制作任意面形的微光學(xué)元件，但是多灰階 掩模制作困難，每增加一個灰階就會大幅度地提高費(fèi)用，灰階數(shù)有限，而且光 刻過程中圖形傳遞的非線性難以控制，難于精確地控制面形。 6 四i 大學(xué)碩士掌位論文 鎏二蠆= 夏= 固 ； ； ； ； ， i 、 1。一 匕! = = = l j。，。一 二二= = j l 。，+ 。，一 圖1 - 5 灰階掩模法的制作原理 灰度掩模 曝光 顯影 刻蝕 圖l - 6 變灰階菲涅耳透鏡的掩模板圖l 一7 菲涅耳透鏡剖面輪廓 1 9 9 6 年，k r e i m e r 乜1 1 等人提出用半色調(diào)編碼產(chǎn)生灰階的掩模一次曝光制作 微光學(xué)元件的方法受到人們的關(guān)注。1 9 9 9 年，有人提出了多自由度灰階編碼掩 模法，該方法發(fā)展了計(jì)算全息中的編碼方法，采用多自由度編碼的新方法，即 在編碼過程中增加單元開孔位置和形狀這兩個新的自由度，增加了編碼靈活性， 補(bǔ)償成像過程及曝光顯影過程中非線性因素引起的偏差，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)浮雕輪廓 的微透鏡陣列設(shè)計(jì)和制作噙“”。但現(xiàn)階段這種方法也有不足之處：首先由于脈 沖寬度調(diào)制方法要求電子束直寫的圖形( 可以是任意的多邊形) 比較復(fù)雜，將增加 制作時間；其次，圖形編碼的數(shù)據(jù)量較大，需要運(yùn)算速度較高、內(nèi)存較大的計(jì) 算機(jī)來完成；再者，受電子束直寫分辨率的限制，目前要直接制作面形細(xì)膩的 圖形還有困難。 7 第一章5 i 言四l 大掌碩士掌位 文 1 3 數(shù)字灰度光刻技術(shù) 以上介紹的幾種微光學(xué)元件的制作方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可分別用于制作 不同性能要求的元件。從工藝原理和制造工藝上看，現(xiàn)有的制作方法存在的主 要問題要么制作工藝相對復(fù)雜，各工藝參數(shù)時最終像質(zhì)的影響復(fù)雜，像質(zhì)的可 控性較差，要么得到任意的面形和折射率分布較為困難。設(shè)計(jì)機(jī)動性小，費(fèi)用 昂貴，設(shè)備復(fù)雜，制作周期長，工藝煩瑣或技術(shù)穩(wěn)定性差是這些制作方法的應(yīng) 用受到限制的主要原因。因此研究方便有效的微光學(xué)元件制作新技術(shù)仍然是目 前光刻技術(shù)發(fā)展的一個重要方向和前沿。 美國德州儀器公司推出的可用于取代光刻掩模的數(shù)字光處理( d l p ，d i g i t a l i i # tp r o c e s s i n g ) 技術(shù)，使投影式無掩模光刻技術(shù)成為可能。一種d l p 技術(shù)與 實(shí)時波前工程技術(shù)相結(jié)合的全數(shù)字、自動化、高對準(zhǔn)精度的光刻加工新概念一 數(shù)字光刻術(shù)悄然誕生。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)有很大不同，所謂數(shù)字光刻過程是用 計(jì)算機(jī)優(yōu)化產(chǎn)生的一系列“虛擬”的數(shù)字圖形控制投影曝光設(shè)備把圖形一幅幅 地投影到基片上，理論上甚至可通過分析光學(xué)檢測系統(tǒng)反饋回來基片的光場分 布的數(shù)字信息，實(shí)時優(yōu)化調(diào)控下一時刻數(shù)字圖形的結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的光刻圖 形質(zhì)量”。目前這一技術(shù)在國際上尚處于探索研究階段，適應(yīng)光刻設(shè)備的需要 的d l p 中的關(guān)鍵技術(shù)d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o r d e v i c e ) 仍在發(fā)展完善中，但 該技術(shù)具有全數(shù)字、低圖形畸變、高對準(zhǔn)精度，高效自動化、低成本( 無需掩 模加工、檢測和修補(bǔ)) 、使用方便靈活、應(yīng)用的范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，與其它光刻 技術(shù)相比，其潛在優(yōu)勢十分明顯，為大規(guī)模，快速，靈活制作臺階或連續(xù)微光 學(xué)元件開辟了一條新的道路。 1 4 本論文的目的、意義和主要內(nèi)容 本論文以發(fā)展微光學(xué)元件制作新方法為目標(biāo)，結(jié)合投影光刻系統(tǒng)的并行性 和可編程數(shù)字化器件d m d 的靈活性，提出快速靈活制作微光學(xué)元件d m d 實(shí)時灰 度光刻新方法，對數(shù)字光刻成像理論、快速精確的數(shù)字圖形優(yōu)化算法以及數(shù)據(jù) 傳輸?shù)确矫娴膯栴}做深入探討和研究。 3 四j 大學(xué)碩士學(xué)位嵌吩 全文共分五章： 第一章詳細(xì)介紹幾種微光學(xué)元件制作方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，說明本論文的研究 目的和意義。 第二章簡要介紹了幾種典型的空間光調(diào)制器，著重介紹了數(shù)字微反射鏡裝 置( d m d ) 的結(jié)構(gòu)、特性、工作原理和發(fā)展方向等，為基于d m d 的數(shù)字掩模光刻成像系統(tǒng)的建立提供了理論基礎(chǔ)。 第三章將數(shù)字微反射鏡裝置( d m d ) 與投影光刻系統(tǒng)相結(jié)合，建立了快 速部分相干成像系統(tǒng)模型，討論了數(shù)字灰度光刻成像的原理和方 法，并給出了d m d 光刻成像的模擬結(jié)果。 第四章在已建立d m d 快速部分相干模型的基礎(chǔ)上，討論了d m d 灰度光 刻成像原理，給出了d m d 制作微光學(xué)元件的模擬結(jié)果。為消除或 減小圖像光場分布不均勻性，研究了數(shù)字光刻掃描曝光方法，并分 析了掃描速度、掃描行間距、d m d 幀頻對曝光質(zhì)量及系統(tǒng)運(yùn)行效 率的影響結(jié)果。在兼顧成像質(zhì)量與運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上，提出選取合 適的參數(shù)掃描曝光，為下一步實(shí)驗(yàn)工作的展開提供依據(jù)。最后，采 用顯影閡值法對曝光顯影的非線性影響進(jìn)行預(yù)校正，獲得較為滿意 的結(jié)果。 第五章對本文的工作進(jìn)行總結(jié)，并提出一些展望。 參考文獻(xiàn)： 1 h p 赫爾齊克穰覺筍示薩親繞藕r 應(yīng)獗北京：國防工業(yè)出版社，2 0 0 2 2 p a r r i a u xo m m i c r o o p t i c a lt e c h n o l o g i e sf o rm e a s u r e m e n t , s e n s o r s ，a n dm i c r o s y s t e m s s 陋1 9 9 7 3 0 9 9 ：3 3 - 5 7 3 ，f e l d m a n m m i c r o o p t i c si n t e g r a t i o n a n d a s s e m b l e s s p i e 1 9 9 8 3 2 8 9 ：9 - 7 2 4 d j n a g e lm e z a g h l o u l m e m s ：m i c r ot e c h n o l o g y , m e g ai m p a c t i e e ec i r c u i t s 矗 d e v i c e , 2 0 0 1 ，1 7 ( 2 ) ：l 舢2 5 5 張興?？缡兰o(jì)的新技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)( m e m s ) 轡于群筍導(dǎo)撼1 9 9 9 ( 4 ) ：2 - 6 6 ly l i l lelg o l d s t e i n , rw t k a c h f r e e 2 s p a c m i c r o m a c h i n e do p t i c a ls w i u ：h c sw i t h 9 ：書- - a l t - 3j 言 四j 夫掌司l 士掌位論文 s u b m i l l i s e c o n ds w i t c h i n gt i m ef o rl a r g e 2 s c a l eo p t i c a lc r o s s c o n n e c t s i e e ep h o t o n i c s t e c k n o i o g yl e l t e l ，1 9 9 8 ，1 0 ( 4 ) ：5 2 5 5 2 7 7 楊忠山微細(xì)加工技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用手國燕勞餾鈞b 泰表2 0 0 2 ，2 6 ( 5 ) ：3 4 7 3 5 1 8 張羽，楊坤濤等二元光學(xué)元件的制作技術(shù)與進(jìn)展光學(xué)拋荔2 0 0 5 ，2 7 ( 2 ) ：8 0 8 5 9 s t e f a nh a s c l b e c lh o r s ts c h r e l b e r , j o h a n n e ss e h w l d e r , na 1 m i c m l e n s e sf a b r i c a t i o nb y m e l t i n g a p h o t o r e s i s t e r l a b a s e l a y e r o p t e n g ，1 9 9 3 ，3 2 ( 6 ) ：1 3 2 2 - 1 3 2 4 1 0 e 一b k l e y , b s c h n a b e l , u d z e i t n e r e - b e a ml i t h o g r a p h y a l le f f i c i e n tt o l lf o rt h e f a b r i c a t i o no f d i f f r a c t i v ea n dm i c r o o p t i c a le l e m e n t s $ p i e , 1 9 9 7 ，3 0 0 8 ：2 2 2 - 2 2 8 1 1 m i c h a e lt g a l e ，m a r k u sr o s s i ，j o mp e d e r s e n f a b r i c a t i o no fo n t i n u o u s - r e l i fm i c r o - o p t i c a l e l e m e n tb yd i r e c tl a s e rw r i t i n gi np h o t o r e s i s t s o p t e n g ，1 9 9 4 ，3 3 ( 1 1 ) ：3 5 5 6 - 3 5 6 6 1 2 c h e nb o ，g u ol u r o n g , t a n gj i y u e ，x up i n g , z h o um i n g b a o n o v e lm e t h o df o rp a r a b o l i c g r a t i n g s p i e , 1 9 9 6 ，2 6 8 7 ：1 4 2 - 1 4 9 1 3 z d p o p o v i e , i l a s p r a g u ea n dg a n e v i l l e t e c h n i q u e f o rm o n o l i t h i cf a b r i c a t i o no f m i c r o l e n sa r r a y s a p p t o p t ，1 9 8 8 ，2 7 ：1 2 8 1 1 2 8 4 1 4 s t e f a nh a s e l b e e k , h o r s ts c h r e l b e r , j o h a n n e ss e h w l d e r , e ta 1 m i c r o l e n s e sf a b r i c a t i o nb y m e l t i n g a p h o t o r e s i s t o n a b a s e l a y e r o p t e n g ，1 9 9 3 ，3 2 ( 6 ) ：1 3 2 2 1 3 2 4 1 5 t h o m a sj s u l e s k ia n dd o n a l dc o s h e a g r a y - s c a l em a s k sf o rd i f f r a c t i v e - o p t i c sf a b r i c a t i o n ： i c o m m e r c i a ls l i d ei m a g n r s a t , # o t g ，1 9 9 5 ，3 4 ( 3 2 ) ：7 5 0 7 - 7 5 1 7 1 6 d o n a l dc o s h e aa n dw i l l i es r o e k w a r d g r a y - a l em a s k sf o rd i f f r a n t i v e - o p t i c sf a b r i c a t i o n ： i i s p a t i a l l y f i l t e r e d h a l f t o n es c r e e n s a p # o p t ，1 9 9 5 ，3 4 ( 3 2 ) ：7 5 1 8 7 5 2 6 1 7 金國藩。嚴(yán)瑛自，鄔敏賢= 宏老學(xué)北京：國防工業(yè)出版社，1 9 9 8 3 1 7 3 1 8 1 8 v e l d k a m p ，w b ，s w a n s o n , gj 。d e v e l o p m e n t si nf a b r i c a t i o no fb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s s p i e , 4 3 7 ，5 4 1 9 h a r u n am ，t a k a h a s h im ，w a k a h a y a s h il 【 e ta 1 l a s e rb e a ml i t h o g r a p h e dm i c r o - f r e s n e l l e n s e s a p p l i e d o p t i c s , 1 9 9 0 ，2 9 ( 3 4 ) ：5 1 2 0 - 5 1 2 6 2 0 l e esh d i f f r a c t i v ea n dm i n i a t u r i z e do p t i c s b e l l i n g h a m , w a s h i n g t o nu s a s p i eo p t i c a l e n g i n e e r i n g p r e s s , 1 9 9 3 ，1 - 3 7 9 2 1 k r e i m e r , w h e n k e 。h j q u e n z e r o n e l e v e lg r a y - t o n ed e s i g nm a s kd a t ap r e p a r a t i o na n d p a t t e r n t r a n s f e r m i c r o e l e c t r o m e e n g i n e e r i n g , 1 9 9 6 ，v 0 1 3 0 ：5 5 9 5 6 2 1 0 第一章引富 四川大學(xué)碩士掌位論文 2 2 j s u ，yg u o ，e t c an e wm e t h o dt od e s i g nh a l f - t o n em a s kf o rt h ef a b r i c a t i o no f c o n t i n u o u sm i c r or e l i e f s t r u c t u r e p r o c s p i e , 1 9 9 9 ，v 0 1 3 6 8 0 2 3 j a ny a o ，j i n g q i ns u , j i n g l e id u , y i x i a oz h a n g , f u h u ag a o ，y o n g k a n gg u oa n dz h e n gc u i c o d i n gg r a y - t o n em a s kf o rr e f r a c t i v em i c r o l e n sf a b r i c a t i o n m i c r o e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g , 2 0 0 0 ，5 3 ：5 3 1 - 5 3 4 2 4 j a ny a o , j i n g l e id u , y i x i a oz h a n g , f u h u ag a o ，y o n g k a n gg u o f a b r i c a t i o no fr e f r a c t i v e m i c r o l e n sw i t hc o d i n gg r a y - t o n em a s k s p e , 1 9 9 9 ，v 0 1 3 7 4 9 ：7 6 0 7 6 1 2 5 k i n f o o n g ，c h a nz h i q i a n g h i g h - r e s o l u t i o n m a s k l e s s l i t h o g r a p h y j o u r n a l o f m i c r o l i t h o g r a p h y , m i c r o f a b r l c a a o n , a n d m i c r o s y s t e m s , 2 0 0 3 ，2 ( 4 ) ：3 3 1 - 3 3 9 第= 章d d 數(shù)字微鏡襲置及d l p 技術(shù) 四l 大掌碩士掌位論文 第二章d m d 數(shù)字微鏡裝置及d l p 技術(shù) 2 1引言 2 0 世紀(jì)8 0 年代以后，隨著高新技術(shù)的蓬勃興起，人類進(jìn)入了一個“信息爆 炸時代”，對光學(xué)信息處理的大容量和并行性提出了更高的要求，原有的以串行 輸入輸出為基礎(chǔ)的各種光調(diào)制器已經(jīng)不能滿足，能實(shí)時地或快速地二維輸入、 輸出的傳感器以及具有運(yùn)算功能的二維器件便應(yīng)運(yùn)而生，這些器件即為空間光 調(diào)制器?？臻g光調(diào)制器有時也被叫做光學(xué)調(diào)制器、光閥、光學(xué)動態(tài)濾波器等， 它被廣泛應(yīng)用于電光轉(zhuǎn)換、相干光與非相干光轉(zhuǎn)化、圖像增強(qiáng)、光學(xué)運(yùn)算等各 個方面，在光學(xué)信息處理領(lǐng)域具有重要地位2 】。近年已經(jīng)成功地應(yīng)用到模式識 別和機(jī)器人視覺的信息處理中，它不僅可用作強(qiáng)度和位相的輸入和輸出器件”】， 相位濾波器件伽，還可用于相關(guān)識別，自適應(yīng)系統(tǒng)“”等，并有希望在未來的光 計(jì)算機(jī)中作為接口器件。 本章簡要介紹了幾種典型的空間光調(diào)制器，著重介紹了數(shù)字微反射鏡裝置 ( d m d ) 的結(jié)構(gòu)、特性、工作原理和發(fā)展方向等，為基于d m d 的數(shù)字掩模光 刻成像系統(tǒng)的建立提供了理論基礎(chǔ)。 2 2 空間光調(diào)制器( s l m ) 空間光調(diào)制器是由英語s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r 直譯過來，?？s寫成s l m 。 空間光調(diào)制器可以形成隨xj ，坐標(biāo)變化的振幅( 或強(qiáng)度) 透過率 4 ( x ，) ，) = 4 t ( x ，y ) ，或者形成隨坐標(biāo)變化的相位分布a ( x ，y ) = 4 死坩o “，或者 形成隨坐標(biāo)變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思義，它一種對光波的空間分布進(jìn)行 調(diào)制的器件?？臻g光調(diào)制器能對光波的某種或某些特性( 例如相位、振幅或強(qiáng) 度、頻率、偏振態(tài)等) 的一維或二維分布進(jìn)行空間和時間的變換或調(diào)制。也就 是說，其輸出光信號是隨控制( 電的或光的) 信號變化的空間和時間的函數(shù)。 2 2 1空間光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)與分類“習(xí) 第= 章m 毋敦字硼：鏡摹j ：及d l p 技術(shù)四j i i 大掌碩士掌位顫 文 空間光調(diào)制器基本結(jié)構(gòu)是由許多基本的獨(dú)立單元組成的一維線陣或二維陣 列，這些獨(dú)立單元既可以是物理上分割的小單元，也可以是無物理邊界的、連 續(xù)的整體，只是由于器件材料的分辨率和輸入圖像或信號的空間分辨率有限， 而形成的一個一個小單元。每個單元都可以獨(dú)立地接受光信號或電信號的控制， 并按此信號改變自身的光學(xué)性質(zhì)( 透過率、反射率、折射率等) ，從而對通過它 的光波進(jìn)行調(diào)制或變換；習(xí)慣上，把這些小獨(dú)立單元稱為空間光調(diào)制器的“像 素”；控制這些像素光電信號稱為“寫入光”或“寫入電信號”，把照明整個器 件并被調(diào)制的光波稱為“讀出光”：經(jīng)過空間光調(diào)制器后的輸出光波稱為“輸出 光”。 顯然，讀出光應(yīng)該能照明空間光調(diào)制器的所有像素，并能接收寫入光或?qū)?入電信號傳遞給它的信息，經(jīng)調(diào)制或變換轉(zhuǎn)換成輸出光。按讀出光工作方式分， 可有透射式或反射式。而寫入光或?qū)懭腚娦盘枒?yīng)含有控制調(diào)制器各像素的信息， 并把這些信息分別傳送到調(diào)制器相應(yīng)的各像素位置上的過程稱為“尋址”( 或“編