全息光栅制作中光栅掩模形状随曝光量及干涉场条纹对比度的变化规律

为了在光栅制作中对光栅掩模占宽比及槽深加以控制,结合光刻胶在显影过程中的非线性特性,建立了光栅掩模槽形演化的数学模型,由此分析和模拟曝光量、条纹对比度对光栅槽形的影响。结果表明:在显影条件确定时,光栅掩模占宽比随光刻胶曝光量的增大而减小,条纹对比度减小,则不仅使光栅占宽比减小,同时也是使光栅槽深减小的主要原因,这样做的前提是预先通过实验和计算确定出一个曝光量上限Ec。该方法能够反映光栅掩模形状的演化规律,为全息光栅参数预测和工艺控制提供依据。     

光刻胶特性曲线参数测量的新方法

文中通过台阶实验的数据结合光刻胶光栅掩模的槽形,得到光刻胶特性参数,利用这些参数可以模拟出任一曝光量,任一显影时间,任一空频下,光栅掩模的槽形.为今后制作符合要求的光栅提供有力依据.     

一种控制矩形光刻胶光栅槽深和占宽比的方法

利用光刻胶的非线性效应可以制作出了矩形的全息光栅。制作矩形光栅时,对槽形的控制被简化为对槽深和占宽比这两个参量的控制。首先借助实时潜像监测技术获得最佳曝光量,然后根据显影监测曲线的特征找出光栅槽底的残胶厚度为零的显影时刻,就能得到槽底干净的矩形光栅,同时保证槽深近似等于光刻胶的初始厚度;如果此后继续显影,就能适度减小占宽比。实验结果和理论分析都证实了这种控制方法的可靠性。对1200lp／mm的光栅,目前工艺能精确调控的最大槽深为1μm,占宽比在0．2～0．6范围内。实验还揭示,为了提高对光栅槽形的调控能力,必须首先提高干涉条纹的稳定性。     

低陡度光刻胶光栅槽形研究

为控制全息光刻胶光栅槽形,从研究显影时间、显影液温度等对光刻胶特性曲线的影响出发,采用计算机模拟和实验方法,制作出底部占宽比30%左右,陡度65°左右的低陡度光刻胶光栅掩模.研究发现：启动曝光量随显影时间的延长而减小,光刻胶特性曲线线性部分的斜率随着显影时间的增加而增加;显影液温度高的光刻胶启动曝光量大,其特性曲线线性部分的斜率也较大.这决定了制作低陡度光刻胶光栅掩模需要使用非1∶1的干涉曝光,以及必须采用较低温度的显影液进行显影处理.最终选用1∶7的干涉曝光和15℃的显影液.     

利用导波耦合角度实时控制光刻胶光栅掩模的占宽比

研究一种控制多层介质膜上的光刻胶光栅掩模占宽比(线宽与周期之比)的新方法。该方法基于下面的原理:如果某泄漏模在包层中的隐失尾较强,那么它的等效折射率受光刻胶光栅占宽比变化的影响就大,从而可以利用耦合角度来实时控制光栅占宽比。在光栅制作的显影阶段,采用实时监测技术,根据耦合角度和占宽比之间的关系预设入射光角度,在出现共振反常的时刻停止显影来控制占宽比。实验结果表明,固定适当的入射角度可以得到特定的占宽比;改变入射角度,占宽比按照预计的规律变化,因此定性地验证了这种占宽比控制方法的可行性。文中给出了监控装置和具体的实验方法,并讨论了误差来源和影响。     

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期测量误差对光栅掩模槽形的影响

扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期的测量误差是影响曝光过程中相位拼接的主要因素。为制作符合离子束刻蚀要求的高质量光栅掩模,建立了条纹周期测量误差与扫描曝光对比度关系的数学模型,利用光刻胶在显影过程中的非线性特性,建立了扫描干涉场曝光光栅的显影模型,给出了光栅掩模槽形随周期测量误差的变化规律,并进行了实验验证。结果表明:周期测量误差不仅会使掩模槽形变差,还会引起槽形在空间上的变化。在周期测量的相对误差一定时,相位拼接误差与相邻扫描间的步进间隔成正比,与干涉条纹周期成反比。在显影条件一定、曝光光束束腰半径1mm、曝光步进间隔0.8mm、曝光线密度1800gr/mm时,周期测量误差控制在139ppm以内,理论上可以制作槽底洁净无残胶、槽形均匀的光栅掩模。     

光刻胶全息光栅显影监测的模拟与实验

为了控制光刻胶全息光栅显影过程,建立了槽形演化和衍射效率模型,模拟了槽形演化和衍射效率曲线,分析了显影监测曲线的特征和规律。并将模拟槽形和实验槽形、模拟监测曲线和实验监测曲线进行对比,均很好地吻合。结果表明衍射效率的监测对把握显影过程停显时刻、控制掩摸槽形非常有效。     

全息光栅实时显影监测曲线的理论模拟

在特定的工艺条件下,光刻胶的非线性效应非常显著;合理地利用非线性效应,能够制作出近似矩形的全息光栅掩模。为了分析清楚非线性效应对光栅沟槽成形的作用机理,有必要建立一个显影理论模型。模拟得到的光栅轮廓和实验样片的扫描电子显微镜照片结果很吻合。根据这个模型,进而使用光栅严格理论,得到其主要特征与实时监测实验曲线一致的理论模拟监测曲线。理论分析和实验证实,该模型基本表征了工艺条件对光栅沟槽形状的影响,并揭示了光刻胶呈现显著非线性效应时,必然对应着明暗条纹中心位置之间的显影刻蚀速率相差很大。这个模型为全息光栅的工艺研究提供了一个有效的理论分析工具。     

扫描干涉场曝光中光栅掩模槽形轮廓的预测

根据扫描干涉场曝光的特点,针对光刻胶层内曝光量的驻波效应,建立了动态曝光模型。基于快速推进法建立了显影模型,得到了光栅掩模槽形的演变规律。为减弱驻波效应的影响,提出了一种抗反射层最优厚度的设计方法。仿真结果表明,建立的曝光和显影模型能有效预测光栅掩模的槽形轮廓,同时可优化抗反射膜的厚度。     

软X射线位相型金透射光栅的设计与制作

根据衍射光栅的标量理论,计算并讨论了金透射光栅在软X波段衍射效率对光栅厚度和占宽比的依赖关系.结果表明,选择合适的光栅槽深和占宽比,高达 21.9%的衍射效率可能被获得,远高于振幅型光栅的+1级衍射效率10.14%.通过全息光刻与电镀转移技术制作的位相型金透射光栅由300nm的聚酰亚胺薄膜支撑,光栅槽深200nm,占宽比为0.55,周期为1μm,面积为20mm×5mm.在国家同步辐射装置上,测得其+1级透射衍射效率在波长λ=7.425nm时获得最大值,约为16%. 关键词： 透射位相光栅 全息光刻 电镀     

Formation of holographic diffraction gratings in photoresist

The exposure-development process for the fabrication of holographic diffraction gratings for integrated optics in the positive photoresist Shipley AZ-1350 is theoretically and experimentally investigated. An analysis of the light intensity distribution is carried out, taking into account the reflectivity at the photoresist-substrate interface and the attenuation in the photoresist for two holographic exposure arrangements. The influence of the exposure energy, the development time for a fixed concentration of the developer and the initial photoresist thickness are described. Various grating profiles are calculated for photoresist films, coated on matched and reflective substrates. Scanning electron micrographs demonstrate very good agreement between the actual and calculated gratings profiles.     

Optimization for sinusoidal profiles in surface relief gratings recorded on photoresist

The formations of sinusoidal surface relief structures recorded in positive photoresist (Allresist AR-P 3120) have been studied and optimized for different recording parameters of gratings with spatial frequency of ～1200 grooves/mm. A stable sinusoidal pattern generated using a two-beam laser interferometric technique was recorded in thin films of positive photoresist deposited on glass substrates. Several gratings were generated by varying the exposure time of interference pattern and time of chemical development of exposed media. Time duration of exposure for 90 s and chemical development for 15 s were observed to be optimum for the translation of the sinusoidal interference pattern into nearly-sinusoidal profiled grooves in the gratings for a developer AR-300-26 of dilution of 2:1 (developer:de-ionized water).     

大面积金纳米线光栅的制备

利用激光干涉光刻和金纳米颗粒胶体溶液制备了宽度在100 nm以下且总面积达到平方厘米量级的金纳米线光栅结构.制备过程中,首先在表面镀有厚度约为200 nm的铟锡氧化物薄膜的面积为1 cm×1 cm的玻璃基片表面旋涂光刻胶,然后利用紫外激光干涉光刻制备光刻胶纳米光栅结构.有效控制干涉光刻过程中的曝光量、显影时间,获得小占空比的光刻胶光栅.再以光刻胶纳米光栅作为模板,旋涂金纳米颗粒胶体溶液.充分利用金纳米颗粒胶体溶液在光刻胶表面浸润性差的特点,限制旋涂后留存在光刻胶光栅槽中金纳米颗粒的数量,从而达到限制金纳米线宽度的目的.最后在250℃将样品进行退火处理5 min.获得了周期为400 nm且占空比小于1:4的金纳米线光栅结构,其有效面积为1 cm².以波导共振模式与粒子等离子共振模式间耦合作用为特征的光谱学响应特性验证了波导耦合金属光子晶体的成功制备,为小传感体积新型生物传感器的开发提供了性能良好的金属光子晶体芯片.     

Optimization of thin-film design for multi-layer dielectric grating

Thin-film design used to fabricate multi-layer dielectric (MLD) gratings should provide high transmittance during holography exposure, high reflectance at use wavelength and sufficient manufacturing latitude of the grating design making the MLD grating achieve both high diffraction efficiency and low electric field enhancement. Based on a (HLL)⁹H design comprising of quarter-waves of high-index material and half-waves of low-index material, we obtain an optimum MLD coating meeting these requirements by inserting a matching layer being half a quarter-wave of Al₂O₃ between the initial design and an optimized HfO₂ top layer. The optimized MLD coatings exhibits a low reflectance of 0.017% under photoresist at the exposure angle of 17.8° for 413 nm light and a high reflectance of 99.61% under air at the use angle of 51.2° for 1053 nm light. Numerical calculation of intensity distribution in the photoresist coated on the MLD film during exposure shows that standing-wave patterns are greatly minimized and thus simulation profile of photoresist gratings after development demonstrates smoother shapes with lower roughness. Furthermore, a MLD gratings with grooves etched into the top layer of this MLD coating provides a high diffraction efficiency of 99.5% and a low electric field enhancement ratio of 1.53. This thin-film design shows perfect performances and can be easily fabricated by e-beam evaporation.     

激光直写光刻中线条轮廓的分析

考虑了光刻胶对光吸收作用,在已有描述胶层内光场分布模型的基础上,较为准确地推导出光刻胶层内不同深度位置的光场分布.使用迭代方法计算得到了胶层内曝光量空间分布曲线,分析了不同曝光量下胶层内的线条轮廓,为直写光刻中曝光量的选择提供了依据.实验结果分析与理论分析的结果一致.