激光光刻中焦深概念的新探讨

焦深大小将直接影响激光光刻加工的最细线宽和线条的边缘倾角从而影响被加工器件性能.传统的几何光学焦深概念对有光刻胶存在时的激光光刻已不适用.本文导出了会聚的高斯光束用于激光光刻时在光刻胶内的光场近似分布形式,由此可判断出光刻胶对光刻线条的分辨率和焦深的影响,从而提出激光光刻时焦深的新概念和估算.     

双尺度织构的激光光刻工艺

搭建了双光束激光干涉光刻系统和激光快速扫描系统。利用干涉光刻系统,实现了不同周期、不同深度、大面积的表面规则光栅织构的构筑。利用激光快速扫描器的二维扫描功能,通过控制激光功率和扫描速度,对曝光量和填充线条间距进行了优化。提出了两种双尺度复合织构的制备方法:一种是在激光快速扫描系统中对抗蚀剂表面分别进行x, y方向的扫描光刻,然后在干涉光刻系统中进行双光束干涉光刻;另一种是在激光干涉光刻系统中进行两次曝光,每次曝光的入射角不同。实验结果表明:这两种方法在制备双尺度复合织构方面具有快速、廉价、操作简易等优点。     

离焦写入线宽的动态高斯模型

为提高集成光学器件中的多线宽制作效率,提出了基于激光直接写入技术的离焦加工模式,即加工时激光束的聚焦点不落在胶层表面而是在其前方或后方;同时还建立了基于多个加工参量的线宽数学模型。此线宽模型首先假定激光束经物镜变换后,在像方任意离焦面上的能量仍保持高斯分布,其次还考虑了光束动态扫描引起的光斑线度对曝光能量分布的影响,故称其为动态高斯模型。此线宽模型涉及光功率、基片离焦量、光束扫描速度、胶层曝光能量阈值等加工参量。对线宽模型的验证在自行研发的极坐标型激光图形发生器上进行,实验表明:相对于不考虑光斑运动的静态高斯模型,动态高斯模型更为符合实验结果。     

二元振幅型面板用于光束空间整形

为了提高高功率激光系统的整体效率和充分利用光能,需要对前端注入的高斯光束进行空间整形,实现驱动器终端激光的均匀化输出.采用振幅型二元面板对激光光束进行空间强度整形,利用误差扩散法进行了理论设计,数值摸拟了整形效果,同时讨论了面板加工误差以及空间滤波器的小孔大小等因素带来的影响.根据理论设计,分别加工了反高斯透射率分布和抛物线透射率分布的二元面板,并进行了整形实验,实现了各自的整形功能,并做了误差分析.实验让明二元面板能对激光光束的空间强度分布实现了精确的整形.     

入射光束角度及强度偏差对多光束干涉光刻结果的影响

建立了多光束干涉光刻干涉场内光强分布的数学模型,仿真计算了双光束、三光束、四光束干涉曝光情况下,入射光束存在角度偏差以及各入射光强不同时的干涉图样,并与理想状态的模拟结果进行对比.结果表明:光束入射角度偏差主要影响干涉图样的形状和周期;入射光的光强不同是降低图形对比度的主要因素.利用402nm波长激光光源进行多光束干涉光刻实验.设定激光器输出功率32mW,每两束光夹角为16°,通过控制曝光、显影工艺,双光束干涉光刻产生周期为1.4μm的光栅、点阵和孔阵结构,三光束干涉光刻产生周期为1.7μm的六边形图形阵列.该模型可为利用干涉光刻技术制备微细周期结构,提高光刻图形质量,提供一定的理论参考.     

一种二元整形元件激光直写方法的实验研究

为了实现具有复杂位相结构的二元光束整形元件,提出了采用方光点的激光直写系统来逐点光刻浮雕位相结构的方法,通过双远心投影缩微光路获得5-20 μm方点,光点尺寸对应于最小位相单元,从而获得了位相结构的高质量直写.分析了高斯光点和方光点位相单元结构对二元整形元件衍射效率的影响,方形两台阶二元整形元件的+1级衍射效率达到31%,给出了实验结果.     

基于多模光纤的高斯光束平顶化整形技术

高功率平顶光束在激光加工领域具有广泛的应用。针对光束平顶化的问题,提出利用大芯径多模光纤对高斯光束整形的方法。采用RP Fiber Power建立高斯光束传输模型,仿真分析光纤内光束的传输及强度分布特性。研究结果表明,多模光纤对高斯光束具有整形作用。高斯光束经多模光纤传输后,传导模数量增加,能量由中心向径向移动,光束质量下降,能量分布趋于均匀化。光纤的芯径越大,传输长度越长,匀化效果越明显。采用D型纤芯结构,或凹面折射率分布光纤,均可快速匀化光束。     

飞行光学导光系统中的空气热透镜效应

研究了激光加工用大功率ＣＯ２激光束在飞行光学导光系统中传输所产生的空气热透镜效应。实验发现当飞行光学导光系统中的空气静止时将产生空气热透镜效应,而充以一定压力的压缩空气却可以消除空气热透镜效应,实验表明无热透镜效应时,光束遵循高斯光束传输规律,而秀热透镜效应时,光束偏离高斯光束的传输规律,并影响到激光束聚焦焦点的大小和位置。另外通过激光空气热透镜效应的非线性模型计算了热透镜效应所引起的光束传输相对     

准分子激光的光束波面测量技术

 准分子激光在激光光刻和微细加工中有广泛的应用，要求激光具有好的稳定性和光束波面均匀性。介绍了准分子激光的波面特性以及波面分析测量技术。用波面分析仪对XeCl和ArF激光特性进行全面的测量和评估，给出了主要参数的测量结果，重点分析了光束均匀性。     

劳埃德式紫外激光干涉光刻实验

搭建了劳埃德式紫外激光干涉光刻系统,利用劳埃德镜产生双光束分波阵面干涉,通过精确调整、控制光束的入射角,设计了曝光图样.基础实验部分可以完成一维光栅制备,分析光栅周期与波长、入射角的关系;在拓展实验中,制备设计部分可以完成二维点阵或准晶结构制备,前沿拓展部分可以制备表面等离极化激元微腔.基于劳埃德式激光干涉光刻实验操作便捷、展示度高,同时涵盖光干涉原理的介绍和光路调整、样品制备和表征等实验内容,有助于学生掌握激光干涉光刻的实验技能.     

Research on the optical field distribution and micro-fabrication model in convex-surface laser lithography

A system of convex-surface laser lithography with diode laser is established in this paper. Based on this system, a mathematical model of optical field distribution and lithography on the photoresist layer of convex-surface substrate with diode laser is presented. According to the lithography system and model, some numerical simulations are carried out. The simulation result shows that lithographic lines on convex-surface lithography are not symmetric about the optical axis of incident laser beam. Axis of lines at different vector radius on convex-surface substrate will offset from the wavefront normal of incident laser beam. The offset distance depends on the slopes of different equivalent slants. The simulative results of lithographic model agree well with the lithographic experimental data.     

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.     

精确控制大数值孔径微透镜列阵面形的显影阈值方法

提出了一种可对大矢高、非球面微透镜阵列面形进行精确控制的新方法。针对不同面形的微透镜阵列，该方法首先对光致抗蚀剂表面的曝光分布进行设计，然后，利用光致抗蚀剂显影过程中的阈值特性，对微透镜的面形实行控制。当抗蚀剂显影速率接近0时，即可获得设计的微透镜面形。该方法不仅大大提高了微透镜阵列矢高的加工范围，而且还减小了光刻材料显影特性对微透镜面形的影响，提高了微透镜阵列的面形控制精度，在实验中获得了矢高达114μm的微透镜阵列。最终实现了大浮雕深度、大数值孔径、非球面微列阵光学元件的面形控制。     

Simplified mesh techniques for design of beam-shaping diffractive optical elements

This paper describes a simplified mesh generation technique that is based on the finite element method of calculation of beam-shaping diffractive optical elements (DOEs). The mesh generation technique uses the inherent symmetry of the incident beam to generate a mesh. Using the meshes so generated, DOEs that convert a Gaussian intensity beam to one of a specified shape, are calculated. Simulations of the results of such beam-shaping elements will be presented. Such elements have uses in industrial and medical applications where both the shape as well as the intensity distribution on the material that is to be processed is very important. For example, in industrial applications the beam may be used to uniformly heat up a specific area in which case the intensity has to be uniform across the beam. The Gaussian intensity variation of a laser has to be converted to a flat-top beam in order to achieve this. To reiterate, beam shaping refers to changing both the intensity distribution and the shape of the beam. Experimental results of the fabricated gratings will also be presented. These results will include experimental data on the method of additive lithography which can be used to improve the efficiency of DOEs.     

极紫外光刻离轴照明技术研究

离轴照明技术(OAI)是极紫外光刻技术中提高光刻分辨率的关键技术之一。为了实现考虑掩模阴影效应情况下离轴照明的优化选择,构造了一种新型实现OAI曝光的成像模型。将照射到掩模上的非相干光等效为一系列具有连续入射方向的等强度平行光,基于阿贝成像原理分别对掩模进行成像,最终在像面进行强度叠加实现OAI方式下空间成像的计算;并通过向投影系统函数添加离焦像差项实现不同离焦面上空间成像计算。该模型极大地简化了OAI条件下对掩模阴影效应的计算,提高了成像质量计算效率。结合光刻胶特性及投影曝光系统焦深设计要求,以显影后光刻胶轮廓的侧壁倾角为判据,获得了采用数值孔径为0.32的投影系统实现16 nm线宽黑白线条曝光的最优OAI参数。     

反射式液晶空间光调制器电控光束偏转

为获得较大的光束电控偏转范围,使用空间分辨力高达8 m的反射式液晶空间光调制器实现了对入射632 nm激光的电控偏转。利用双光束共焦干涉方法测量了液晶空间光调制器的电控相位延迟特性,最大相移量可达3。根据二元光学理论和器件的电控相位延迟特性,设计了周期台阶相位模式和相应的加载灰度图,以最大衍射效率实现对入射光束的闪耀电控偏转。结果表明:相位模式台阶数为8时,可以实现10 mrad的光束偏转,闪耀级次衍射效率可达46%。利用二元光学的衍射模型对影响衍射效率的关键因素进行了分析,认为器件较低的填充因子和周期台阶模式相位重置点诱导的指向矢回程区是限制光束衍射效率的主要因素。     

深紫外光刻照明系统扩束单元设计

在曝光线宽为90nm的投影光刻机中,准分子激光光源发出的矩形截面光束,需要进行一维扩束,以获得光束整形单元所需的正方形截面分布。现有的这类扩束单元分别存在严重的相干散斑效应和严格的装调公差等不足。基于此,提出了多组元平行反射扩束镜组。通过求解各组元透射率值的线性方程组,得到若干种扩束单元结构,其中的四组元扩束单元每个组元只有一种透射率,有效降低了镀膜的工艺成本。分别从公差分析、系统透射率和出射光束均匀性等方面对各类扩束单元结构进行综合比较,并通过建模仿真,验证了设计的四组元扩束单元的散斑效应和装调公差灵敏度都明显降低,而且出射光束较均匀,有利于提高照明均匀性。     

Depth of focus estimation based on exposure dose distribution

A defocusing exposure dose distribution model is established with the integral effect of light intensity on time taken into account for laser direct writing on a thin photoresist with total reflection substrate. Exposure dose distribution curves are established using the established model for different photoresist depths. A side slope angle is established for each defocusing amount in accordance with the exposure dose distribution curves, and so depth of focus can be estimated by simply checking to see if the maximum side slope angle with the horizontal is in the range of 80-100°. Simulation results indicate that when laser direct writing is done on a thin photoresist with total reflection substrate using a laser with wavelength equal to 442 nm and a lens with numerical aperture equal to 0.5, the depth of focus estimated using the proposed method is 1 μm, which is just 1/3 of the depth of focus estimated using the method based on intensity distribution. It is therefore concluded that it is the integral effect of light intensity on time that causes the depth of focus estimation error, and the proposed method can be used to achieve a more accurate depth of focus estimation compared to the intensity distribution based method.     

三种半导体阵列光谱组束结构的输出特性

基于光谱光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,并通过加入光束整形系统,将标准的半导体激光阵列的发光单元锁定在窄线宽的不同波长上,以近似平行光束沿组合方向输出,以实现半导体激光阵列输出光束质量的改善和线宽的压窄。实验中采用发光单元宽度100μm,周期500μm,由19个单元构成的标准阵列,分别对快、慢轴准直后光谱组束、光束整形后光谱组束和线宽压窄外腔组束进行了实验验证,实现了组合光束与单个发光单元近似的光束质量,同时得到了较窄的线宽输出,并对实验结果进行了分析。