（光学专业论文）硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究.pdf

硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究中文摘要 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究 中文摘要 微光栅结构的制作一直是微加工领域的一个研究热点。由于制作的 光栅周期很小，以及成本、环境要求、工艺复杂程度和运行效率等因素， 目前适合工业化生产的微光栅结构制作方法较少。本文主要开展了采用 纳秒激光干涉刻蚀的方法在硅片表面直接制作微光栅结构的研究，完成 了相关的实验和测试。 本文的研究内容和主要成果归结如下： 1 微光栅结构的衍射情况非常复杂，介绍了对其进行分析的理论方法， 给出了严格耦合波分析法( r w c a ) 对光栅微结构各级衍射效率的计算公 式。使用了r s o f i 软件的d i f f r a c t m o d 工具进行数值模拟。 2 以半导体泵浦全固态激光器( d p s s l ) 为光源，利用位相光栅进行分束， 搭建了多光束纳秒紫外激光干涉刻蚀系统，进行了在硅片表面直接刻蚀 微光栅结构的实验。 3 双光束干涉刻蚀实验制作了周期0 5 5 t m 的一维微光栅结构，测量了 不同脉冲个数刻蚀的样品对于不同波长的入射光的反射情况。结果显示， 硅片经刻蚀后的光反射少于未经刻蚀的情况，制作的微光栅结构起到了 减少硅表面光反射的效果。 4 四光束干涉刻蚀实验在硅表面进行了二维正交微光栅结构的制作，并 分析与讨论了实验结果，得到的光栅周期为1 2 5 9 m 。这种周期结构在光 l 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究中文摘要 子晶体、生物科学等领域有很好的应用前景。 本文的工作提出了一种无需掩模，工艺简洁，制作灵活性好，运行 效率和刻蚀精细程度较高的微光栅结构制作方法。改变了硅片表面微结 构，优化了硅材料对光能的吸收利用。拓展了大功率激光刻蚀在微加工 领域的应用。在实际工业生产中有广泛的应用前景和进一步研究的价值。 关键词：微光栅结构，干涉刻蚀，纳秒激光，硅片，反射 i i 作者：朱冀梁 指导老师：陈林森 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究英文摘要 r e s e a r c ho nt h ei n t e r f e r e n c en a n o s e c o n dl a s e ra b l a t i o n o fm i c r o - - g r a t i n gs t r u c t u r e so nt h es i l i c o ns u r f a c e a b s t r a c t t h ef a b r i c a t i o no fm i c r o - g r a t i n gs t r u c t u r e s ( m g s s ) i sah o tt o p i ci nt h e f i e l do fm i c r o f a b r i c a t i o n a st h ep e r i o do fg r a t i n gi sv e r ys m a l l ，t h ec o s ti s e x p e n s i v e ，a n dt e c h n i c a li sd i f f i c u l t ，i t i ss t i l lh a r dt oa c h i e v et h em a s s p r o d u c t i o no fm g s s i ni n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，t h em g s sw e r ef a b r i c a t e do n t h es i l i c o nw a f e r su s i n gt h ei n t e r f e r e n c en a n o s e c o n dl a s e rp u l s e s t h er e l a t e d e x p e r i m e n t sa n dt e s t sh a v eb e e nd o n e g e n e r a l l y ，t h ef o l l o w i n gi t e m sa r ei n c l u d e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h ea n a l y t i c a l m e t h o d sf o rt h er e s e a r c h e so nm g s sw e r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h et h e o r yo fr i g o r o u sc o u p l e dw a v ea n a l y s i s ( r c w a ) ， t h ef o r m u l a sf o rt h ec a l c u l a t i o no fm g s s d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yw e r ec a r r i e d o u t a n dm g s s m o d e l sw e r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e db yat o o lc a l l e d d i f f r a c t m o do fr s o f ts o f t w a r e s e c o n d l y , d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r ( d p s s l ) w a su s e da st h el i g h t r e s o u r c e ，a n db e a ms p l i tb yk i n d so fp h a s eg r a t i n g s ，t h es y s t e mf o rm u l t i p l e b e a mo fn a n o s e c o n du vl a s e ra b l a t i o nw a s b u i l t d u r i n gt h ee x p e r i m e n t s ，t h e m g s sw e r ea b l a t e do ns i l i c o nw a f e rd i r e c t l y t h i r d l y , o d ed i m e n s i o n a lg r a t i n gw a sa b l a t e db yd u a l b e a mi n t e r f e r e n c e t h ep e r i o do ft h e g r a t i n gi s0 5 5 p m t h er e f l e c t i v i t i e so fs a m p l e sw e r e i i i 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究英文摘要 m e a s u r e d ，w h i c hw e r ea b l a t e db yd i f f e r e n tn u m b e r so fp u l s e s a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea n t i r e f l e c t i o ns t r u c t u r ew a s e f f e c t i v e l ym a d eo ns i f o u r t h l y , t w od i m e n s i o n a lc r o s sg r a t i n gw e r ea b l a t e di nt h ee x p e r i m e n t s u s i n g4 l a s e r sb e a mi n t e r f e r e n c e t h ep e r i o do fg r a t i n gi s 1 2 5 t m t h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa n ds a m p l e s w e r e a n a l y z e d t h e f a c t o r st h a t i n f l u e n c et h er e s u l t sw e r ed i s c u s s e d t h i sk i n do fp e r i o d i cs t r u c t u r ec a nb e a p p l i e di nt h ef i e l do fp h o t o n i cb a n d g a pc r y s t a l sa n db i o s c i e n c e ，e t c i ns u m m a r y ，t h i st h e s i sp r e s e n t e dan o v e lm e t h o df o rm g s s f a b r i c a t i o n i t s i m p l i f i e s t h e w o r k i n gp r o c e d u r e ，a n de n h a n c e dt h ee f f i c i e n c y t h e m i c r o s t r u c t u r eo nt h es u r f a c eo fs i l i c o nw a sc h a n g e d ，a n dt h el i g h tu t i l i z a t i o n o fs i l i c o nw a so p t i m i z e d t h i sr e s e a r c he x t e n d st h ea p p l i c a t i o no fh i g hp o w e r l a s e ra b l a t i o ni nt h ef i e l do fm i c r o f a b r i c a t i o n 。i th a sb e e nw i d e l yp r o s p e c t e d a n dv a l u e df o rb o t hi n d u s t r ya n ds c i e n c e k e yw o r d s ：m i c r o g r a t i n gs t r u c t u r e ，i n t e r f e r e n c ea b l a t i o n ，n a n o s e c o n d 1 a s e r , s i l i c o nw a f e r , r e f l e c t i o n i v w r i t t e nb yz h uj i l i a n g s u p e r v i s e db yc h e nl i n s e n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：日期：卅，f 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名； 襻 韩蠢 期 期 日 日 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一章引言 1 1 概述 第一章引言 光栅在众多领域里发挥着重要的作用1 。3 1 。随着光学应用领域的不断 扩大，人们对光栅这样一种重要的光学器件提出了更多的要求，许多新 型的光栅应运而生吲，现代光栅的发展趋于微型化和多样化。当光栅周 期与入射光波长相近甚至小于光波长时研究发现其具有一些新的特性 3 - 9 。例如，当光照射到光栅表面，它具有不发生高级次衍射波的特点； 具有连续的折射率分布以及光学各向异性，入射光通过后改变了波长、 相位、偏振等等。利用这些新特性，光栅可用于防反射表面、偏光器件、 光学滤波器、高效衍射器件等光学器件 1 0 - 2 0 】。如今微光栅结构的制作与 应用是一项很有实际意义研究课题。 直写法是目前制作微光栅结构的一种主要的方法，它利用激光束或 电子束等为工具作用于材料刻划周期性结构，主要有激光直写和电子束 直写。自2 0 世纪末开始，数控激光加工技术得到了很大的发展【2 卜2 9 1 。利 用进行激光束直写的方法主要分为单光束直写和多光束干涉直写。 单光束激光直写法通常是利用显微物镜将激光束会聚于材料介质 上，由计算机控制样品台移动，直接在材料表面曝光，刻划出连续的光 栅槽形结构。光栅周期结构的微细程度主要取决于显微物镜的倍率，该 方法对激光束的光强稳定性，电子控制以及机械设备的运行精度要求都 非常高 2 9 - 3 2 】。单光束激光直写设备可制作的线条的最小特征尺寸在1 1 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一章引言 3 1 t i n 量级，要制作亚微米量级的线条有一定困难。同时单个聚焦光点逐 行扫描运行，工作效率不高【2 4 1 。 多光束激光干涉直写法是将激光器的单束激光经衍射、干涉光学等 组件扩束准直再分束，最后会聚到材料表面用激光干涉形成的条纹光点 作为直写点进行光栅周期结构制作的方法。与单光束直写法相比，多光 束激光干涉直写法有自身的优势1 2 4 - 2 5 1 。首先激光干涉直写更易于制作空 间频率更高的光栅，增大干涉光夹角，光栅空间频率也随之增大，结构 也越微细，可达到亚微米量级。其次干涉直写每个曝光点都包含数十个 条纹，制作微光栅结构速度快，工作效率高。制作的幅面越大则这个优 势就越明显。第三个方面，单光束直写激光束是圆形高斯光斑，要制作 更微细的光栅结构就要求光点更细小，但是同时受到瑞利衍射的限制， 只能选用更短波长的激光进行加工，以及特殊设计的加工系统。 电子束直写是近3 0 年才发展起来的新技术，可用于0 1 0 2 5 9 m 的超 微细加工【3 3 3 。5 1 。电子束由计算机直接控制进行直写，特点是制作图形灵 活性好，对图形的保真性高，但是其制作费用高，设计、运行周期长。 本文的目的是使用半导体泵浦全固态脉冲激光器d p s s l ( d i o d e p u m ps o l i ds t a t el a s e r ) 作为光源，采用多光束纳秒紫外激光干涉直写的方 法来实现硅片表面微光栅结构的制作。 下面对激光技术的发展应用以及全固态半导体泵浦激光器( d p s s l ) 做一个简单介绍，并对飞秒激光和电子束制作微光栅结构的实验研究进 行回顾与分析。 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一章引言 1 2 微光栅结构制作工艺的研究进展 1 2 1 激光技术的发展应用与d p s s l 2 0 世纪2 0 年代爱因斯坦提出了光受激辐射的概念预见了激光的产 生，4 0 年后美国工程师西奥多梅曼于1 9 6 0 年利用一个红宝石棒率先研 制成功的第一台激光器标志着激光的正式诞生。继固体激光器后，气体 激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体 激光器、x 射线激光器和光纤激光器相继问世，应用领域也扩展到诸如电 子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢 铁、冶金、石油等产业【3 6 1 。由于激光峰值功率高、方向性强、颜色纯、 相干性好，利用激光可以在很大相干体积内产生很高的相干光强，其作 用于材料可以发生烧蚀、光致化学反应、催生等离子体等多种现象。激 光加工微结构具有精度高、速度快、可加工材料范围宽广等明显优势， 目前己广泛应用于微米级尺寸零件的加工，极具研究潜力和发展前景口9 3 6 4 1 1 。所谓“激光刻蚀”就是指利用高功率激光作用于材料表面，材料吸 收激光能量而快速升温，发生熔融、气化等物理过程，使部分材料物质 被去除，由此来改变物体的表面形貌。激光刻蚀微结构的工艺随着激光 器的发展可应用的范围越来越广，可加工的精细程度也越来越高。 d p s s l 是随着半导体激光器的发展而逐步发展起来的4 2 1 。1 9 6 8 年， 麦道宇航公司的r o s s 实现了第一台用g a a s 半导体激光( 8 6 7 n m ) 泵浦的 n d ：y a g 激光器。此后全固态激光器发展迅速，并达到实用水平。如今阿 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究 第一章引言 莫克激光、相干、光波电子学公司、迈克勒柯公司、光谱物理激光二极 管系统公司等几十家公司都已推出了各种型号连续和脉冲d p s s l 。 d p s s l 有许多明显的优点【4 2 】：首先d p s s l 的效率高，其电光转换效率可 以达到1 5 ；第二，d p s s l 的频率稳定性较高；第三，d p s s l 可以得到 高峰值功率的调q 脉冲输出；第四个优点是d p s s l 输出光束的质量较好。 除此之外，d p s s l 性能可靠、寿命长，连续工作寿命可达1 0 4 1 0 5 小时， 全固化器件减少了维护费用和成本，提高了生产效率，是至今为止唯一 不需要维护的激光器：外形尺寸小、重量轻、供能简便，可以获得多种 波长的激光输出。d p s s l 的这些优势使其适合于实际生产应用，如今 d p s s l 己成为固体激光器应用领域的主流和研究的热点。 脉冲激光器产生后，激光脉冲宽度经历了从纳秒向飞秒甚至亚飞秒 的发展【3 0 、3 6 、3 8 、4 0 】。近年来随着准分子短波长激光器和飞秒激光器的发展， 有很多制作微结构的实验研究弘3 7 、4 1 、4 3 舶1 使用的是飞秒激光。下面介 绍一些飞秒激光直写制作微光栅结构的实验。 1 2 2 飞秒激光制作微光栅结构的实验 激光诞生时的振荡脉冲宽度是微秒级，峰值功率也只有几十千瓦。 飞秒是一个时间单位，l 飞秒即1 0 。1 5 秒。飞秒激光脉冲在1 9 8 1 年首次获 得。用飞秒激光制作光栅的一个优势是在于其与介质材料作用时，加热 和冷却的速率可高达10 1 8 k s ，因此热效应很小，具有很好的热稳定性。 近年来，飞秒激光的应用受到人们的广泛关注 4 3 4 8 】。 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一牵引言 2 0 0 4 年，梁建国、倪晓昌等人使用飞秒激光在透明有机材料p m m a 表面进行了刻划微光栅结构的研究【3 9 1 。其实验系统装置如图1 1 f 3 9 1 所示： 盛援 z n 图1 1 刻划p m m a 表面光栅的实验系统 实验中，所用飞秒激光脉冲的波长为8 0 0 n m ，脉宽为3 7 f s ，重复频率为 8 3 m h z ，光束束腰1 5 m m ；图1 1 中物镜的焦距为7 m m ，数值孔径是0 。8 ； 将材料放置在三维移动平台上，由步进式电机驱动三轴运动，通过调整 单脉冲能量来改变刻划线宽。实验中h e - n e 激光器是探测光源，用以确定 飞秒激光聚焦的位置。实验制得了周期5 1 a m 、5 5 p m 的维微光栅结构。 2 0 0 7 年王海旭、许丽等人进行了在未掺杂的单晶硅表面刻蚀微光栅 结构的研究【4 8 1 。所用的飞秒激光波长为8 0 0 n m 、脉宽1 2 0 f s 、能量密度 o 1 j c m 2 n 0 5 j c m 2 ，以每秒1 0 0 0 个脉冲照射样品，通过飞秒激光散焦扩束 的方法控制照射到硅片上激光能量，照射到样品表面的能量密度调控到 熔融硅材料的阈值附近( o 2 j c m 2 ) ，飞秒激光脉冲与其激发出的电子。空 穴对等离子体波相干后产生在熔融阈值上下波动的能量密度，从而形成 硅样品表面的浮雕光栅条纹状的微结构。 利用飞秒激光制作微光栅结构的实验主要通过显微物镜将飞秒激光 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一章引言 直接聚焦到介质材料内部或者表面，材料吸收激光脉冲能量发生烧蚀， 通过平台移动对介质材料进行不同方向、不同层次的扫描产生周期结构。 由以上的实验也可以看出飞秒激光制作微光栅结构目前还存在一些不利 于实际产业应用的因素： ( 1 ) 飞秒激光刻蚀环境要求高，往往要求真空实验环境，或加入辅助气体 装置。 ( 2 ) 单光束飞秒激光刻蚀，光斑大小仍有一定的限制，要刻蚀光栅周期更 小的微结构势必要通过其它一些方法改变激光能量与材料发生作用的 区域，这提高实验难度，增加了成本投入。 ( 3 ) 在实验过程中要完成不同表面形貌的加工，脉冲激光能量的调节难度 高，降低了可操作性，限制了实际应用。 1 2 3 电子束制作微光栅结构的研究 电子束直写是在扫描电镜技术的基础上发展起来的。电子束直写制 作精度可以达到比激光直写更高的要求，常用于高精密度掩膜及x 射线掩 膜制造、新器件、新结构的研究与加工等。最新技术的发展已把微电子 超微细加工水平推进到了纳米级。近年来利用电子束制作微光栅结构的 研究和应用取得了长足的发展3 、3 3 。5 1 。 2 0 0 2 年，上海交通大学微纳米科学技术研究院与日本东北大学机械 电子系合作进行了在硅片上制作亚微米级微光栅结构的研究【3 3 1 。实验首 先在2 0 0 9 i n 厚的双面抛光硅基板上涂覆电子束用光刻胶，由电子束扫描装 硅表面礅 栅镕构的纳秒撇光千涉刻蚀研究第一章引言 置进行电子曝光，写上所需的微结构图形作为掩模。完成后将基板显影、 烘烤。然后放入快速原子束工作系统，使用反应气体s f 一进行刻蚀，刻蚀 时间1 7 m i n 。最后需将电子束刻蚀用正胶用浓硫酸和双氧水去除即得所需 光栅。得到一维光栅的结构及s e m 图片如图1 2 吲所示： 。零瑟荔雩i = “ | 。蔓j 爱。二： 图1 2 实验结果的s e m 图片 实验还制备了周期为2 0 0n l n ，深为3 0 0r i m 的二维正交光栅。刻蚀面积为 1 2 n u n 2 的硅基片所用总曝光时间约1 0 j 、时；制作面积分别是05 m m 2 和 0 2 m m 2 ，周期分别为5 0 0 n m 、2 0 0 n m - - 维光栅，曝光时间约4 小时。该研 究测量了表面微光栅结构对反射率的影响，发现微加工后反射率有所降 低。 2 0 0 8 年，中国科学技术院微电子研究所采用电子束光刻和x 射线光刻 相结合的技术研制成功t 5 0 0 0 线毫米x 射线透射光栅。该研究1 利用电 子束光刻具有高分辨率光刻和可以直写任意图形的能力，再结合了x 射线 光刻的高效率和高穿透力的优势，实现了大高宽t ：l x 射线透射光栅的制 作。制作流程是：先采用电子束光刻技术和微电镀技术制作高分辨率x 射 线光刻掩模，然后再通过软x 射线光刻技术实现高效率的x 射线透射光栅 孵一 冀臻濑一 鬻一 硅表面微光船结构的纳秒撤光干涉刻蚀研究 g 一章引言 复制。制各的5 0 0 0 线毫米光栅如图l 一3 1 3 5 1 所示 图1 - 35 0 0 0 线毫米光栅 图1 - 3 中浅色矩形为光栅图形区，整个光栅区域长1 0 m m 。实验中需要严 格的控制环境条件，必须要克服电子束光刻中场拼接和邻近效应的影响。 最后要再经过等离子刻蚀去残胶、微电镀、去胶等工艺然后得到透射光 栅。 应用电子束制作的微光栅结构的周期可以达到纳米级，且空间立体 形状较好，但是制作工艺复杂，制作周期较长，且成本很高。目前电子 束或者飞秒激光制作微光栅结构主要还是以实验室研究为主。 1 3 本文主要内窖与成果 飞秒激光直写和电子束直写制作微光栅结构由于其工艺的难度，对 环境的严格要求，在实际使用中还有很大的限制。本文结合d p s s l 本身 的特点和优势用多光束干涉直写法进行微光栅结构的刻蚀，与日前很多 微光栅结构加工的方法相比有更为广泛的工业应用前景。 本文主要研究内容有： 第一章，概述制作微光栅结构的几种方法。简单介绍，激光技术的 发展和d p s s l ，对使用飞秒激光和电子束制作微光栅结构的实验研究进 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一章 引言 行了回顾，并对本文的主要内容和安排作了说明。 第二章，简述了研究微光栅结构的微光学理论和矢量衍射理论的分 析方法。给出了严格耦合波法( r c w a ) 计算一维矩形微光栅和二维正交矩 柱微光栅结构各级衍射效率的推导方法和相关公式。介绍了基于r c w a 的软件工具d i f f r a c t m o d 。 第三章，以d p s s l 为激光光源，搭建了多光束干涉刻蚀系统，介绍 了系统组件和计算机控制软件；描述了实验材料，实验步骤；说明了实 验制作微光栅结构的方法。 第四章，使用r s o f t 软件中的d i 衢a c t m o d 工具进行了微光栅结构的模 拟和反射衍射效率的计算。采用双光束干涉直写的方法，在硅片表面进 行了刻蚀一维微光栅结构的研究，通过实验，研究了实验参数对刻蚀结 果的影响，测量了不同脉冲个数刻蚀样品的表面反射率。进行了四光束 干涉刻蚀二维正交微光栅结构的实验，观察比对了不同实验参数得到的 样品。最后对影响实验的因素进行了分析与讨论。 第五章，对本论文的工作进行了总结，并对进一步研究方向和应用 前景作了展望。 本文工作的主要成果在于使用d p s s l 作为光源，搭建了多光束纳秒 紫外激光刻蚀系统，直接在单晶硅片表面干涉刻蚀微光栅结构。实验制 得了周期0 5 5 一维光栅和周期1 2 5 9 m 的二维正交光栅微结构，其中一 维微光栅结构达到了减少硅表面光反射的效果。这种方法制作微光栅结 构无需掩模，工艺简洁，制作灵活性好，运行效率和刻蚀微结构精细程 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第一章引言 度较高，改变了硅片表面形貌优化了硅材料的光电特性；同时该研究也 拓展了大功率激光刻蚀在微结构加工领域的应用，有进一步研究的价值。 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 第二章分析微光栅结构的理论基础 2 1 微光学理论概述 微光学是2 0 世纪9 0 年代的产物，代表了光学领域的科学前沿。在近5 年左右的时间里，微光学发展迅速，成就主要在四个方面3 】：( 1 ) 将微光 学器件、光电器件、m e m s 器件集成在一个层叠或平面系统上，构成硅 基芯片的信息系统；( 2 ) 微光学波长范围拓宽，从红外应用发展到可见光 甚至深紫外应用，从而发展了多层衍射光学系统；( 3 ) 发展了新的微光学 加工技术，研究新型激光直写光刻系统，探索深亚微米的掩膜技术；( 4 ) 亚波长光学元件的开发应用。微光学是研究尺寸在微米级的光学功能器 件、光学表面微结构及其阵列的光学特性与设计方法的学科。当器件结 构微细到入射波长范围时，光进入共振区( 衍射区) ，建立在单元尺度远大 于光波长的常规光学理论与设计方法已经不适用于微结构的制作或计算 【1 5 、4 9 5 2 1 ，必须采用光共振区的矢量理论进行设计；当微结构周期小于波 长的十分之一时，光共振消失，不产生衍射，表面微结构可等同于一种 介质，这时应当用等效介质理论。本文中研究制作的光栅周期在微米量 级，采用矢量衍射理论进行分析。 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 2 2 微光栅结构衍射特性的分析 2 2 1 矢量衍射理论的分析方法 当光栅周期逐渐减d , n 波长或者亚波长量级，须采用矢量衍射理论 求解带有边界条件的麦克斯韦方程组，由于衍射问题十分复杂，无法得 到完备的解析值，通常采用数值方法进行分析与求解1 5 “9 啦l 。这些分析 方法可分为两类：积分法和微分法。积分法主要包括有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 和边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 。微分 法中主要有严格耦合波法( r i g o r o u sc o u p l e dw a v ea n a l y s i s ，r c w a ) 、模态 法( m o d a la p p r o a c h ，m a ) 和时域有限差分算法( f i n i t e d i f f e r e n c e t i m e d o m a i nm e t h o d ，f d t d ) 等。边界元法采用波动方程的积分形式表述 衍射光学元件表面而非全部求解空间上的采样点的场及其法向导数，从 而可以推导出空间任意的衍射场分布，适合分析各种有限孔径非周期结 构或无限孔径周期结构的衍射光学元件。应用边界元法需要非常复杂的 数值计算，计算量非常大，不便于应用。模态法是将电磁场在位相调制 区按照特征模式展开，给出各电磁场模式系数，适于分析多台阶型结构 光栅以及其它结构光栅，但以模态的方法表述电磁场，不能直观的体现 衍射效率，因此分析不同衍射级次还需要额外的计算。时域有限差分法 适于分析有限孔径非周期结构衍射光学元件，计算十分复杂。严格耦合 波法最早产生于2 0 世纪8 0 年代【5 1 1 。这种分析方法假设衍射光学元件为 无限周期结构，将电磁场在位相调制区域按衍射级次展开成一系列己知 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 特征函数的平面波分量，每个分量的振幅是周期结构参数的函数。通过 求解位相调制区域的耦合波方程组可确定各个衍射级次的振幅，可以有 效地分析全息光栅和表面浮雕光栅结构。r c w a 方法的精度主要取决于 傅里叶级数展开所保留的阶数，并且始终满足能量守恒定律。相对于其 他一些方法而言，严格耦合波法通过更为直接的方法得到衍射问题的严 格麦克斯韦方程解，而且涉及的数学理论较为简单，给出的是可观察的 各衍射级次的系数，是解析理论的标准形式。 2 2 2r c w a 对微光栅结构衍射特性的分析 在r c w a 中，光栅介质的场分布函数展开为周期结构中的场的空间 谐波分量的多项式。光栅中的空间谐波被位相匹配到光栅外部的各个衍 射级次上。单独的一个空间谐波场并不能满足矢量波方程，但是所有空 间谐波的总和能满足波动方程。r c w a 不需要迭代过程，在保证数值稳 定性的前提下适用能够得到收敛的稳定解3 1 。 r c w a 分析衍射光学元件的推导由三个部分组成【3 、1 5 、4 9 、5 1 j ： ( 1 ) 由麦克斯韦方程求得入射区域及透射区域电磁场的表达式，可由 r a y l e i g h 展开式直接给出。 ( 2 ) 将光栅区域内的介电常数及电磁场用傅里叶级数展开，并由麦克斯 韦方程推导耦合波方程组。 ( 3 ) 在不同区域边界面上运用电磁场边界条件，通过一定数学方法求得 各级衍射波的振幅和衍射效率。 公式的推导主要是基于麦克斯韦方程组。对于角频率为的时谐电 磁场，其指数形式的电场矢量与磁场矢量分别表示为3 】： 1 气 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 以cf ) = e ( r ) e x p ( j o t ) 以，力= h ( r ) e x p ( j o t )( 2 1 ) 则相应的麦克斯韦方程可以表示为： 订v x e = - j w l u 。h (22)he v = 一歹掣o 、7 将式( 2 一1 ) 表不的电场矢量与磁场矢量授亘角坐标分量代入式( 2 2 ) 得： 一掣。h x ：i o e 一2 一_ a e - y 一舭h ，= 警一鲁 一掣。h ：_ o e y 一孕 j c o e o 施工：婴一孚( 2 - 3 ) j o e 。逝，= 孕一孕 j c o o 。0 逝：= 譬一譬 使用r c w a 可以计算一维线型光栅和二维正交光栅微结构的衍射效 率【3 】o 单屡一维矩形光栅结构如图2 】所示： 图2 1 一维单层矩形光栅示意图 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 设光栅区域由入射介质和光栅介质两种均匀介质构成。光栅在y 方向 上均匀分布；在x 方向上周期分布，周期设为人，光栅介质占整个周期的 比例称为占空比，占空比在z 方向上把光栅分成三个水平层分别是入射介 质层( z o ) ，光栅层( o _ - 办) 。 设入射介质层和光栅介质层相对于光栅层认为是无穷厚，入射介质层和 光栅介质层的介电常数分别为l 与3 。光栅层的介电常数具有周期性， 设为2 g ) = 2x + a ) 。将入射光波按照平面波分量展开成空间谐波的形 式，每个平面波分量的振幅是光栅沟槽深度h 的函数。将电磁场用傅里叶 级数展开后代入麦克斯韦方程组，然后求解耦合波方程。列出电场分量 与磁场分量在z - ：o 和z = 而处的边界条件表达式，并将其转化为矩阵形式， 经过一系列运算，可以得到反射衍射系数尺和透射衍射系数凡当入射 光以t e 模入射时，各级衍射效率写成： t m 模入射时的情况，各级衍射效率分别是： 讯一r e ( 确- q c 面 ) 饥= i r 1 2r e l k 霹2 ：m ( 南 ( 2 5 ) 二维正交微光栅结构的分析更复杂一些。二维正交矩柱微光栅结构在一 个周期内的俯视图如图2 - 2 所示： 捌 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 砖j 图2 2 单周期内的二维正交光栅不意图 一个波矢为尼( 口，) 、偏振角为秒的平面波入射到如图2 2 所示的二维 矩形柱状光栅表面，其中口是波矢与z 轴的夹角；是入射光平面与工o z 平 面的夹角，记作方位角；偏振角0 是电场矢量和入射光平面的夹角。光 栅x 方向和y 方向上的周期分别为t x 与t v ，高度为d ，光栅区域的介电常 数s = d x + r 。，y + 瓦) 。同样经过一系列展开运算再结合电磁场边界连续的条 件，即可求得衍射波的复振幅尺。和乙。的值，确定反射区和透射区各级次 光波的衍射效率【3 】： 可根据能量守恒定律验证严格耦合波分析的结果是否正确：无损耗介质 光栅的透射与反射衍射效率之和应该等于l 。 2 3 基于r c w a 的软件工具 利用严格耦合波分析法，通过人工运算来求解还是非常复杂的，且需 要很长时间。随着计算机的应用与发展，科研辅助软件工具也不断推出， 对于研究工作中的理论设计，结果模拟等方面有巨大的推动作用，节省 ，k一kk r 艮 m 一 疋 瓦 叩 穆 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第二章分析微光栅结构的理论基础 了人力，提高了创新的效率。光通信软件提供商r s o f t 设计公司推出了一 款d i f f r a c t m o d 设计工具，它是一款针对诸如衍射光学元件、亚波长周 期性结构、光子带隙晶体等衍射光学结构的设计、模拟工具。该工具采 用了最有效的方法来进行周期性结构的电磁场模拟。d i f f r a c t m o d 主要基 于严格耦合波法，并结合了包括m a x w e l l 方程的快速收敛算法，快速傅 里叶变换等许多先进的算法，在各种窄带滤波器，w d m 器件，偏振敏感 器件，光互联器件，微透镜阵列的产品设计中都有很好的应用。它是目 前市场上的款主流软件，在半导体工业和光波导等领域起着很大的作 用。 根据r c w a 对光栅微结构衍射特性的分析，利用r s o f t 软件的 d i f f r a c t m o d 工具作为辅助，可以建立各种结构的微光栅结构模型，计算 其对不同波长入射光的衍射效率及其随光栅槽形深度、周期等结构参数 的变化情况，研究微光栅结构对材料表面光学特性的影响。 硅表面微栅镕构的纳秒激光干涉刻蚀研究第三章干涉恤系统与实验方法 第三章干涉刻蚀系统与实验方法 3 1 系统组件与光路结构 激光干涉直写制作硅表面微光栅结构是通过激光与硅片表面的相对 移动米实现的。实验刻蚀系统采用的是激光光源固定，硅片随载物工作 台运动，逐点刻蚀的工作方式。实验所搭建的激光干涉刻蚀系统的示意 图和实物分别如图3 - 1 和图3 - 2 所示： 图3 一l 刻蚀系统示意图 图3 - 2 干涉刻蚀系统实物图 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究 第三章干涉刻蚀系统与实验方法 示意图3 1 中，“n sd p s s l 是纳秒全固态半导体泵浦激光器； “兀s h a p e r 为光束波形整形系统；“a p e r t u r e ”是孔径光阑，置于透镜 l 1 的前焦面，孔径的大小和位置可以调整；“l 1 、l 2 是两个f o u r i e r 变 换透镜，组成了双远心缩微投影透镜组 2 6 - 2 7 1 ；“m 。”是耐高功率全反射 镜，其工作面镀有可耐高功率密度的高反射膜，经过m ，和透镜l 。、l 2 ， 光束口径被缩小2 6 1 ，缩小倍率为4 ；“b e a ms p l i t t e r 是分束元件；透镜 组“l 3 和l 4 ”实现将光束会聚到硅片表面，并消除会聚时产生的球差和 慧差2 6 1 ，l 3 的焦距与l 4 相等；“s t a g e 为x y 二维运动载物工作平台； “c o m p u t e r ”和“c o n t r o l l e r ”构成了控制系统【2 6 1 ，计算机部分用于采集 图像信号，形成加工轨迹的图形文本并下载至电控系统，并可与电控制 箱双向通讯，对x y 平台的运动控制由电控制箱完成。其中激光光源、 兀一s h a p e r 和衍射分束元件的使用是实验系统的关键所在，分别详细介绍。 1 激光光源 实验中使用的激光光源是美国y u c oo p t i c s 公司的全固态半导体泵 浦激光器( d p s s l ) ，通过调节一i 极管激光器的泵浦电流来改变激光器单脉 冲输出能量。激光器的主要工作参数如下：输出波长3 5 1 n m ，为紫外光； 脉冲宽度2 0 n s ；重复频率l k h z ；单脉冲输出能量范围0 - 2 m j ；激光模式 t e m o o ，m 2 1 1 ；输出波形为高斯型；光束发散角1 3 m r a d ；光束直径 0 8 m m 。 2 7 c s h a p e r 组件 在光路中添加7 c s h a p e r 组件实验干涉刻蚀系统的一个特殊之处，它的 硅表m 儆光栅结构的纳秒融* 干涉刻蚀研咒第= 章f 涉4 蚀系统_ 宴验方法 使用对实验有着重要的意义。激光光束光强在空间呈高斯分布或类高斯 分布，聚焦光斑的能量分布不均匀，使得光斑内的光强分布存在很大的 梯度，这样聚焦到物质上的激光强度就是位置和时间的函数拍】。光斑中 心区域的光强极高，超过了多光子吸收阀值；而其它部分的光强相对较 低，低于多光子吸收阀值。在光栅微结构的刻蚀中，沟槽深度的均匀程 度直接影响光栅占空比，直写光束能量分布不均不能得到预期的结果。 此外高斯型光束对调焦精度的要求高，实验操作难度也较高。为了优化 实验得到较好的槽形结构，需要光强的径向分布尽可能均匀，把光强呈 高斯分布的激光束转为矩形分布。传统的方法是利用组合透镜、空间滤 波来实现波形转化的。但这样将使得实验系统光路比较复杂。 一s h a p e r 是一个消色差望远镜折射光束整形系统，可以将输入的高斯 激光光束转换为二维光强均匀分布的光束。实验中使用的是一s h a p e r56 系列的v i s 型，实物及入射波形和出射波形如图3 3 所示： r 铺帮斧_ - 。_ i l二：j i 图3 3 光束整形示意图 一s h a p e r 只适用于某一特定的波长范围。一s h a p e r5 - 6 _ v i s 适用的波 长范围是3 4 0 5 6 0 n m ，要求输入激光光束模式为t e m 。，是适用于本实 验的激光光源的。整形系统体积小，质量轻( 。2 5 0 9 ) ，可直接放置于激光 硅自微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第! 章干涉刻蚀系统q 实验方往 器出光端，能够将高斯分布的光束几乎1 0 0 地整形为平台分布f 平整度 优于2 0 ) 且透过率大于9 5 ，激光能量几乎不损失。 为了确定实验光路中添加一s h a p e r 的必要性，在系统中撤去“一s h a p e r 和分束元件，将矩形孔径光阑换成圆孔光阑，使用单束纳秒激光在p c 甲 板上刻蚀一个具有一定深度圆形凹坑，在金相硅微镜下观察，结果如图 3 - 4 所示： 图 在光路中放回一s h a p e r 验结果的显微图片，如 图3 - 5 使用一s h a p e r 后刻蚀效果 对比图3 - 4 和图3 - 5 可以明显地看出同样的激光光束在同样的材料表面使 用一s h a p e r 前后刻蚀效果的区别。图3 - 4 显示的结果，凹坑不是规则的 圆形，内部结构混乱，材料的烧蚀去除程度并不均匀；图3 - 5 中观察到的 凹坑是较规则的圆形，深度下降均匀。通过上述实验比较说明系统中添 2 1 孑 硅表面微光栅结构的纳秒激光干涉刻蚀研究第三章干涉刻蚀系统与实验方法 加7 1 ；一s h a p e r 进行光束整形是十分必要的。它在保证刻蚀系统简洁的同时 使得光束光强均匀分布，提高了激光能量的利用率，能改善微光栅结构 的加工质量。 3 位相光栅分束元件 通过衍射型分束元件将激光光束分束来进行多光束干涉刻蚀是本实 验的一个特点。b e a ms p l i t t e r 是放置在透镜l 3 前焦面上的，是一个衍射 型分束元件，其中放置了不同空间频率的位相型体全息光栅或者光栅组 【2 4 、2 6 】，位相光栅的特点是通过的光强不变，只改变或调制位相，激光能 量损失较少，各级衍射光的强度受到s i n c z 函数的调制5 3 1 。分束所用的光 栅是苏大维格光电科技有限公司自行研发制作的消零级位相型全息光 栅，这种光栅衍射效率高且杂散光少