（光学专业论文）应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究.pdf

摘爱 摘要 在m e m s 技术中，准分子激光微细加工技术是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( b o e ) 对激光波面的整形作用。使 用m a t l a b 编写了基于盖师贝格一撤克斯通( g e r c h b e r g s a x t o n ) 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3 3 m m x 3 3 m m ，阵列数目为8 0 x 8 0 个，台阶数为8 ， 主焦距为1 6 0 m m ，单元孔径之为0 4 1 2 5 m m 。因为k r f 准分子激光处于紫外波 段，所以选择石英材料( j g s l ) 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l e d i t 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问为 1 3 s ，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1 3 s ，显影时间6 0 s ，定影时间3 0 s ，使用气 体为c h f 3 ：1 8 0 s c c m ，s f 6 ：6 0 s c c m ；三次刻蚀的时间分别为t l = 9 m i n ，t z = 4 5 m i n ， t 3 = 2 2 5 r a i n ；刻蚀速率为v = 5 0 n m m i n 。 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7 7 ，完成的二元光学菲涅尔均束器的 能量透过率约为8 5 ，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。 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 a b s t r a c t a bs t r a c t i nm e m st e c h n o l o g y ，e x c i m e rl a s e rm i c r o p r o c e s s i n gi sap o t e n t i a lf o rt h e d e v e l o p m e n to fm i c r o m a c h i n i n g t o o l s i nt h em a s k i n gp h o t o l i t h o g r a p h y ，t h e r e s o l u t i o ni st h ek e yf a c t o ri ns y s t e m sp e r f o r m a n c e ，a n dc o n t i n u o u s l yi m p r o v e m e n t o fp h o t o l i t h o g r a p h yr e s o l u t i o nh a sb e e nm a d ee f f o r t st os o l v et h ep r o b l e m s i nt h e m a s k i n gp h o t o l i t h o g r a p h ys y s t e m ，t h eu n i f o r m i t yo ft h ed i s t r i b u t i o no fl i g h ti sv e r y i m p o r t a n t b a s e do nt h ec u r r e n tm e t h o d su s e di ne x c i m e rl a s e r ，w ep u tu pt h ei d e at h a t u s i n gt h eb i n a r yo p t i c a lt h e o r yt od e s i g nab o e f o rs h a p i n gt h ew a v eo fe x c i m e rl a s e r b ye m p l o y i n gt h em i c r o e l e c t r o n i cp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，i nv i e wo ft h el a b o r a t o r y s a c t u a lu s e i nt h i sp a p e r ，w et e s t i f i e dt h ef u n c t i o no fb o ef o rs h a p i n gt h ew a v e ，a n du s i n g m a t l a b s o f t w a r et oc o m p i l et h eg e r c h b e r g s a x t o na l g o r i t h m w h i c hc o n f i r m e d t h ef u n c t i o no ft h ep u r e p h a s ec o m p o n e n t sf o rw a v es h a p i n g f u r t h e r m o r e ，w ed e s i g n e dt h eb e a ms p l i t t e ri na c c o r d a n c ew i t ht h eb i n a r yo p t i c a l t h e o r i e s t h eb a s i cu n i ti st h ef r e s n e lz o n ep l a t e a n dt h es t r u c t u r ei st h es i n g l e - l a y e r c o m p o u n de y e s b a s e do nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，w ed e t e r m i n e dt h ep a r a m e t e r sa s f o l l o w s ：t h ee f f e c t i v es i z eo fb o ei s3 3m m x 3 3 m m ，t h en u m b e ro fa r r a y si s8 0 x 8 0 ， t h es t e pn u m b e ri s8 ，t h em a i nf o c a ll e n g t hi s16 01 1 1 1 1 1 ，t h ec e l la p e r t u r ei s0 412 5m m t h eq u a r t z ( j g s1 ) w a ss e l e c t e da st h em a t e r i a l ，b e c a u s et h ew a v el e n g t ho f 心f e x c i m e rl a s e ri si nt h eu l t r a v i o l e tb a n d i nt h ep r o c e s so fb o e sf a b r i c a t i o n ，w ec a l c u l a t e dt h ev a l u e so fv a r i o u sr a d i u s e s ， f i r s t l y i nt h el i g h to fc a l c u l a t e dd a t a ，w eu s e dt h es o f t w a r el e d i t t od r a wt h et h r e e m a s k s ，a n da d dt h ec o r r e s p o n d i n ga l i g n m e n tm a r k e r s i m m e d i a t e l y ，t h eo p t i m a l e x p o s u r et i m et o w a r dj g s 1i sd e t e r m i n e da s13sa f t e rm a n ye x p e r i m e n t s ，i nt h e m e a n t i m e ，t h ep a r a m e t e r so ft h ep l a s m ae t c h i n ga r ec o n f i r m e d a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so fs t r u c t u r a lc o m p o n e n t s ，w eo b t a i n e dt h ev a l u eo fe t c h i n gd e p t ha n d f u r t h e rd e t e r m i n e dt h ee t c h i n gt i m ef o re a c hm a s k f i n a le x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ：t h ee x p o s u r et i m ei s13 s ，t h ed e v e l o p m e n tt i m ei s 6 0 s ，f i x i n gt i m ei s3 0 s ，t h eg a s e su s e da r ec h f 3 ：18 0 s e e m ，s f 6 ：6 0 s e e m ；t h r e ee t c h i n g t i m e sa r et l = 9 m i n ，t 2 = 4 5 m i n ，t 3 = 2 2 5 m i n ，r e s p e c t i v e l y ；e t c h i n gr a t ei sv = 5 0 n m m i n w ee m p l o y e dt h em i c r o s c o p e sa n d3 dc o n t o u r g r a p ht oo b s e r v et h ep a t t e r n so f f i n i s h e dc o m p o n e n t s i no r d e rt ou n d e r s t a n di t sp e r f o r m a n c eb e t t e r ，w em e a s u r e dt h e 1 1 1 e n e r g yt r a n s m i s s i v i t y ，a n dm a k ei th a v ea c o m p a r i s o nw i t ht h ee x i s t i n gq u a r t zr o d a r r a y s lh ee n e r g yt r a n s m i s s i v i t yo fo r i g i n a lq u a r t zr o da r r a y si sa b o u t7 7 a i l dt h a t o ft h eb i n a r yo p t i c a lf r e s n e ll e n si sa b o u t8 5 ，w i t ha s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e t h e u n i f o r m i t i e so fb o ei nxa n dyd i r e c t i o n sw e r e m e a s u r e dr e s p e c t i v e l v i nt h eu s eo f m a s k i n gp h o t o l i t h o g r a p h y ，w ec a nc l e a r l ys e et h a tt h ee l e m e n tp l a ya r o l ei nm a k i n g t h eu n i f o r m i t yo fe x c i m e rl a s e r se n e r g y ，a n dh a v ed o n es o m e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：e n e r g yu n i f o r m i t y ，b i n a r yo p t i ce l e m e n t ( b o e ) ，f r e s n e lz o n ep l a t e ， p l a s m ae t c h i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：刘硒日期：圳赳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 宝王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 咧”臌各棚r 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 微细加工技术 随着微纳米科学与技术( m i c r o n a n os c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 的发展，以 形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改 造客观世界的一种高新技术。微机械并非指普通机械的小型化、微型化，而是微 米量级的设计和制造。微机械和普通机械有了很大的不同，尺度效应是m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统) 中许多物理现象不同于宏观现 象的一个非常重要的原因，其主要特征是【l j ： ( 1 ) 微构件材料的物理特性的变化； ( 2 ) 在传统理论中常常被忽略了的表面力将起主导作用； ( 3 ) 某些微观尺度短程力所具有的长程作用效应及其所引起的表面效应将 在微构件尺度起重要作用； ( 4 ) 微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械 尺度的制约。 此外，随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，因而热传导、化学反 应等的速度将加快。 微机械对加工系统有其特殊的要求1 3 4 j ： ( 1 ) 分辨率要求，由于微机械的尺寸在毫米或者微米量级，加工精度则需 要达到微米或者亚微米量级，因此加工系统要有较高的分辨率； ( 2 ) 智能化要求，要求整个d n i 系统有较高自动化程度，由于微米亚微米 量级的结构人眼无法直接观察，因此需要一套自动化的观察及定位系统； ( 3 ) 稳定型要求，一个微小的震动都会对加工系统有很大影响，因此需要 稳定的工作环境； ( 4 ) 工业化要求，单个微结构的加工费用较高，因此加工方法要能够实现 批量生产，降低成本，满足工业化生产的要求。 微细加工的方法很多，从最终的加工结果来看，可以分为三类1 5 一j ： ( 1 ) 分离( 切削) 加工将材料的某一部分分离出来，例如各利- 曝光， 抛光、刻蚀、离子溅射等方法； ( 2 ) 结合( 附加) 加工一种材料与另一种材料( 或同种) 的附加加工 或相互结合加工，例如薄膜沉积、氧化、外延、离子注入等； ( 3 ) 变形( 流动) 加工材料形状发生变化的加工，如热迁移、高频电 流的热流动加工、电磁成型等方法。 在这些方法中，应用最广泛，最具代表性的是l i g a q - 艺、特种加工工艺、 北京下业人学理学硕l j 学位论文 键合工艺、硅微细加工技术、光刻技术等。 1 2 准分子激光微细加工技术 1 。2 。1 准分子激光 准分子是由化学活性最稳定的惰性元素a r 、k r 、x e 和化学性质最活泼的元 素f 、c i 、b r 的两个同核或异核原予在激发态的复合物。与通常的分子不同，准 分子是束缚在电子激发态下的分子，它没有稳定的基态，即准分子是一种只在激 发态才能暂时存在的不稳定分子，在基态情况下它会迅速离解成其它分子团，因 此准分子的寿命很短，它的上能级寿命只有1 0 一s ，而激光跃迁的下能级为弱束缚 态，寿命也很短，一般在1 0 - 1 3 s 量级，由予准分子在基态时，迅速离鳃成独立的 原子，基态基本上是抽空的，豳此只要有准分子存在，就会形成极高的粒子数反 转，所以准分子激光器的增益很高。由于准分子激光放电泵浦方式极容易导致孤 光放电，所以准分子激光工佟方式主要为脉冲方式f 7 翻。 除了少数准分子激光器钋，准分子激光都位于紫外波段。虽然它的光束质量 不好，并且平均功率也不是太高，但是准分子激光的波长极短，聚焦光斑直径能 达到微米量级。由于准分子激光光子能量高，聚焦光斑小，因此聚焦后光斑的功 率密度可达l o 嚣1 0 撙w c m 2 。并且哟予准分子激光光子能量较大，和许多材料尤 其是无枫物的化学键能相比，它的光子能量要大于材料之问的化学键能，所以在 准分子激光和材料相互作用时，准分子激光有时甚至能够直接打断材料的部分化 学键而实现冷加工，在微加工领域得到了广泛的应用汐_ 嘲。 1 。2 。2 准分子激光微细加工的特点 准分子激光微加工有单光子能量高、峰值功率高、材料吸收率高、分辨率高 等优点。 ( 1 ) 单光子畿量高 由光子能量公式( 如式1 1 所示) 可以得出短波长的紫钋激光具有更高的光 子能量。k r f 准分子激光对应的波长为2 4 8 n m ，光予能量可达5 1 e v 。因为微细加 工的精度要求高，而在) 目h - r 过程中若热作用比较大，则加工面上的质量会变差， 所以在加工的过程中应尽可能减少热效威。5 。l e v 已经大于许多材料的化学键能， 所以在准分子激光和材料相互作用时，它能够直接和材料的化学键进行作用，直 接打断材料的部分化学键，加工方式偏向于冷加工，这对于提高微加工的精度 是十分有利的川。 菊1 章绪论 e ：枷：三( 1 1 ) 旯 式中e 一光子能量；h 普朗克常数；r 光频率；r 光速；入一光波长。 ( 2 ) 峰值功率高 准分子激光单脉冲能量一般在几个电子伏以内，但是准分子激光器一般工作 在脉冲方式下，它的脉宽一般只有几十个纳秒，远远小于一般的激光器，短的激 光脉宽可以大大提高激光的功率密度。虽然现在的准分子激光器的平均运行功率 都不高，但由于它较短的脉宽和较高的聚焦效率，所以它的功率密度可以达到 1 0 8 1 0 1 0 w c m 2 ，也提高了准分子激光的加工效率和质量。 ( 3 ) 吸收率高 根据光与物质相互作用的特点，光的吸收系数随着光波长的减小而逐渐增 加，例如大部分材料对2 4 8 n m 光源的吸收率都比较高。较高的吸收系数可以将光 能更高效地转化为材料的内能从而更有助于材料的刻蚀| 一j 时减少吸收光能而在 材料中导致的热吸收，提高微加工的效率。 ( 4 ) 分辨率高 光学系统所能达到的最高分辨率由式1 2 给出。大的数值孔径可以增加光学 系统的最高分辨率，但数值孔径的增大有一定的限制，且随着数值孔径的增大， 系统的焦深急剧下降。提高光学系统的分辨率的另一种方法就是减小成像光束的 波长。由于准分子激光的波长位于紫外波段，所以对于相同的光学系统来说，它 所能成像的最高分辨率要远高于可见光束及红外光束。紫外光学设计的发展使得 微加工产品的精度都需控制在微米或者亚微米之内，因此准分子激光成为了微加 工的一个有力工具。 j w m i n2 赢( 1 - 2 ) 式中w m i n 一光学系统所能达到的最高分辨率；入一光波长；m 一数值孔径 1 2 3 准分子激光微细加工的方法 准分子激光微加工的方式有激光投影光刻和激光直写光刻两种。 ( 1 ) 激光投影光刻 激光投影光刻的步骤是，将激光光束经均束系统的均匀化后，照射在掩模板 上，掩模图案通过光刻投影镜头成像在装有加工零件的加工平台上，通过光子直 接打断分子键消溶被加工材料，将掩模图案转移至被加工材料表面及纵深方向， 从而完成材料的深层加工。它一般由准分子激光器、均束系统、同轴观察系统、 掩模、光刻投影镜头和加工平台组成。这种方法为并行加工方式，一次成形，加 工的材料面宽，效率高且成本较低。其中加工精度由投影系统成像分辨率的决定， 易于保i i e t 忆1 。 北京t 业人学聩! 学硕l ? 学f 证沦文 曼曼曼烹i i i i 篡皇曼曼鼍拦曼曼曼鼍燃皇曼曼墨黑曼曼 ( 2 ) 激光直写光刻 激光直写光刻的步骤是，将激光束通过透镜聚集成尽可能小的强度均匀的光 点，聚焦在加工件表面上，由计算机系统控制精密工作台在y 平面内进行光束 扫描运动，而在z 方向上控制进给以及控制不同位置的激光通断状态来实现三维 深层刻蚀。这种方法容易与计算机数控技术相结合，能制作出较为复杂的三维立 体微结构。光刻直写技术与投影光刻法主要区别是它不需要特殊的掩模板，这样 也就省去了掩模板制作过程，使加工过程更加灵活。另外它需要聚焦透镜缩小光 点，需要精密的数控系统和工作台，而投影光刻法则需要成像透镜。 2 。4 准分子激光微细力秘王系统 准分子激光微加工系统主要由以下凡部分组成：准分子激光器、光束变换组 件( 包括准分子激光扩束准直透镜组、准分子激光复眼透镜组、准分子激光汇聚 透镜) 、激光投影或直写组件、加工平台。在实际应用中为了加工的方便，还需 要一些辅助的设备：准直激光器、同轴观察系统。 1 3 准分子激光均束方法 准分子激光器已成为紫外波段最有效的辐射源之一，由于其波长短、光子能 量大、脉宽窄、脉冲功率高，对材料刻蚀的纵横尺寸能高精度控制等优点，近年 来被人们广泛用于微棍械、微光学等微加工手段。在实际应用中，几乎均要求准 分子激光器输出的光束强度分布尽量均匀，因此迫切需要采用一些方法使激光光 束能量分布均匀。准分子激光均束方法很多，主要有以下几种能实现准分子激光 束的能量均匀化强翻。 1 。3 1 棱镜法： 工作原理如图1 1 所示，当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束，通 过棱镜时，光束被四面棱镜分成四束光束，四束光束在x y 面上叠加后，光束分 布均匀往有较好改善。在x y 萄上的一点的( x ，y ) ，经过强面棱镜后，x y 面 上的光强变化匿分比小于3 ，激光传输率可达9 4 ，用棱镜法可以获得输出光 束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但棱镜法的均匀效果仅在输入光束严格 对称时力获得理想的效采，并且获得均匀光束截面的位置极严格的对应于光楔的 焦度。 第1 章绪论 | _ 、 - 二= 一 | 二 | j 一l ， f r o n tm 。 晰刚“8 冶t 。 图l 一1 棱镜法光路不慈幽 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f as q u a r eu n i f o r m i n t e n s i t yi r r a d i a t i o no p t i c a ld e v i c e 1 3 2 反射镜法： 工作原理如图1 2 所示，当束光强分布近似高斯函数的准平行激光束经过 透镜l l 聚焦到反射镜m lh 经过次反射后，其能量分布将按照图1 2 所示发生 光束方向的改变和能量叠加现象，同样经过透镜l 2 和反射镜m 2 后，光束将冉一 次叠力i i 。这样经过多次的光束叠加后，其初始的高斯光束能量分布将被均匀化。 用反射镜法也可以获得输卅光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但反射镜 法的装配和调试极为困难。 警_ 。母攀二_ 熹二一暑 图1 2 反射镜法光路不惹幽 f i g 1 2b e a mf o l d i n gt e c h n i q u e 1 3 3 万花筒法： ：作原理如图1 3 所示。当光强分布为近似高斯分布的入射光以最人入射角 0m 觚进入光波导后，只有和透镜光轴平行的或和光轴成一较小央角的光线彳i 经 过反射直接通过波导管，其余入射光的光线将在波导管内产生反射到达输出面的 不同点上。万花筒法制作、装调简易，成本大大降低，能方便地改变输出光斑的 大小，但此系统的传输损耗较大。 ，叫0_h溶 一吾_ 1 i _ 删“ 嗣滏 h* 灿 | 冬ii 3 万花筒洁不愈削 f i 9 1 - 3b e a m f o l d i n g t e c h n i q u e 134 柱面镜法： 方法原础如图1 - 4 ：山四”柱面镜围成个中空的方形结构，每片柱面镜安 装在一个精细调整架上，通过调节可以控制中空部分的尺寸和形状，激光照射在 装置r 中空部分檄光直接透过。照射在边缘柱面透镜上的光将补偿到中问光的 弱光强部分通过计算柱面镜的参数和适当调节调整旋钮，就能得到均光效果， 这种方法的优点是光束透过率较高，均光效果较好，但设训人员要求较高，设计 人员需要计算镜片参数及设计高精度的微调机构。 蚓1 4 柱面透镜法 f i g1 - 4c y l i n d r i c a ll e n s 1 35 复眼透镜列阵法： 蝇眼透镜阵列聚光系统光路如图1 5 所示，由m m 片焦距和胁 相同的小透 镜组成的方形透镜阵y u l ，透镜列阵l 把入射的准直光束波面分割成m 2 束子光束， 在靶面上形成的光强分布实际是球面聚光镜将各子光束会聚在其焦平面上的光 强的积分。使用透镜阵列聚光系统，即使在入射光束近场分布均匀性很差的情况 下，仍然可以在焦平面上得到均匀的光照效果”。 第1 章绪论 。一 j 9 - l ( 一 ) 图1 5 柱面透镜法 f i g 1 5c y l i n d r i c a ll e n s 1 4 试验室的准分子激光均束系统现状 目前，实验室中使用的是一套基于积分原理的准分子激光透镜阵列均束系 统。在积分透镜前表面处光能量上下均匀，经过积分透镜后在其后端形成n x n 个小光源的像，最后由场镜把每一小光源的像成到物镜的入瞳处，使从每个小“光 源”发出的光线在照明系统的出瞳处( 掩模面) 的整个视场内形成均匀分布，所 有的小“光源”都如此叠加，从而在掩模面上实现均匀分布光场。由激光器发出 的光束经楔形棱镜分成上下两束，然后叠加，经扩束器后成为平行光束。通过将 1 8 块4 x 4 0 m m 的柱面透镜叠放，组成9 x 9 级的透镜阵列，将光束分成8 1 束，彼 此独立传播，实现了对准分子激光原始光束分束、放大，随后利用透镜将每束光 叠加在同一位置，得到了在1 3 1 3 m m 范围内能量均匀度误差小于士5 的光强分 布【15 1 。 这个系统在一定程度上改善了准分子激光的能量分布，使其变得均匀，但是 也有一些缺点： 使用两块阵列组成的阵列组会造成能量的损耗，由于激光光源的单脉冲最大 能量只有1 2 0 0 m j ，所以要想最大可能地利用光能，就必须减少光学系统中光学 元件对光能的损耗。 比如在准分子激光直写与掩模光刻的比较中，我们将光阑放入直写光路中， 再经过聚焦后将激光引入工作台表面。这样许多能量就由于光阑的存在而损耗掉 了，使得本身就有限的激光能量进一步被人为地削弱了。在掩模光路中，虽然光 能可能被全部导入进均光系统，但是由于光学元件的过多使用，例如目前实验室 中使用二级复眼阵列，这样使光能有比较大的损耗，能量透过率无法达到比较高 的水平。正如我们所知道的，在准分子激光掩模微加工中，材料的刻蚀阈值是固 定的，那么要想在一次曝光过程中产生比较大尺寸的图形，即使是几个百分数的 能量透过率的提高也是十分重要的。 均束阵列被封装安放之后，不易调节，控制和移动都比较麻烦；使用的光学 北京t , l k 人学理学硕i j 学位论文 材料较多，制作费用比较昂贵。 1 5 研究内容和目标 正是基于前面的现实情况，所以要改善光束能量均匀器的质量就要进一步采 用新的更加有效的制作方法与技术。 近年来，二元光学成为光学领域中一个新兴的分支学科，它是以光的衍射为 基本原理的，具有微型化、轻型化、可复制、价格低、可设计产生任意形状的波 前，可把多种功能集中于一个器件上等其他器件不可比拟的特点。为了有效克服 上述困难，进一步提高均匀器的均匀效果，利用二元光学理论，设计用于准分子 激光器的能量均匀器。与原来使用的积分均匀器( 石英棒列阵) 相比，使该器件 具有更高的能量利用率，并且在调解、装配的方便性，以及成本上都具有优势l l 6 。 二元光学器件与传统光学器件相比，除了体积小、重量轻等特点外，还具有 其它几大优点7 j ： ( 1 ) 高衍射效率。阶数越多，衍射效率越高，当台阶数n = 1 6 时，理论衍射 效率可达9 9 左右。如台阶数更多时，其衍射效率也会相应提高； ( 2 ) 独特的色散性能。二元光学器件具有不同于常规光学器件的色散特性， 故在折射光学系统中能够同时校j 下球差和色差，构成混合光学系统，以常规折射 器件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用表面上的浮雕二元波带结构校正像 差； ( 3 ) 具有更多的设计自由度。传统的折射光学系统只能通过改变曲面的曲 率或使用不同的光学材料校正像差，而在多阶光学器件中，可以通过改变槽宽、 槽深和槽形结构产生任意波面，大大增加了设计的自由度，从而设计出全新功能 的光学器件； ( 4 ) 制作材料的多样性。由于二元光学器件是将浮雕表面结构转移至玻璃、 电解质或金属基底上，可用材料范围大，并可将一些原有光学特性不理想的材料 用多阶技术重新加以使用； ( 5 ) 特殊的光学功能。二元光学器件可产生一般传统光学器件不能实现的 光学波面，并可集成得到多功能器件； ( 6 ) 易于复制。由于大部分二元光学器件的母板制作成本较高，运用母板 进行复制技术是降低二元光学器件成本、推广应用的关键。 我们根据二元光学理论，利用微细加工技术制作应用于准分子激光波面整形 的菲涅尔波带透镜。研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 首先要在理论上研究像属于二元光学范畴的这种纯相位元件对激光波 阵面的变换作用，即在理论上证明这种方法的可行性； ( 2 ) 阐明本论文中使用菲涅尔波带透镜作为元件基本单元结构的原因，进 笫1 事绪论 一步确定其基本参数，并且对其性能作理论上的分析； ( 3 ) 设计在光刻过程中的套刻掩模版，包括元件图形和对准标记； ( 4 ) 针对光刻试验和刻蚀试验，寻找加工过程中的最优参数，对最终的元 件进行检查和考量。 第2 帝二j c 光学均匀器的设计 第2 章二元光学均匀器的设计 2 1 二元光学理论及相关推导 二元光学是光学与微电子技术相互交叉、渗透形成的前沿学科。二元光学元 件在实现光波变换上具有许多显著的、传统光学不具备的功能。在理论上可以获 得任何设定光波波面，具有很高的衍射效率。二元光学元件与传统的光学元件结 合，可使系统更为简洁，并能矫正系统像差等1 1 8 ，1 9 1 。 2 1 1 相关原理说明 根据基尔霍夫衍射理论，在近似傍轴条件下，光学系统可看成是一种输入与 输出的变换问题。无论是菲涅尔衍射区，还是夫琅和费衍射区，均可认为是一种 空间线性变换系统。 以傅罩叶变换光学系统为例。任何一个输入场e ( x ，y ) ，可通过对其进行振 幅、位相调制获得任意的输出场分布e ( x ，y ) 。其中振幅调制函数和位相调制函 数分别为 if 。1 ( e r ( x ，y f ) f f ( x ，y ) ( 2 一1 ) a r g f 。1 【e ( x 。，y ) ) - o ( x ，y ) ( 2 - 2 ) 其中f 一1 为反傅里叶变换，求解复数幅角用a r g 函数表示1 2 0 1 。 实际应用中，一般仅考虑输出面的光强分布，故利用二元光学器件实现波面 整形这一问题可归结为：利用具有位相分布函数矽( x ，j ，) ( 透过率函数为 e x p ( i 矽( x ，y ) ) ) 的二元光学器件调制输入场e ( x ，y ) ，使其经变换后得到所需的输 出场e ( x ，y ) 。 二元光学元件b o e 是一个相位调制元件，它可以把输入的平行激光束进行 菲涅尔变换到平面p 上，这时p 上的光场分布就是输入光场分布的菲涅尔频谱。 在二元光学中这个光场的振幅分布就是所求的。为方便设计，将b o e 看作是平 面p 上光场分布的傅里叶频谱，并只有相位分布。这样当平行激光束经b o e 调 制后，光束的振幅分布仍保持为在x 方向呈高帽型分布，在y 方向呈近似高斯 分布，而相位分布变为b o e 的相位分布。紧贴b o e 放置透镜l ，它就能完成傅 里叶变换，使p 上的光场分布成为调制后光场分布的傅里叶频谱。b o e 对准分 北京丁业人学理学硕f j 学位论文 子激光光束的变换参见图2 1 【2 l 】。 e x c i m e r l a s e r p 图2 1 二二元光学兀什对光束的变换 f i g 2 - 1t r a n s f o r m a t i o no fl i g h tb e a mb yb o e 先设p 的振幅为巴特沃斯分布，相位为零，作逆傅里叶变换到b o e 所在平 面，其中e ( x ，y ) 和e 。( x ，y ) 分别为变换前后的激光场分布函数， e ( x ，j ，) = i _ ie ( x , y ) e x p i 2 n - ( x x + y y ) d x d y ( 2 - 3 ) 得到e ( x ，y ) = a ( x ，y ) e x p ( i q 6 ( x ，y ) ) ，其中a ( x ，y ) 为原始的振幅分布，矽( x ，y ) 为 初始位相分布；保留相位分布，将振幅分布替换为高斯分布 a ( x ，y ) = e x p ( 一a ( x 2 + y 2 ) ) ，再作傅里叶变换到平面p ， e ( x ，y ) = f ie ( x ，y ) e x p - i 2 ，r ( x x + y y ) l d x d y ( 2 - 4 ) 保留相位分布，将振幅分布替换为矩形( 均匀) 分布，再作逆傅里叶变换到 b o e ；这样反复迭代多次，直到收敛为止。流程参见图2 2 【2 2 】。 图2 2g s 算法流程示意图 f i g 2 2f l o wg r a p ho fg sa l g o r i t h m 2 1 2 基于m a t l a b 。软件的g s 算法 二元光学元件的设计类似于光学变换系统中的相位恢复问题。即已知成像系 统中，入射场和输出平面上的光场分布，计算输入平面上相位调制元件的相位分 布，使得绎过其调制的入射波场，能高精度地给出预期输出罔样，实现所需功能。 基于这一思想的优化设计方法大致有盖师贝格_ 撒克斯通( g e r c h b e r g s a x t o n ) 算 法、杨顾( y g ) 算法、模拟退火算法( s a ) 等l ”川。 盖! _ | i 贝格撒克斯通( g e r c h b e r g s e x t o n ) 算法是1 9 7 】年由g e r c h b e r g 和s m x t o n 首先提出的。g s 算法是一种常见的相位恢复优化算法，它的每一次循环均由下 列四个基本步骤组成：首先以初始位相和已知输入面光场的振幅分布jr 始，做傅 立叶变换；接着引入输山面( 远场) _ ；6 1 制条件，即己知或者要求的振幅分布取代 原振幅分布，同时保持位相不变：然后，做反傅立叶变换，对结果作输入面( 近 场) 光场限制，叩以已知输入光场振幅分布取代其振幅部分仍保持位相不变， 再做傅立叶变换，如此循环直至满意结果口5 圳。 采用m a t l a b o 软件编写了包含g s 算法的演变程序口”。 21 3 仿真结果与分析 准分了激光的原始光斑的彤状为矩形，尺寸在x 方向为3 6 m m ，y 方向为 1 6 m m ：光斑能量分布在x 方向近似呈高帽型分布，在y 方向近似呈商斯分布 参见图2 3 。其中，罔2 - 3 a ) 为变换前的入射光波的振幅分布图，其振幅最大值 被归化地定义为l ；图2 3 b ) 为它的能量分布罔，从用巾可以叫显看出未经过 调制的光斑能量分布的均匀性非常差。 i 二。团l 冬囊舅纷。l 二j a )b ) 图2 - 3 原始光斑的波面分布和能量分布图( a ) 波面分布b ) 能量分布 f i g2 - 3 w a v es u r f a c ea n de n e r g yd i s t r i b u t i o no f o r i g i n a ts p o t ( a ) w a v es u r f a c e ，b ) e n e r g y d i s t r i b u t i o n ) 应用m a t l a b 8 模拟程序，b o e 取值为5 0 r a m ，模拟距离入射波面1 0 0 0 m m 处的出射波面的振幅分布效果图和波面整形二元光学元件的位相分布图。为了研 究模拟程序的迭代次数对设计结果的影响，将1 0 、1 0 0 和1 0 0 0 次迭代的波面效 果图进行对比，参见图2 _ 4 。对比发现，模拟程序迭代次数的增加会明显改善波 面的整形效果，如图2 - 4 e ) 所不，1 0 0 0 次迭代后，波面已经基率成为巴特沃斯 分布，整形区域内能量分布的均匀性较好，能量的利用率也比较高2 8 2 9 1 , 、姆二 c ) 图2 4 模拟结果( a ) 1 0 敬，b ) 1 0 0 次，c ) 1 0 0 0 敞1 f i g2 4 a n a l o gr e s u l t s ( a ) 1 0 t i m e s ，b ) 1 0 0 t i m e s c ) 1 0 0 0 l i m e s ) 图2 - 5 为应用模拟程序经过1 0 6 次迭代后的审计结果。图2 - 5 a ) 为出射光波 蟛 第2 章一元光学均匀器的世 的振幅分布图，同样地最大振幅分布被归一化为l 。从| 璺| l 】以看乩已经实现 了近似矩形的振幅分布。图2 - 5 b ) 表示二元光学元件的位相分布情况。 n 口“fd 口 b ) 幽2 51 旷次选代屙的模拟结果( a ) 波面形貌，b ) 元什相位分布) f i 9 2 5 a n a l o gr e s u l t sa f t e r1 0 0 0 0 0 0 t i m e s i t e r a t i v eo p e r a t i o n ( a ) 1 0 t i m e s ，b ) 1 0 0 t i m e s ，c ) 1 0 0 0 t i m e s ) 对上述模拟结果的x 方向和y 方向分别做出能量分布图，见图2 - 6 。从圈中 可以看出，利用g s 算法得到的振幅分布边缘效果较好；也可以看到其能量分布 情况其中红色部分表明光斑中能量较高的部分，由橙色、黄色至绿色渐渐降低， 直至蓝色显示的较低能量。 c ) 幽2 - 6 能量分布蚓( a ) x 方向，b ) y 方向，c ) 全被面) f i g2 6 g r a p ho f e n e r g yd i s t r i b u t i o n ( a ) xd i r e c t i o n ，b ) y d i r e c t i o n ，c ) w h o l e w a v cs u r f a c e 22 菲涅尔波带透镜 菲涅尔波带透镜是基于菲涅尔波带片f z p ( f r e s n e l z o n ep l a t e ) 的近场衍射， 将菲涅尔波带片的图形制作成闪耀的位相结构，以获得高衍射效率。菲涅尔波带 片是一个具有系列同心圆环的二元振幅图形，其第m 个透明环带的半径为 _ = 6 0 ，示意图参见图2 - 7 舯3 ”。 蚓2 7 菲涅尔波带片示意图 f i g 2 7s c h e m eo ff r e s n e lz o n ep l a t e 显然，菲涅尔波带片沿，2 方向呈周期性分布，周期为，：。若以波长为入的 平面波照射菲涅尔波带片，将观察到多个发散和会聚的球面波，每一列波对应一 个衍射级次，其振幅和焦距由菲涅尔波带片的图形决定，直接透过菲涅尔波带片 的无衍射光形成零级背景光【3 2 】。利用标量衍射理论可以推导出各焦面的z 坐标位 置及相应的复振幅分布u ( x ，y ) 。根据菲涅尔波带片的径向对称性和沿，2 方向的周 期性，有 u ( x ，y ) = u ( x 2 + j ，2 ) = “( ，2 + 夕0 ) ( 2 5 ) 式中，j 为任意整数。为了数学处理的方便，在不影响物理性态下可将式( 2 5 ) 中的r 2 的范围扩展到负值，把u ( x ，y ) 表示为一个傅立叶级数 其傅立叶系数 吣，力= 主a ne x p ( 加以孚) ( 2 6 ) ”。_ 田 。p 4 = ( 1 哆，r 扰( ，2 ) e x p ( 一z 2 乃胛导) d ( r 2 ) c 2 - 7