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《哈尔滨工业大学》 2010年
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影响直角坐标激光直写曝光质量的若干关键技术研究

张山  
【摘要】: 激光直写技术无需掩模、加工灵活,可制作出边缘平滑的复杂特征结构,是制作衍射微结构光学元件的重要技术手段之一。随着科学技术的发展,对微结构光学元件的大口径和精细化的需求日益迫切,这就要求更高的激光直写精度。曝光是激光直写技术的重要工序,对加工精度起着决定性的作用,但目前还存在三个与此工序相关且不够完善需要解决的问题:曝光模型不够准确、邻近效应校正方法不够完善和定位精度不高,这些因素不利于激光直写技术的实验研究和加工质量的提高。 课题“影响直角坐标激光直写曝光质量的若干关键技术研究”的目的是对影响直角坐标激光直写曝光质量的上述三个关键问题进行研究,在深入分析直写曝光过程的基础上,建立与实际工况相符的直角坐标激光直写动态曝光模型,完善邻近效应校正方法,以及探讨降低宏微系统定位噪声的方法,为高加工精度的激光直写机的研制提供理论依据和技术基础。本课题的研究可为大口径、复杂结构衍射微光学元件的加工提供可靠的模型和技术。 本文为了更加精确地预测直角坐标激光直写获得的光刻线条质量,建立了一种兼顾胶层的光吸收特性、直写光束的高斯分布特征以及直写光束与胶层的相对运动的直角坐标激光直写动态曝光模型,据此模型分析了直写速度和直写光功率的变化对光刻胶内线条线宽和侧壁角的影响,从而可以创建满足线条质量要求的直写系统的加工工艺窗,为开展激光直写光刻实验提供了理论指导。 为了有效校正激光直写中的邻近效应,提出了声光调制器低分辨力时邻近效应的校正方法,该方法基于误差校正迭代方法,先以虚拟的高分辨力声光调制器对直写图案进行校正,再对各误差区域重心的最邻近光点的曝光量数据进行调制寻优,可有效克服误差校正迭代方法不能以低分辨力声光调制器校正直写图案以及寻优不彻底的缺点。 为了合理选择耦合阻尼抑制宏微系统中的定位噪声,基于并行双伺服控制策略建立了包含耦合阻尼的宏微系统控制模型,研究分析了耦合阻尼的作用规律,从而揭示了耦合阻尼对噪声传递和宏、微工作台动态特性等的影响,为宏微系统采用耦合阻尼方式改善定位稳定性、达到纳米级的定位噪声提供了一定的理论指导。 最后对课题所研究的若干关键技术进行了实验验证。首先,对所提出的声光调制器低分辨力时邻近效应的校正方法进行了实验验证。实验表明:以“L”直写图案为例,相比在声光调制器低分辨力情况下无法对直写图案优化校正的误差校正迭代方法,用本文所提方法能对直写图案进行优化校正,并使图案误差相对于原始误差减小了70.88%。然后,研制了宏微系统的耦合阻尼器,完成了宏微系统的搭建、调试和性能测试,并就宏微系统控制模型的有效性和耦合阻尼的作用效果进行了实验验证。实验表明:在控制参数不变的条件下,实验结果与所推导的宏微系统中的耦合阻尼特性一致,且增加阻尼系数为293.78N/(m/s)的耦合阻尼器后,本文所研制的宏微系统的定位噪声由80nm(峰峰值)降为60nm(峰峰值)。
【关键词】:激光直写 动态曝光模型 光学邻近效应校正 宏微定位控制 阻尼油式阻尼器
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG665
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-14
  • 第1章 绪论14-33
  • 1.1 课题研究的背景及意义14-15
  • 1.2 激光直写机及其若干关键技术研究现状15-30
  • 1.2.1 激光直写机结构形式及参数指标现状16-20
  • 1.2.2 直角坐标激光直写曝光模型研究现状20-21
  • 1.2.3 直角坐标激光直写邻近效应校正研究现状21-23
  • 1.2.4 长行程纳米级定位技术研究现状23-30
  • 1.3 本研究领域存在的关键技术问题30-31
  • 1.4 课题来源及主要研究内容31-33
  • 第2章 直角坐标激光直写的动态曝光模型33-46
  • 2.1 引言33
  • 2.2 直角坐标激光直写的动态曝光模型理论分析33-37
  • 2.2.1 直角坐标激光直写衍射焦平面上光强分布34-35
  • 2.2.2 直角坐标激光直写的光强离散化模型35-36
  • 2.2.3 直角坐标激光直写光刻胶内的动态曝光量空间分布36-37
  • 2.3 直角坐标激光直写的动态曝光模型仿真实验结果及分析37-43
  • 2.3.1 曝光量分布和抑制剂浓度分布仿真示例38-39
  • 2.3.2 恒值高斯光束曝光时的动态曝光仿真实验39-40
  • 2.3.3 直写参量对线条质量的影响分析40-43
  • 2.4 扫描线的定位误差对动态曝光模型的影响43-44
  • 2.5 本章小结44-46
  • 第3章 声光调制器低分辨力时邻近效应的校正方法46-58
  • 3.1 引言46
  • 3.2 误差校正迭代方法46-51
  • 3.3 声光调制器低分辨力时邻近效应的校正方法51-57
  • 3.3.1 以虚拟高分辨力声光调制器校正直写图案51-54
  • 3.3.2 调制各误差区域重心的最邻近光点54-57
  • 3.4 本章小结57-58
  • 第4章 宏微定位工作台的设计研究58-82
  • 4.1 引言58
  • 4.2 宏微定位工作台的总体设计58-62
  • 4.3 宏动台单元设计62-70
  • 4.3.1 宏动台伺服控制原理62-63
  • 4.3.2 直线电机及其驱动器的选型63
  • 4.3.3 宏动台的数学模型63-70
  • 4.4 微动台单元设计70-79
  • 4.4.1 微动台伺服控制原理71
  • 4.4.2 音圈电机及其驱动器的选型71-72
  • 4.4.3 微动台的数学模型72-79
  • 4.5 宏微控制模型的搭建79-81
  • 4.6 本章小结81-82
  • 第5章 宏微系统中定位噪声的抑制研究82-98
  • 5.1 引言82
  • 5.2 微动台定位噪声的抑制研究82-87
  • 5.2.1 阻尼器的布局设计82-84
  • 5.2.2 微动台阻尼器的作用规律研究84-87
  • 5.3 耦合阻尼对宏微系统的影响87-97
  • 5.3.1 耦合阻尼对噪声传递的影响88-91
  • 5.3.2 耦合阻尼对宏、微工作台动态特性的影响91-95
  • 5.3.3 耦合阻尼对宏、微工作台相对位置的影响95-97
  • 5.4 本章小结97-98
  • 第6章 实验及结果分析98-123
  • 6.1 引言98
  • 6.2 声光调制器低分辨力时校正邻近效应的实验98-106
  • 6.2.1 基于声光调制器调制直写光束光强的实验系统98-104
  • 6.2.2 校正结果分析104-106
  • 6.3 宏微系统实验106-121
  • 6.3.1 实验系统组成及其体系结构107
  • 6.3.2 系统实验研究与性能测试107-121
  • 6.4 本章小结121-123
  • 结论123-126
  • 参考文献126-135
  • 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果135-137
  • 致谢137-138
  • 个人简历138

【引证文献】
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9 王萌;金属络合物激光三维物化改性技术研究[D];天津大学;2011年
10 张山;影响直角坐标激光直写曝光质量的若干关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 高晶;声光调制器驱动源及其通信系统研究[D];中北大学;2013年
2 范月霞;CO_2激光器声光调制驱动电源及其特性的研究[D];华中科技大学;2006年
3 周广;新型全光纤声光调制器件的理论和实验研究[D];北京工业大学;2000年
4 祝贞凤;基于光纤水听器阵列的高速时分复用系统研究[D];国防科学技术大学;2004年
5 张晨;半导体激光器的稳频和移频[D];中国科学技术大学;2009年
6 徐永存;光纤相位噪声对传输窄线宽激光的影响及抑制技术的研究[D];华东师范大学;2009年
7 吕云飞;激光直写机的光功率控制系统研究与设计[D];哈尔滨工业大学;2008年
8 赵新亮;扫描式激光大屏幕显示技术研究[D];四川大学;2005年
9 刘艳;大屏幕激光扫描显示系统混色与光强调制技术研究[D];中北大学;2007年
10 韩岩;声光调制器模型建立及激光直写光功率控制系统设计[D];哈尔滨工业大学;2007年
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