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应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究

刘勋  
【摘要】: 在MEMS技术中,准分子激光微细加工技术是一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(BOE)对激光波面的整形作用。使用MATLAB?编写了基于盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)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33mm×33mm,阵列数目为80×80个,台阶数为8,主焦距为16.0mm,单元孔径之为0.4125mm。因为KrF准分子激光处于紫外波段,所以选择石英材料(JGS1)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LEDIT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间为13s,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13s,显影时间60s,定影时间30s,使用气体为CHF3:180sccm,SF6:60sccm;三次刻蚀的时间分别为T1=9min,T2=4.5min,T3=2.25min;刻蚀速率为V=50nm/min。 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77%,完成的二元光学菲涅尔均束器的能量透过率约为85%,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。


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