衍射光學(xué)分束器的性能表現(xiàn)，既依賴于優(yōu)化的仿真設(shè)計(jì)方案，也深受材料選擇與加工工藝的影響。當(dāng)前相關(guān)研究多聚焦于通過理論仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化追求高性能，而針對(duì)加工誤差對(duì)器件性能影響的探索相對(duì)薄弱。光刻技術(shù)作為半導(dǎo)體加工領(lǐng)域的高精度核心技術(shù)，能夠通過精細(xì)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，精準(zhǔn)控制光致聚合物的折射率與高度，且適配衍射光學(xué)分束器的規(guī)?；圃煨枨?。該技術(shù)可在單步加工中完成器件結(jié)構(gòu)成型，減少高度誤差的產(chǎn)生源頭，降低其對(duì)器件性能的不利影響。Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文將詳細(xì)闡述基于光刻技術(shù)的高精度微納加工流程，實(shí)現(xiàn)了不同襯底上高精度和高冗余度衍射光學(xué)分束器的加工，通過嚴(yán)格把控工藝參數(shù)，提升器件實(shí)際性能與理論設(shè)計(jì)的契合度，同時(shí)系統(tǒng)介紹多種先進(jìn)的表征技術(shù)（橢圓偏振光譜儀、臺(tái)階儀、共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡）在器件性能評(píng)估中的應(yīng)用。這些研究成果為衍射光學(xué)分束器的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。

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加工流程設(shè)計(jì)

flexfilm

衍射光學(xué)分束器微納加工流程圖

衍射光學(xué)分束器的性能受限于所選材料的特性與加工方法的精度。為盡可能減小加工誤差對(duì)器件性能的影響，本文設(shè)計(jì)了一套基于紫外光刻技術(shù)的高精度加工工藝流程，涵蓋襯底處理、涂膠、前烘、曝光、后烘、顯影、堅(jiān)膜七大關(guān)鍵步驟，各環(huán)節(jié)緊密銜接，具體如下：

襯底處理：選擇硅晶圓和氧化鋁晶圓作為襯底材料。在光刻前，進(jìn)行氧氣等離子體處理，并對(duì)晶圓進(jìn)行旋涂 HMDS 處理，以增強(qiáng)光致聚合物的附著力；

涂膠：將光致聚合物均勻旋涂至已處理的晶圓上，光致聚合物將作為衍射光學(xué)分束器的功能層；

前烘：對(duì)涂膠后的晶圓進(jìn)行前烘，促使光致聚合物中的溶劑揮發(fā)，降低溶劑殘留濃度，從而增強(qiáng)光致聚合物與襯底之間的粘附力，提高光致聚合物的穩(wěn)定性；

曝光：將前烘并冷卻至室溫的晶圓進(jìn)行紫外曝光，通過紫外光照射改變光致聚合物的化學(xué)性質(zhì)，從而將掩膜版上的圖案轉(zhuǎn)移到光致聚合物層中；

后烘：曝光后的晶圓需經(jīng)過后烘，以消除曝光過程中產(chǎn)生的駐波效應(yīng)，并提高圖案的清晰度和穩(wěn)定性；

顯影：后烘并冷卻至室溫的晶圓進(jìn)行顯影，通過選擇性地去除光致聚合物中特定的圖案，形成所需要的衍射光學(xué)分束器結(jié)構(gòu)；

堅(jiān)膜：顯影后的晶圓需要進(jìn)行堅(jiān)膜處理，去除溶劑和顯影液的殘留，并進(jìn)一步提高光致聚合物的穩(wěn)定性。

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加工工藝研究

flexfilm

掩膜設(shè)計(jì)

掩膜版設(shè)計(jì)需與晶圓尺寸適配，本研究選擇在4英寸（約 100mm）晶圓上加工衍射光學(xué)分束器，對(duì)應(yīng)的掩膜版尺寸為5英寸（約 127mm）。單個(gè)芯片集成五大功能區(qū)域：

掩膜版圖（a）單個(gè)衍射光學(xué)分束器（b）柵格測(cè)試結(jié)構(gòu)（c）L 型測(cè)試結(jié)構(gòu)（d）DOE名稱（e）標(biāo)志圖案

光刻掩膜版結(jié)果圖

衍射光學(xué)分束器主要功能結(jié)構(gòu)區(qū)：基于設(shè)計(jì)的最小周期 90μm×90μm 進(jìn)行周期化擴(kuò)展，形成 3.6mm×3.6mm 的核心功能區(qū)，邊緣設(shè)有 “十” 字結(jié)構(gòu)標(biāo)記，用于測(cè)試時(shí)的光源定位與對(duì)準(zhǔn)。

柵格測(cè)試區(qū)：由線寬為 200μm、100μm、50μm、30μm、5μm、2μm 和 1μm 的正方形結(jié)構(gòu)組成，方便后續(xù)用臺(tái)階儀測(cè)量光致聚合物高度，尤其適用于高深寬比特性器件的高度檢測(cè)。

L 型測(cè)試區(qū)：包含線寬 5μm、2μm、1μm 的結(jié)構(gòu)，線寬間縫隙分別為 1μm、2μm、3μm、4μm 和 5μm，既能觀測(cè)與對(duì)比加工工藝穩(wěn)定性，也能評(píng)估光刻工藝可實(shí)現(xiàn)的最小線寬。

芯片編號(hào)：按分束器階數(shù)與結(jié)構(gòu)類型命名，如 “DOE_3×3_1”，其中 “3×3” 代表分束器階數(shù)，“1” 表示該類型的第一種結(jié)構(gòu)，每種類型分束器設(shè)計(jì) 6 種不同結(jié)構(gòu)。

標(biāo)志圖案：由 “BJTU” 四個(gè)字母組成，用于芯片的快速標(biāo)識(shí)與區(qū)分。

整個(gè) 5 英寸掩膜版上，設(shè)計(jì)了 3×3、3×5、3×7、5×5、7×7 等多種類型的衍射光學(xué)分束器芯片，共計(jì) 30 個(gè)。為方便加工時(shí)晶圓的夾持操作，在晶圓邊緣預(yù)留 5mm 空白區(qū)域。

正性光致聚合物和負(fù)性光致聚合物圖案的區(qū)別

掩膜版設(shè)計(jì)與光致聚合物類型密切相關(guān)，光致聚合物分為正性與負(fù)性兩類：正性光致聚合物經(jīng)曝光后，受光照射部分會(huì)與顯影液反應(yīng)被去除，保留未曝光部分；負(fù)性光致聚合物則相反，曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)變得堅(jiān)固難除，保留曝光區(qū)域。

考慮到高精度衍射光學(xué)分束器對(duì)加工分辨率的要求，選用正性光致聚合物 AZ 12XP-20PL-10；而近折射率匹配衍射光學(xué)分束器第一層高度較厚，需采用負(fù)性光致聚合物 SU-8 2015進(jìn)行加工。

襯底選擇與處理

硅晶圓和氧化鋁晶圓的透射率測(cè)量

在襯底選擇方面，考慮到衍射光學(xué)分束器為透射型器件，襯底的透射率直接影響其衍射效率。本文對(duì)比了硅晶圓與氧化鋁晶圓的透射性能，測(cè)量結(jié)果顯示，氧化鋁晶圓在1550 nm波長(zhǎng)處的透射率達(dá)86.25 %，顯著高于硅晶圓的53.25 %。因此，氧化鋁晶圓更適用于高效衍射光學(xué)分束器的制備。

加工步驟

衍射光學(xué)分束器加工

光刻工藝流程圖

衍射光學(xué)分束器對(duì)光致聚合物的高度和折射率極為敏感，為精準(zhǔn)控制這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，需優(yōu)化光刻過程中的各項(xiàng)加工參數(shù)，使光致聚合物的高度和折射率與理論設(shè)計(jì)值一致，從而實(shí)現(xiàn)器件性能最優(yōu)化。

臺(tái)階儀測(cè)量結(jié)果：不同轉(zhuǎn)速下光致聚合物的高度（μm）

光致聚合物的高度主要由自身特性和旋涂轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，同時(shí)受加工設(shè)備、環(huán)境溫度和濕度等因素影響。為精準(zhǔn)獲取器件所需高度，通過臺(tái)階儀測(cè)試不同旋涂轉(zhuǎn)速下光致聚合物的高度。在溫度 20.6℃、濕度 35.0% 的條件下，制備不同轉(zhuǎn)速的 AZ 12XT-20PL-10 光致聚合物薄膜。

光致聚合物高度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

隨著旋涂轉(zhuǎn)速減小，光致聚合物高度逐漸增大，且變異系數(shù)（CV）逐漸減小，說明低轉(zhuǎn)速下旋涂的光致聚合物高度均勻性更優(yōu)。

近折射率匹配衍射光學(xué)分束器加工

使用 SU-8 2015 和 AZ 12XT-20PL-10 光致聚合物的近折射率匹配衍射光學(xué)分束器加工微工藝流程圖

近折射率匹配衍射光學(xué)分束器的核心設(shè)計(jì)思路，是選用兩種折射率接近的材料進(jìn)行加工。光致聚合物憑借優(yōu)良的光學(xué)性能和相近的折射率特性，成為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的理想選擇。SU-8 系列光致聚合物具有出色的高度控制能力，可實(shí)現(xiàn)1 μm至200 μm的高度范圍加工，與近折射率匹配衍射光學(xué)分束器對(duì)第一層高度的精確控制要求高度契合。因此，選用負(fù)性光致聚合物 SU-8 2015 和正性光致聚合物 AZ 12XT-20PL-10 作為加工材料。

堅(jiān)膜前后SU-8 2015光致聚合物的高度對(duì)比

結(jié)果顯示堅(jiān)膜前后高度基本保持不變，說明 110℃的堅(jiān)膜處理對(duì)其高度無顯著影響，因此可直接測(cè)量堅(jiān)膜后 SU-8 2015 的高度作為器件第一層高度。

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表征技術(shù)研究

flexfilm

基于光刻加工技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了硅晶圓和氧化鋁晶圓上衍射光學(xué)分束器的制備。但器件最佳性能的發(fā)揮，與結(jié)構(gòu)層的折射率、高度和形貌的精確表征密切相關(guān)。為確保器件性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，需采用多種測(cè)試技術(shù)進(jìn)行全面表征，并根據(jù)表征結(jié)果協(xié)同優(yōu)化光刻加工參數(shù)，制備高性能衍射光學(xué)分束器。

基于改進(jìn)型柯西模型的折射率測(cè)試

改進(jìn)型柯西模型擬合方法（Model-2）測(cè)量SAM高度和折射率原理圖

橢圓偏振光譜儀測(cè)量不同 PDB 溫度下的折射率

不同 PDB 溫度下橢圓偏振光譜儀測(cè)量和擬合數(shù)據(jù)

測(cè)量結(jié)果顯示，不同溫度條件下橢圓偏振光譜儀的測(cè)量結(jié)果與擬合結(jié)果高度吻合；未進(jìn)行 PDB 處理時(shí)，光致聚合物的折射率最大，隨著 PDB 處理溫度升高，折射率呈一定上升趨勢(shì)。將未進(jìn)行 PDB 處理的光致聚合物折射率與datasheet參考值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量值（1550 nm處為1.564）稍大于參考值（1550 nm處為1.543），誤差為 1.36 %，這將導(dǎo)致器件理想高度產(chǎn)生 265.7 nm的誤差，因此不能直接使用 datasheet 提供的折射率，需通過實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量。

橢圓偏振光譜儀測(cè)量?jī)煞N光致聚合物的折射率

采用同樣方法測(cè)量 SU-8 2015 光致聚合物的折射率，結(jié)果顯示其在1550 nm處的折射率為1.536，與 AZ 12XT-20PL-10 光致聚合物的折射率差值為0.028，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算，采用這兩種光致聚合物加工的近折射率匹配衍射光學(xué)分束器的理想高度為27.6786 μm。

高度和形貌表征

衍射光學(xué)分束器的加工高度與理想高度的匹配程度，直接影響其性能發(fā)揮。在確定光致聚合物折射率后，需通過控制紫外光刻工藝參數(shù)，精確控制器件高度，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。光致聚合物的高度不僅與旋涂轉(zhuǎn)速相關(guān)，堅(jiān)膜溫度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，因此需研究堅(jiān)膜溫度對(duì)光致聚合物高度的影響規(guī)律。

臺(tái)階儀高度校準(zhǔn)結(jié)果和臺(tái)階儀測(cè)量臺(tái)階高度校準(zhǔn)片結(jié)果

進(jìn)行高度精確測(cè)量前，對(duì)Flexfilm探針式臺(tái)階儀進(jìn)行嚴(yán)格校準(zhǔn)，使用自帶的臺(tái)階高度校準(zhǔn)片（認(rèn)證高度980.8±5.2 nm）進(jìn)行五次重復(fù)測(cè)量，所有測(cè)量結(jié)果均落在標(biāo)稱高度范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為1.22 %，表明臺(tái)階儀經(jīng)校準(zhǔn)后可提供高精度的高度測(cè)量數(shù)據(jù)。

不同 PDB 溫度對(duì)光致聚合物的高度影響，(a)不同 PDB 條件下整個(gè)晶圓和藍(lán)寶石晶圓的高度測(cè)量結(jié)果，(b)不同 PDB 條件下硅晶圓和藍(lán)寶石晶圓上單個(gè)衍射光學(xué)分束器的高度測(cè)量

顯影后烘烤（PDB）可去除光致聚合物中多余溶劑，增強(qiáng)與晶圓表面的附著力，但高溫會(huì)導(dǎo)致溶劑進(jìn)一步揮發(fā)，使高度減薄。研究不同 PDB 條件對(duì)光致聚合物高度的影響發(fā)現(xiàn)，隨著 PDB 溫度升高，晶圓范圍內(nèi)光致聚合物的高度逐漸減薄，當(dāng)溫度升至 160℃時(shí)，高度較未進(jìn)行 PDB 處理時(shí)顯著變薄約 1μm；單個(gè)芯片范圍內(nèi)的高度變化趨勢(shì)與整個(gè)晶圓一致。此外，PDB 溫度變化會(huì)導(dǎo)致硅晶圓和氧化鋁晶圓上光致聚合物的高度變化不一致，為減少高度變化的影響因素，后續(xù)研究中選擇不進(jìn)行 PDB 處理。

(a)在整個(gè)硅晶圓和藍(lán)寶石晶圓上五個(gè)不同位置進(jìn)行的高度測(cè)量結(jié)果(b)在硅晶圓和藍(lán)寶石晶圓的單個(gè)衍射光學(xué)分束器芯片內(nèi)測(cè)量五個(gè)不同位置的高度結(jié)果

對(duì)未進(jìn)行 PDB 處理的晶圓，使用臺(tái)階儀測(cè)量整個(gè)晶圓和單個(gè)芯片范圍內(nèi)的光致聚合物高度：整個(gè)晶圓上選取中心位置和距離中心均勻分布的四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，硅晶圓和氧化鋁晶圓上光致聚合物高度的變異系數(shù)分別為0.68 %和0.86 %，表明光刻工藝加工的光致聚合物高度在整個(gè)晶圓上誤差較小；單個(gè)芯片內(nèi)選取中心位置和左右均勻分布的兩個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，硅晶圓和氧化鋁晶圓上芯片的平均高度分別為6.8611 μm和6.8828 μm，接近理想高度6.8706 μm，變異系數(shù)分別為0.44 %和0.78 %，說明單個(gè)芯片范圍內(nèi)光致聚合物高度基本一致，可降低高度變化對(duì)器件性能的影響。

硅晶圓上衍射光學(xué)分束器的高度（μm）

為探究高度對(duì) 3×3 和 3×5 衍射光學(xué)分束器性能的影響，加工了三種不同高度的器件：一種接近理想高度（6.8706μm），另外兩種分別高于和低于理想高度。硅晶圓和氧化鋁晶圓上光致聚合物的高度測(cè)量結(jié)果顯示，加工高度均在6.8 μm附近，且每個(gè)器件五個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的 CV 值均在 1% 以內(nèi)，表明光刻加工方法能有效控制器件高度。

氧化鋁晶圓上衍射光學(xué)分束器的高度（μm）

對(duì) 3×3 近折射率匹配衍射光學(xué)分束器的第一層高度進(jìn)行精確測(cè)量，單個(gè)分束器內(nèi)部選取五個(gè)不同位置測(cè)量，計(jì)算均值作為器件整體高度。結(jié)果顯示，所有分束器高度的 CV 值均小于1 %，證明 SU-8 2015 光致聚合物加工的高精度；實(shí)際加工高度與理想高度（27.6786 μm）的差值分別為117.8 nm、241.8 nm 和532.8 nm，后續(xù)將結(jié)合這些高度誤差分析器件的高冗余度特性。

衍射光學(xué)分束器形貌表征

共聚焦顯微鏡觀察柵格測(cè)試結(jié)構(gòu)

采用共聚焦顯微鏡對(duì)光刻加工結(jié)果進(jìn)行表征，分別觀測(cè)柵格測(cè)試結(jié)構(gòu)和L型測(cè)試結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示所有測(cè)試結(jié)構(gòu)均完整實(shí)現(xiàn)。對(duì) L 型測(cè)試結(jié)構(gòu)的線寬和縫隙進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn) 5μm、2μm、1μm 線寬的加工寬度均保持在設(shè)計(jì)值附近，表明光刻加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)器件較小特征尺寸的加工。

掃描電子顯微鏡觀察（a）3×3（b）3×5 衍射光學(xué)分束器結(jié)構(gòu)。頂部插圖：衍射光學(xué)分束器單個(gè)周期的放大傾斜視圖

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)加工器件進(jìn)行進(jìn)一步表征，結(jié)果顯示 3×3 和 3×5 衍射光學(xué)分束器的實(shí)際加工特征尺寸分別為 3.94μm 和 11.54μm，與掩膜版設(shè)計(jì)的特征尺寸（3.61μm 和 11.40μm）非常接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了光刻工藝在高精度衍射光學(xué)分束器加工方面的有效性。從 SEM 傾斜視圖可以觀察到，器件側(cè)壁十分垂直，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的光學(xué)性能。

本研究圍繞衍射光學(xué)分束器的光刻加工與表征技術(shù)展開系統(tǒng)研究，構(gòu)建了從掩膜設(shè)計(jì)、襯底選擇與處理、具體加工步驟到多維度表征的完整技術(shù)體系。掩膜設(shè)計(jì)結(jié)合光刻工藝要求與器件功能需求，合理布局各功能區(qū)域，為后續(xù)加工與檢測(cè)提供了有力支撐；襯底選擇通過對(duì)比硅晶圓和氧化鋁晶圓的特性，明確了高透射率襯底對(duì)提升器件衍射效率的優(yōu)勢(shì)；加工過程中通過優(yōu)化旋涂轉(zhuǎn)速、曝光能量、顯影時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了光致聚合物高度和折射率的精確控制，成功制備出高精度和高冗余度的衍射光學(xué)分束器；表征技術(shù)方面，提出的改進(jìn)型柯西模型顯著提升了折射率測(cè)量精度，結(jié)合臺(tái)階儀、共聚焦顯微鏡等設(shè)備，全面掌握了器件的高度、形貌和表面粗糙度等關(guān)鍵參數(shù)。

研究結(jié)果表明，光刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)衍射光學(xué)分束器的高精度加工，器件結(jié)構(gòu)層加工精度達(dá)納米級(jí)，芯片高度變異系數(shù)小于 1%；多種表征技術(shù)的綜合應(yīng)用為工藝優(yōu)化和性能評(píng)估提供了可靠依據(jù)。本章的研究成果不僅明晰了各加工因素對(duì)器件性能的作用機(jī)制，也為后續(xù)衍射光學(xué)分束器的性能測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀

flexfilm

費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

#高精度衍射光學(xué)分束器#光致聚合物#表面粗糙度表征#費(fèi)曼儀器