基于纳米压印技术的大面积高密度光栅的研制

论文摘要

20世纪末21世纪初,纳米技术的迅猛发展将对社会各行业的科技进步及人类生活产生深远影响,预计将带来第五次技术革命。在这样的大背景下,半导体制造行业又向着传统光学光刻极限的方向发展,急需一种新型的高分辨率、高效率和低成本的光刻技术取而代之。纳米压印光刻技术作为下一代光刻技术中的热门研究方法之一,就受到了人们的极大重视。另外,光栅作为一种光学器件,具有十分广泛的应用,特别是在光谱学中的应用,对于过去的20世纪人类知识的发展积累做出了举足轻重的贡献。然而,受制于微细加工技术能力,近年来高密度大面积衍射光栅的研制水平和应用水平一直受到极大限制。得益于纳米压印光刻技术的提出,我们将有能力制造高性价比、高分辨率、低成本、大面积的透射和反射光栅,具有重要意义。本文将通过纳米压印光刻技术研究制造大面积（10mm×10mm）高密度（5000线/mm）的透射和反射光栅。基于我们之前在SU-8光刻胶上压印的研究,我们打算开发一种利用纳米压印技术在紫外固化胶——SU-8上进行的新型简单的制造工艺来研制光栅。由于SU-8在可见光波段有98%的透过率,十分适合用来进行制作光学器件。并且SU-8也具有较低的粘滞系数,即有很好的流动性,也适合用来进行压印研究。本文详细研究了光栅模板（周期分别为1μm、500nm、300nm和200nm）的制造过程,通过优化干法刻蚀参数,制造出了具有平滑陡直侧壁和较好截面的模板,高宽比达到或超过了3:1;通过研究压印过程的工艺参数,优化了工艺条件,得到压印深度和温度、压力之间的关系图,并和理论模拟结果进行了比较分析;对制作的光栅进行了衍射和偏振性能的测试,发现衍射现象符合理论模拟的相位光栅的性能,其衍射强度会随光栅高度而周期性变化,而测得的金属光栅也具有极强的偏振性能,对于透射波的消光比达到了2100。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 下一代光刻技术介绍
• 1.3 光栅背景介绍
• 1.3.1 衍射光栅
• 1.3.2 光栅制造技术的发展
• 1.3.3 从衍射光栅到亚波长光栅
• 1.3.4 亚波长光栅的应用
• 1.4 课题意义
• 1.5 论文构架
• 1.6 参考文献
• 第二章 纳米压印技术
• 2.1 纳米压印技术基本原理
• 2.1.1 纳米压印模板
• 2.1.2 压印光刻胶
• 2.1.3 压印设备
• 2.2 纳米压印技术分类
• 2.2.1 紫外固化压印（UV-NIL）
• 2.2.2 微接触印刷（μCP）
• 2.2.3 反压印（R-NIL）
• 2.2.4 光刻结合压印（CNP）
• 2.2.5 激光辅助压印（LADI）
• 2.2.6 镂花印刷（Stenciling）
• 2.2.7 各种工艺比较
• 2.3 纳米压印技术研究现状
• 2.4 纳米压印技术面临的挑战
• 2.5 参考文献
• 第三章 运用纳米压印技术制造光栅的研究
• 3.1 引言
• 3.2 光栅模板制造的研究
• 3.2.1 电子束光刻制造光栅图形
• 3.2.2 金属化和溶脱工艺
• 3.2.3 反应离子刻蚀（RIE）
• 3.2.4 模板表面预处理
• 3.3 纳米压印技术制造光栅的研究
• 3.3.1 压印前准备
• 3.3.1.1 基片清洗
• 3.3.1.2 光刻胶旋涂
• 3.3.2 压印机理研究
• 3.3.2.1 热压印过程研究
• 3.3.2.2 脱模过程研究
• 3.3.3 清洗模板
• 3.3.4 压印中问题的讨论
• 3.3.4.1 压力分布改进
• 3.3.4.2 模板的重复使用
• 3.4 参考文献
• 第四章 光栅的光学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 相位光栅衍射性能研究
• 4.2.1 相位光栅衍射理论研究
• 4.2.1.1 光栅高度对于衍射的影响
• 4.2.1.2 光栅周期对于衍射的影响
• 4.2.1.3 入射光波长对于衍射的影响
• 4.2.2 衍射测量结果
• 4.3 亚波长光栅偏振性能研究
• 4.3.1 亚波长光栅等效介质理论简介
• 4.3.2 偏振性能测试
• 4.3.2.1 实验测量装置
• 4.3.2.2 实验测量结果
• 4.4 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 附录:攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢