实时动态数字光刻技术制作微透镜阵列的研究

论文摘要

随着微结构光学的发展，微结构光学器件正向微型化、阵列化、集成化方向发展。微细加工技术的不断提高和改进，器件尺寸也越来越小，为微结构光学阵列发展创造了条件。由于微透镜阵列可以高速、并行地处理光信息，已被广泛应运于国防、军事、信息处理、生物医学等领域，其相关的设计与制作也成为人们研究的热点之一。微光学在设计理论和制作方法上的改进，光刻技术也逐渐从有掩模时代发展到无掩模时代。数字化无掩模光刻技术凭借其成本低、无套刻误差和实时、有效、灵活的制作特点，已受到越来越多的重视。本论文基于DMD(Digital MicromirrorDevice)数字光刻制作系统，研究了一种微透镜阵列的设计与制作的方法。其主要工作如下：首先，根据目前国内外数字光刻技术的发展状况，通过对DMD芯片的深入分析，提出了一种基于DMD数字光刻技术制作微透镜阵列的方法。其次，介绍基于数字旋转掩模和数字移动掩模的实时动态数字光刻技术。在了解标量衍射理论设计微光学元件的基本理论基础上，根据相位分布函数与浮雕面形函数之间的关系设计微透镜的数字掩模图形。再根据基底形式和有效占空比的需要，利用计算机设计微透镜阵列的排列方式，并利用CorelDRAW绘图软件绘制出微透镜阵列的数字掩模图形。最后，利用实时动态的曝光方法，利用计算机控制微透镜阵列数字掩模图形在曝光平面上绕各自轴心同时匀速旋转或在垂直方向上的匀速运动，最后在光刻胶基板上形成不同的曝光量分布，通过一次性曝光最终得到所设计的微透镜阵列。在实验中验证了数字掩模图形不同的动态变换方式以及对曝光时间的控制，能精确控制曝光量，从而得到完整的微透镜阵列表面轮廓。进一步证明了该方法的可行性与优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 微光学器件的制作方法
• 1.2.1 直写技术
• 1.2.2 二元套刻技术
• 1.2.3 灰度掩模技术
• 1.2.4 数字无掩模光刻技术
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 本论文主要研究工作及内容安排
• 1.4.1 主要研究工作
• 1.4.2 论文具体章节安排
• 第2章 基于DMD的数字光刻制作系统
• 2.1 引言
• 2.2 DMD的基本结构和工作原理
• 2.2.1 DMD的基本结构
• 2.2.2 DMD的工作原理
• 2.3 数字光刻系统的硬件组成
• 2.3.1 用于实验的数字光刻系统
• 2.3.2 本实验设备的优化
• 2.4 系统工作原理和DMD成像原理
• 2.4.1 系统工作原理
• 2.4.2 DMD成像原理
• 第3章 实时动态数字光刻技术
• 3.1 引言
• 3.2 实时动态数字光刻技术
• 3.2.1 实时动态数字光刻技术提出的必要性
• 3.3 实时动态数字光刻技术基本原理
• 3.3.1 数字旋转掩模光刻技术
• 3.3.2 数字移动掩模光刻技术
• 第四章 微透镜阵列的设计
• 4.1 引言
• 4.2 衍射光学元件的设计
• 4.2.1 衍射微光学元件基本理论[39]
• 4.2.2 衍射微光学元件设计方法
• 4.2.3 衍射微透镜阵列的设计
• 4.3 折射微透镜的设计
• 4.3.1 折射微透镜几何光学设计理论[44]
• 4.3.2 数字光刻技术中非球面柱透镜阵列设计
• 4.4 数字光刻软件设计系统
• 4.4.1 计算机控制与辅助设计软件
• 4.4.2 微透镜阵列掩模图形的绘制
• 4.4.3 微透镜阵列掩模图形的动态显示
• 第五章 实验制作
• 5.1 引言
• 5.2 实验步骤及其工艺
• 5.2.1 硅片表面预处理
• 5.2.2 涂胶
• 5.2.3 前烘
• 5.2.4 曝光
• 5.2.5 后烘
• 5.2.6 显影
• 5.3 实验制作
• 5.3.1 本实验主要参数
• 5.3.2 菲涅尔衍射微透镜阵列的实验结果
• 5.3.3 非球面柱透镜阵列的实验结果
• 5.4 本实验主要制作工艺讨论
• 5.4.1 曝光时间误差
• 5.4.2 显影误差
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文