激光照排技术光栅光阀设计和制作

论文摘要

激光照排机采用电子计算机编辑排版系统,把书稿输入到计算机内,书稿内容经过计算机而转换成点阵信息。我们提出采用微机电系统（Micro electro-mechanical system,MEMS）技术制作的光栅光阀（Grating Light Valve,GLV）芯片作为光调制器件。由于GLV是由一个个单元组成的,采用微细加工技术可以很容易得到多个单元的阵列,且每个单元响应速度快,采用这种方法可以达到几百路同时快速扫描,大大提高速度。又由于GLV的基体材料是硅,可以承受极高的光强而不会损坏,可以满足激光照排机上对扫描光强的需要。本文介绍了GLV的光学原理,机电原理,并根据光学原理提出了一种简化的GLV模型。GLV作为一种MEMS器件,其加工工艺极其重要。本文针对GLV制作中遇到的工艺问题,介绍了微加工工艺中的薄膜理论,光刻理论、光刻胶、刻蚀等步骤的具体过程,并讨论了制作GLV过程中经常遇到的缺陷及其克服方法。GLV由于线宽小,所以保持光刻胶图形不发生变形和良好的附着性能对其影响巨大。通过大量的实验和理论分析,对光刻胶形貌,光刻胶附着性能和刻蚀展宽提出了改善措施。研究发现,光刻胶停止流动后,其主要的变形原因是由于硬烘中光刻胶的收缩及边缘和非边缘部分的收缩差,而这种收缩差又是因为树脂固化大量放热和光刻胶极弱的热传导性。光刻胶非边缘部分温度比其边缘部分和烘焙温度高。温度分布由红外热像仪测量,并由二维仿真,二者均显示变形与光刻胶厚度和烘焙温度有很大关系。实验结果证明通过合适的烘焙工艺,变形问题可以得到缓解。线条展宽是附着力差最直接的影响,光刻胶的内部应力又直接影响了其附着力。光刻胶内应力主要是由于烘焙工艺中光刻胶收缩远大于基底硅片。通过前烘后的弛豫和硬烘退火步骤,光刻胶附着性明显增加。通过以上处理,GLV线宽的精确度得到了一定的提到。GLV的工作涉及到了结构场和静电场的耦合问题,本文采用ANSYS来进行此仿真,结果显示GLV可以起到光调制作用。GLV的加工基于硅材料的体微加工,本文采用适当的薄膜工艺,光刻工艺和刻蚀工艺的配合,制作出GLV样品。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 微机电系统技术概述
• 1.4 光学微机电系统
• 1.5 主要研究目的
• 1.6 主要研究内容
• 第二章 光栅光阀工作原理介绍及结构简化
• 2.1 GLV光学原理
• 2.1.1 GLV光调制原理
• 2.1.2 GLV成像原理
• 2.2 GLV机电原理
• 2.3 简化GLV模型
• 第三章 光栅光阀工艺研究
• 3.1 氮化硅薄膜的制备
• 3.1.1 化学气相沉积
• 3.1.2 常压热化学气相沉积（APCVD）法
• 3.1.3 低压化学气相沉积（LPCVD）法
• 3.1.4 快热化学气相沉积（RTCVD）法
• 3.1.5 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法
• 3.2 光刻
• 3.3 光刻胶
• 3.3.1 光刻胶的物理特性
• 3.3.2 传统的I线光刻胶
• 3.4 光刻工艺基本步骤
• 3.4.1 基片清洗
• 3.4.2 脱水烘焙
• 3.4.3 硅片成底膜
• 3.4.4 旋转涂胶
• 3.4.5 前烘
• 3.4.6 对准曝光
• 3.4.7 曝光后烘
• 3.4.8 显影
• 3.4.9 坚膜后烘
• 3.4.10 图形检查
• 3.5 刻蚀
• 第四章 光栅光阀的仿真
• 4.1 有限元方法简介
• 4.2 ANSYS耦合场分析介绍
• 4.3 GLV的有限元分析
• 4.4 结论
• 第五章 光栅光阀的制作
• 5.1 光刻胶变形分析及改善措施
• 5.1.1 试验技术条件及结果
• 5.1.2 光刻胶变形原因分析
• 5.1.3 烘焙模型
• 5.1.4 结论
• 5.2 光刻胶附着性能分析
• 5.2.1 基片表面自由能
• 5.2.2 表面润湿性
• 5.2.3 应力对光刻胶附着性能的影响
• 5.2.4 应力测量
• 5.2.5 退火对湿法刻蚀的影响
• 5.2.6 应力分布仿真
• 5.2.7 结论
• 5.3 异丙醇对单晶硅刻蚀的影响
• 5.3.1 KOH腐蚀原理
• 5.3.2 单晶硅的各向异性腐蚀
• 5.3.3 异丙醇对硅表面粗糙度的影响
• 5.3.4 结论
• 5.4 悬臂梁材料选择
• 5.4.1 氮化硅的热稳定性
• 5.4.2 氮化硅的硬度
• 5.4.3 氮化硅力学性能
• 5.5 GLV的制作步骤
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢