1 摘 要 光子晶體，又稱為光子禁帶材料，是將不同介電系數(shù)的材料在空間按照一定的周期（尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)）排列所形成的一種人造“晶體”結(jié)構(gòu)。類似于半導(dǎo)體材料中電子在周期性市場(chǎng)作用下形成能帶結(jié)構(gòu)，由于受到介電系數(shù)周期性的調(diào)制，在光子晶體中光子也出現(xiàn)了能帶結(jié)構(gòu)，一些特定頻率范圍的光不能在光子晶體中傳播，成為光子禁帶。由于其新異的光學(xué)特性和廣泛的應(yīng)用前景，有關(guān)光子晶體的研究成為近十幾年來(lái)一個(gè)迅猛發(fā)展的新型領(lǐng)域。本文從理論上 綜述 了光子晶體的物理特性； 介紹 了激光直寫技術(shù)機(jī)理及其在三維光子晶體制備過(guò)程中的應(yīng)用， 并且利用具體實(shí)例 介紹 了激光直寫技術(shù)制備三維光子晶體的方法。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 首先，從光子晶體的概念、特征、應(yīng)用及研究進(jìn)展方面簡(jiǎn)述光子晶體理論；簡(jiǎn)述了當(dāng)前制備光子晶體的各種方法。 接著，介紹了激光直寫技術(shù)的基本理論及最新發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和工作方式，對(duì)存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了歸納分析，討論了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和今后的發(fā)展方向。 最后，利用具體 例子 介紹了激光直寫方法制備三維光子晶體的 方法 。傅立葉變換紅外光譜儀獲得的透射和反射光譜也表明，所得到的晶體結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果一致。 關(guān)鍵詞： 光子晶體 光子禁帶 激光直寫 三維全息 木堆結(jié)構(gòu) 面心立方結(jié)構(gòu) 目 錄 1 引言 . 4 本文的研究?jī)?nèi)容 . 4 光子晶體概論 . 4 光子晶體的概念 . 4 光子晶體的特征 . 5 光子晶體的應(yīng)用 . 9 光子晶體的研究進(jìn)展 . 9 光子晶體的制備方法 . 10 微加工方法 . 10 激光直接寫入 . 8 激光全息技術(shù) . 8 層疊方法 . 9 膠體晶體方法 . 9 2 激光直寫 技術(shù)概述 . 10 激光直寫技術(shù)的概念及發(fā)展歷程 . 10 激光直寫技術(shù)的基本原理 . 10 激光直寫系統(tǒng)的光路圖及實(shí)驗(yàn)裝置 . 11 工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)方式的分類 . 11 掃描方式及掃描光束的分類 . 14 數(shù)據(jù)輸入形式的分類 . 15 激光直寫技術(shù)存在的問(wèn)題 . 15 機(jī)械誤差 . 15 光功率控制 . 16 光學(xué)鄰近效應(yīng) . 16 小焦斑、大焦深 . 16 槽形的控制 . 16 輪廓深度與變形 . 17 焦斑整形 . 17 激光直寫技術(shù)的應(yīng)用范圍 . 17 各種掩模版的制作 . 17 二元光學(xué)元件的制作 . 17 激光直寫布線技術(shù) . 17 非球面檢測(cè) . 10 光變圖像器件 . 10 激光直寫技術(shù)的發(fā)展方向 . 10 3 激光直寫技術(shù)制備三維光子晶體的例子 . 11 備木堆結(jié)構(gòu)的三維光子晶體模板 . 11 飛秒激光雙光子光聚合微細(xì)加工技術(shù) . 11 飛秒激光雙光子光聚合機(jī)理 . 11 制備木堆結(jié)構(gòu)三維光子晶體模板的實(shí)驗(yàn)裝置 . 12 制備木堆結(jié)構(gòu)三維光子晶體的工藝流程 . 20 在掃描電子顯微鏡下的圖像顯示及分析 . 23 木堆結(jié)構(gòu)光子晶體的頻譜分析 . 23 結(jié)論 . 24 4 結(jié)束語(yǔ) . 24 致謝 . 26 參考文獻(xiàn) . 27 . 21 1 引言 文的研究?jī)?nèi)容 光子晶體屬于當(dāng)今世界上新興的科研領(lǐng)域。我們對(duì)于光子晶體的研究尚處于起步階段。本論文旨在簡(jiǎn)要介紹光子晶體的性質(zhì)及其發(fā)展，重點(diǎn)介紹激光直接寫入法在制備三維光子晶體領(lǐng)域的應(yīng)用。主要的章節(jié)安排如下： 第一章，介紹光子晶體的基本概念及其性質(zhì)與制備方法； 第二章，主要介紹激光直寫技術(shù)的原理、光路圖、實(shí)驗(yàn)裝置及其應(yīng)用范圍； 第三章，介紹激光直寫技術(shù)在制備三維光子晶體領(lǐng)域的應(yīng)用，并舉例說(shuō)明利用飛秒激 光器制備三維光子晶體的原理及主要過(guò)程； 第四章，本論文的總結(jié)以及對(duì)光子晶體制備技術(shù)研究的一些展望。 子晶體概論 通過(guò)控制電子的運(yùn)動(dòng)而發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體技術(shù)引發(fā)了信息行業(yè)的一場(chǎng)革命，把我們帶入了以電子為載體的信息時(shí)代，從真空管到大規(guī)模集成電路，引發(fā)了人類歷史上前所未有的變革。然而在納米區(qū)域內(nèi)，量子效應(yīng)及熱振動(dòng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，限制了半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)一步朝著高速度、高集成化方向的發(fā)展，決定了半導(dǎo)體器件的能力基本上已經(jīng)達(dá)到了極限。于是人們轉(zhuǎn)而把目光投向光子，提出了用光子代替電子來(lái)作為信息載體的設(shè)想。 與電 子相比，光子作為信息傳輸和處理的載體具有巨大的優(yōu)越性：光子運(yùn)動(dòng)速度快，基于光子的信息傳輸和處理期間將有比電子器件高得多的運(yùn)行速度；光子之間不存在相互作用，可以實(shí)現(xiàn)并行處理，交叉通過(guò)；光子有更多可以利用的資源，如振幅、相位、偏振等，存儲(chǔ)信息的能力更高，集成的途徑也更多。 利用光子代替電子傳遞信息，已經(jīng)成為信息業(yè)的夢(mèng)想之一。隨著光纖的使用，我們離夢(mèng)想已經(jīng)邁出了可喜的一步，但是信息的輸入和輸出光線依靠的仍然是傳統(tǒng)的電子器件，這大大限制了傳輸效率。而光子晶體的出現(xiàn)則可能改變這種狀況。由光子晶體做成的器件可以如人們所 愿的控制光子的流動(dòng)，就像半導(dǎo)體中的電子一樣。光子晶體的研究不僅僅是光通信領(lǐng)域內(nèi)的問(wèn)題，它同時(shí)對(duì)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)也將產(chǎn)生巨大的影響。這就是為什么光子晶體越來(lái)越引起人們關(guān)注的原因。 子晶體的概念 1987 年， 影響時(shí)，各自獨(dú)立地提出了 “ 光子晶體 ” 這一新概念 12。我們知道，在半導(dǎo)體材料中由于周期勢(shì)場(chǎng)作用，電子會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間有能隙 (如價(jià)帶與導(dǎo)帶 )。光子的情況其實(shí)也非常相似。如果將具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空 間按一定的周期排列 (如圖1)，由于存在周期性，在其中傳播的光波的色散曲線將成帶狀結(jié)構(gòu)，帶與帶之間有可能會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶的 “ 光子禁帶 ” (頻率落在禁帶中的光是被嚴(yán)格禁止傳播的 (如圖 2)。如果只在一個(gè)方向具有周期結(jié)構(gòu)，光子禁帶只可能出現(xiàn)在這個(gè)方向上。如果存在三維的周期結(jié)構(gòu)，就有可能出現(xiàn)全方位的光子禁帶，落在禁帶中的光在任何方向都被禁止傳播。我們將具有光子禁帶的周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為光子晶體(絕大多數(shù)光子晶體都是人工設(shè)計(jì)制造出來(lái)的，但是自 然界也存在光子晶體的例子，如蛋白石、蝴蝶翅膀等。 圖 1 光子晶體空間結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2 光子禁帶示意圖 子晶體的特征 光子晶體的最根本特征是具有光子禁帶，落在禁帶中的光是被禁止傳播的，因此光子晶體又被稱為光子帶隙材料。對(duì)于在所有方向上任意偏振模式都存在的光子帶隙，稱之為完全帶隙，反之則稱為不完全帶隙或贗帶隙。 出 1：光子晶體可以抑制自發(fā)輻射。我們知道，自發(fā)輻射的幾率與光子所在頻率的態(tài)的數(shù)目成正比。當(dāng)原子被放在一個(gè)光子晶體里面，而它自發(fā)輻射的光頻率正 好落在光子禁帶中時(shí)，由于該頻率光子的態(tài)的數(shù)目為零，因此自發(fā)輻射幾率為零，自發(fā)輻射也就被抑制。反過(guò)來(lái)，光子晶體也可以增強(qiáng)自發(fā)輻射，只要增加該頻率光子的態(tài)的數(shù)目便可實(shí)現(xiàn)。如在光子晶體中加入雜質(zhì)，光子禁帶中會(huì)出現(xiàn)品質(zhì)因子非常高的雜質(zhì)態(tài)，具有很大的態(tài)密度，這樣便可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)輻射的增強(qiáng) (如圖 3)。 圖 3 光子禁帶對(duì)原子自發(fā)輻射的影響 （ a）在自由空間；（ b）在光子晶體中（自發(fā)輻射被抑制） （ c）在有缺陷的光子晶體中（自發(fā)輻射被增強(qiáng)） 光子禁帶的出現(xiàn)依賴于光子晶體的結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)的配比。一般來(lái)說(shuō)，光子晶體中兩 種介質(zhì)的介電常數(shù)比越大，入射光將被散射的越強(qiáng)烈，就越有可能出現(xiàn)光子禁帶。影響禁帶存在的還有一個(gè)重要因素：晶體的幾何構(gòu)型。 1990 年，美國(guó)的何啟明 (陳子亭 ( 組第一個(gè)成功地預(yù)言了在一種具有金剛石結(jié)構(gòu)的三維光子晶體中存在完整的光子禁帶，禁帶出現(xiàn)在第二條與第三條能帶之間 (如圖 4)3。 1991 年在實(shí)驗(yàn)室中人工制造了第一塊當(dāng)時(shí)認(rèn)為具有完整禁帶的三維光子晶體。在一塊高介質(zhì)材料的底板平面上分布著呈三角點(diǎn)陣的空氣洞，以偏離中心軸 (與底板垂直 )35 度的方向?qū)?每個(gè)空氣洞鉆眼 3 次，這 3 次鉆入方向彼此夾 120 度角 (如圖 5)。從三維來(lái)看，這是一種面心立方結(jié)構(gòu) 4。但是后來(lái)的研究表明，這種結(jié)構(gòu)不存在絕對(duì)禁帶。天然的具有完整禁帶的三維光子晶體在自然界非常少，為了獲取符合我們要求的光子晶體，通過(guò)人工適當(dāng)?shù)馗淖円恍┚w的對(duì)稱結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一種可行而且實(shí)際有效的方法。 圖 4 三維金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體光子禁帶的計(jì)算結(jié)果 光子晶體由折射率為 球形介質(zhì)構(gòu)成金剛石結(jié)構(gòu)，分布在空氣中，介質(zhì)的填充比（所占空間體積的比）為 c/a， a 是晶格常數(shù)， c 是真空光速 圖 5 作的三維光子晶體 光子晶體的另一個(gè)主要特征是光子局域。 1987 年提出：在一種經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的無(wú)序介電材料組成的超晶格（相當(dāng)于現(xiàn)在所稱的光子晶體）中，光子呈現(xiàn)出很強(qiáng)的域 2。如果在光子晶體中引入某種程度的缺陷，和缺陷態(tài)頻率溫和的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦偏離缺陷處光就將迅速衰減。當(dāng)光子晶體理想無(wú)缺陷時(shí)，根據(jù)其邊界條件的周期性要求，不存在光的衰減模式。但是，一旦晶體原有的對(duì)稱性被破壞，在光子晶體的禁帶中央就可能出現(xiàn)頻寬極窄的缺陷態(tài) 如圖 3（ c） 。 光子晶體有點(diǎn)缺陷和線缺陷。在垂直于線缺陷的平面上，光被局域在線缺陷位置，只能沿線缺陷方向傳播。點(diǎn)缺陷仿佛是被全反射墻完全包裹起來(lái)。利用點(diǎn)缺陷可以將光“ 俘獲 ” 在一個(gè)特定的位置，光就無(wú)法從任何一個(gè)方向之外傳播，這相當(dāng)于微腔。 雖然光子在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與電子在半導(dǎo)體晶格中運(yùn)動(dòng)規(guī)律相類似，比如都出現(xiàn)了能帶和禁帶結(jié)構(gòu)，人們?cè)谘芯抗庾泳w是也常常采用固體物理的處理方法，借用了布里淵區(qū)、色散關(guān)系、布洛赫波等概念來(lái)討論光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但是由于光子是玻色子，電子是費(fèi)米子，同時(shí)考慮電磁波的矢量性，因此光子晶體 中光子與半導(dǎo)體中電子的性質(zhì)并不完全相同，他們之間的比較如表 1 所示。 表 1 半導(dǎo)體與光子晶體的比較 子晶體的應(yīng)用 通過(guò)上述對(duì)光子晶體重要特征的闡述，不難發(fā)現(xiàn)光子晶體的應(yīng)用范圍應(yīng)該是非常廣泛的。利用光子晶體具有光子禁帶這一基本性質(zhì)，可以將其用作光子晶體全反射鏡和損耗極低的三維光子晶體天線；利用光子禁帶對(duì)原子自發(fā)輻射的抑制作用，可以大大降低因自發(fā)躍遷而導(dǎo)致復(fù)合的幾率，設(shè)計(jì)制作出無(wú)閾值激光器和光子晶體激光二極管；通過(guò)在光子晶體中引入缺陷態(tài)，可以制造高性能的光子晶體光過(guò)濾器、單頻率光全反射 鏡和光子晶體光波導(dǎo)；如果引入的是點(diǎn)缺陷，則可以制作成高品質(zhì)因子的光子晶體諧振腔；而二維光子晶體對(duì)入射電場(chǎng)方向不同的 振模式的光具有不同的帶隙結(jié)構(gòu)，又可以據(jù)此設(shè)計(jì)二維光子晶體偏振片，只要這兩種偏振模式的禁帶完全錯(cuò)開(kāi)就可以獲得單一模式的出射光，這種偏振光具有很高的偏振度和透射率。當(dāng)然，綜合利用光子晶體的各種性能，還可以有其他更廣泛的應(yīng)用，如：光開(kāi)關(guān)、光放大器、光聚焦器等等。另外，如果用金屬、半導(dǎo)體與低介電常數(shù)材料組成光子晶體以及無(wú)序光子晶體，則都會(huì)因?yàn)槠涮厥饨Y(jié)構(gòu)而產(chǎn)生一些特殊性質(zhì)，從而能夠制造出一些新 型光學(xué)器件?？偠灾捎诠庾泳w的特點(diǎn)決定了其優(yōu)越的性能，因此它既有可能取代大多數(shù)傳統(tǒng)的 光學(xué)產(chǎn)品 ，其前景和即將對(duì)經(jīng)濟(jì)、對(duì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的影響是不可限量的。 子晶體的研究進(jìn)展 光子晶體的研究已經(jīng)開(kāi)展近二十年了，縱觀其發(fā)展歷程，可以將光子晶體研究領(lǐng)域分為如下幾個(gè)部分： 一、發(fā)展光子晶體的理論研究手段，改進(jìn)計(jì)算方法，設(shè)計(jì)或者優(yōu)化各種具有完全帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)，研究其能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性； 二、實(shí)驗(yàn)上制備各種結(jié)構(gòu)的一維二維或三維光子晶體。光子帶隙頻率從紅外、可見(jiàn)到紫外波段的光子晶體，探索各種引入缺陷的工 藝； 三、設(shè)計(jì)和制備各種基于光子晶體的光學(xué)器件，開(kāi)發(fā)光子晶體在集成光學(xué)系統(tǒng)，全光網(wǎng)絡(luò)、 微波 通訊等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。 這三個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展相輔相成、互相促進(jìn)，而其中三維光子晶體能產(chǎn)生全方向的完全禁帶，相比一維、二維光子晶體僅能產(chǎn)生方向禁帶，具有更普遍的實(shí)用性，因此占據(jù)了光子晶體研究中很大的份額。參考諸多公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，簡(jiǎn)單媒質(zhì)簡(jiǎn)單周期結(jié)構(gòu)三維光子晶體的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，該領(lǐng)域正在以器件化為指導(dǎo)，逐步向復(fù)雜媒質(zhì)復(fù)合周期結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，由膠體模板自組裝等純化學(xué)制備手段向物理化學(xué)方法相融合 的多元技術(shù)擴(kuò)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也由光電子器件、0 步拓展到光學(xué)探測(cè)、傳感等。 子晶體的制備方法 一維光子晶體和二維光子晶體的制備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，前者可以利用傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)，交替生長(zhǎng)兩種或者更多中不同介質(zhì)材料來(lái)制備；而后者可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工工藝，比如激光刻蝕、電子束刻蝕、反應(yīng)粒子束刻蝕、電化學(xué)刻蝕等工藝來(lái)制備。圖 6 人制備的一種多層聚合物反射鏡，這是一種可以提供寬帶反射的一維光子晶體器件 5。圖 7為 究所用光 i 二維 光子晶體，這種技術(shù)可以制備晶格常數(shù)為 500 8二維光子晶體，并且很容易在晶體結(jié)構(gòu)中制備出所需要的點(diǎn)缺陷或者線缺陷 6。 圖 6 一種多層聚合物反射鏡的原子力圖像 圖 7 利用光 i 二維光子晶體的掃描電鏡圖像 （ a）中有意制備了點(diǎn)缺陷 （ b）中有意制備了線缺陷 三維光子晶體的制備相對(duì)比較困難，尤其是在想讓它工作在更短波段的時(shí)候。目前，三維光子晶體的制備方法主要有： 加工方法 利用精密加工方法，可以制備晶格常數(shù)從毫米到厘米量級(jí)的三維光子晶體結(jié)構(gòu)。 例如將氧化鋁圓柱或者小球排列成為三維陣列，這些光子晶體只能提供位于微波波段的帶隙。圖 5 為 人制備出的一種三維光子晶體結(jié)構(gòu)，在一塊高介電系數(shù)介質(zhì)材料的底板平面上鉆出三角晶格排列的空洞，以偏離底板法線 35 孔 3 次，這三次鉆入方向之間彼此夾角 120 ，所獲得的光子晶體工作在微波波段。 光直接寫入 將激光光束聚焦到感光性樹(shù)脂材料上，調(diào)整激光束的強(qiáng)度，使之在聚焦區(qū)域的光強(qiáng)超過(guò)材料的感光閾值。這種方法原則上可以快速的制備出任意結(jié)構(gòu)的三維光子晶體。圖 8為 人利用激光直接寫入技術(shù)制備的 “ 木料堆 ” 結(jié)構(gòu)三維光子晶體 7。對(duì)于 種結(jié)構(gòu)可以提供相對(duì)寬度為 25%的完全帶隙。 圖 8 利用激光直接寫入技術(shù)制備的三維光子晶體 光全息技術(shù) 激光具有很好的空間相干性，多數(shù)激光能在空間形成駐波的周期性圖案。圖案的形狀取決于光束的數(shù)量，相對(duì)強(qiáng)度和空間取向等，周期取決于所用激光的波長(zhǎng)。通過(guò)控制激光在感光性材料中形成的干涉圖案，就能得到不同空間結(jié)構(gòu)的光子晶體。圖 9 人利用激光全息技術(shù)制備出的三維光子晶體 8。 圖 9 利用激光全息技術(shù)制備三維光子晶體 （ a）為激光束的空間配置示意圖， （ b）為該配置下制備出的三維周期性結(jié)構(gòu)圖 疊方法 這種方法是由 人提出來(lái)的，圖 10 為他們利用該方法制備的三維光子晶體 9。這種方法采用了逐層疊加的工藝，通過(guò)將許多層二維周期性結(jié)構(gòu)疊加在一起構(gòu)成三維光子晶體。層疊方法需要運(yùn)用鍍膜、光刻和腐蝕等一系列的過(guò)程，工藝比較繁瑣。 圖 10 人利用層疊方法制備的三維光子晶體 圖 11 （ a） 光子晶體， （ b）碳材料的反結(jié)構(gòu)三維光子晶體 體晶體方法 在膠體系統(tǒng)中，通過(guò)單分散性顆粒的自組裝形成三維有序結(jié)構(gòu)是獲得可見(jiàn)或更短波段三維光子晶體的有效方法。這種方法主要包括兩個(gè)過(guò)程：?jiǎn)畏稚⑿晕⑶虻墨@得及其有序化組裝。這種方法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，而且利用獲得的三維周期結(jié)構(gòu)做模板，填充其 它 高介電系數(shù)的 介質(zhì) 后再將模板移去，能夠得到性能更好的光子晶體。圖 11 人利用該方法制備的 光子晶體及反結(jié)構(gòu)的碳三維光子晶體 10，其周期在可見(jiàn)光波段。 2 激光直寫技術(shù)概述 光直寫技術(shù)的概念及發(fā)展歷程 激光直寫技術(shù) 11是隨著大規(guī)模集成電路發(fā)展于 20 世紀(jì) 80 年代中期提出的。激光直寫是一種制作光刻掩模、衍射元件等的新技術(shù)。激光直寫技術(shù)是將激光刻蝕、聲光調(diào)制、光束準(zhǔn)直以及計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)融為一體的技術(shù)。 所謂激光直寫，就是利用聚焦的激光光束，由計(jì)算機(jī)控制聲光調(diào)制器以及平臺(tái)的移動(dòng)，在光刻膠上進(jìn)行曝光，經(jīng)過(guò)顯影后得到所需要的圖形。迄今為止，美國(guó)、德國(guó)、瑞士、加拿大等國(guó)家已采用激光直寫設(shè)備進(jìn)行二元光學(xué)研究并成功研制了該類設(shè)備。美國(guó)的亞利桑那大學(xué)研制了大口徑極坐標(biāo)球基面激光直寫系統(tǒng)用于第二面鏡的非球面像差檢測(cè)，德國(guó) 海德堡儀器公司研制了光刻面積達(dá) 1000系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)也有多家單位進(jìn)行激光直寫系統(tǒng)、工藝的研究，浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院細(xì)微加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等在光刻技術(shù)、系統(tǒng)特性研究上去的一定的進(jìn)展，用激光直寫設(shè)備制作各類光刻掩模，通過(guò)多次套刻直接制作二元光學(xué)元件等，中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所實(shí)現(xiàn)了在曲面上的光刻直寫。此外，國(guó)內(nèi)還有許多高校和研究單位也在進(jìn)行雙光束激光立體光刻系統(tǒng)，用于制作激光數(shù)碼光變圖像，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備出口。 光直寫技術(shù)的基本原理 激光直寫是利用強(qiáng)度可變的激光束對(duì)基片表面的抗蝕材料實(shí) 施變劑量曝光，顯影后在抗蝕層表面形成所要求的浮雕輪廓。激光直寫系統(tǒng)的基本工作原理是由計(jì)算機(jī)控制高精度激光束掃描，在光刻膠上直接曝光寫出所設(shè)計(jì)的任意圖形，從而把設(shè)計(jì)圖形直接轉(zhuǎn)移到掩模上。激光直寫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 12 所示，主要有 光器、聲光調(diào)制器、投影光刻物鏡、 像機(jī)、顯示器、照明光源、工作臺(tái)、調(diào)焦裝置、 儀和控制計(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成。 圖 12 激光直寫系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 激光直寫的基本工作流程 12是：用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生設(shè)計(jì)的微光學(xué)元件或待制作的 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 成直寫系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)控制高精度激光束在光刻膠上直接掃描曝光；經(jīng)顯影和刻蝕將設(shè)計(jì)圖形傳遞到基片上。 圖 13 激光直寫系統(tǒng)制作的樣品（ a）光柵（ b）菲涅耳圓環(huán) 光直寫系統(tǒng)的光路圖及實(shí)驗(yàn)裝置 作平臺(tái)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)方式的分類 激光直寫系統(tǒng)按照工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)的方式可分為：直角坐標(biāo)方式、極坐標(biāo) 方式、直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)組合方式。 直角坐標(biāo)方式的激光直寫系統(tǒng) 13如圖 14 所示，將光刻膠基片至于 臺(tái)上，被聚焦的 光束（ =其進(jìn)行光柵式掃描并變劑量曝光。 臺(tái)置于 4個(gè)氣墊支柱支撐的花崗巖石平臺(tái)上，由線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并由激光干涉儀精確定位。用聲光調(diào)制器控制 光束的強(qiáng)度，經(jīng)物鏡聚焦于基片上，對(duì)光刻膠進(jìn)行變劑量曝光。想頭可檢測(cè)物鏡聚焦情況，并有壓電陶瓷控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦。該類激光直寫系統(tǒng)的典型工作參數(shù)如下： 臺(tái)的滑動(dòng)范圍為 300300態(tài)定 位精度 100態(tài)定位精度 150涉儀脈沖當(dāng)量 20光調(diào)制器控制激光束強(qiáng)度的變化為 256個(gè)灰階，物鏡的放大倍率為 50，焦斑大小 m，寫入速度 10mm/s，完成一個(gè) 10 3h。 直角坐標(biāo)方式的激光直寫系統(tǒng)是最典型的激光直寫系統(tǒng)，常用于大規(guī)模集成電路中專用芯片的小批量開(kāi)打和生產(chǎn)，適合制作各種線性的光學(xué)元件，譬如圖 2a）所示的光柵。其缺點(diǎn)是對(duì)制作具有中心對(duì)稱的光學(xué)元件時(shí)速度比較慢，且實(shí)際操作起來(lái)比較復(fù)雜、難以控制。 圖 14 直角坐標(biāo)方式系統(tǒng) 極坐標(biāo)方式的激 光直寫系統(tǒng) 14如圖 15 所示， 光束經(jīng)兩聲光調(diào)制器后，由高數(shù)值孔徑的物鏡匯聚，并由壓電陶瓷控制自動(dòng)聚焦于涂有光刻膠的基片上。當(dāng)聚焦光斑不動(dòng)時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)歲氣浮轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，使基片上的一個(gè)圓環(huán)等劑量曝光（ 數(shù)不變），此時(shí)曝光圓環(huán)的寬度等于聚焦光斑的大??；而一維平臺(tái)的線性移動(dòng)可聚焦光斑偏離回轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心，即改變基片上曝光小圓環(huán)的半徑，從而可對(duì)整個(gè)基片曝光。大動(dòng)態(tài)范圍聲光調(diào)制器隨著一維平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整光束強(qiáng)度，以滿足曝光強(qiáng)度的要求。因?yàn)楫?dāng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速不變，曝光圓環(huán)的半徑隨一維平臺(tái)的移動(dòng)而增大 時(shí)，若要得到等劑量的曝光，就只有增大激光束的強(qiáng)度。高速聲光調(diào)制器龍之激光束強(qiáng)度的變化，以產(chǎn)生256 個(gè)灰階的曝光計(jì)量。 圖 15 極坐標(biāo)方式直寫系統(tǒng) 直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)組合的激光直寫系統(tǒng) 15，如圖 16 所示，避免了單一直寫系統(tǒng)的缺點(diǎn)與不足，兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在 2002000直角坐標(biāo)范圍內(nèi)，以及在 400極坐標(biāo)范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)亞微米定位精度的激光直寫光刻。 圖 16 直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)組合的激光直寫系統(tǒng) 描方式及掃描光束的分類 激光直寫系統(tǒng) 按掃描方式可以分為無(wú)掃描方式和有掃描方式。最初的激光直寫系統(tǒng)采用無(wú)掃描的直寫方式，后來(lái)發(fā)展成有掃描的直寫方式，逐個(gè)圖形掃描而無(wú)需行程標(biāo)記。有掃描的激光直寫系統(tǒng)是對(duì)直角坐標(biāo)方式的激光直寫系統(tǒng)的改進(jìn)。一個(gè) 20 面的多面體以500r/s 的速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)掃描光學(xué)組后使被反射的光束形成 10掃描光束，在 y 方向形成 256 m 的寬度 范圍內(nèi)掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，被曝光的基片同時(shí)在 x 方向上勻速運(yùn)動(dòng)，從而合成基片上的任意圖形，完成預(yù)定的直寫設(shè)計(jì)。由于光線的掃描速度比 臺(tái)的移動(dòng)速度快，因而該系統(tǒng)可適當(dāng)提高直寫速度。 按照掃描光束形成的不同可分為單光束方式、雙光束方式。單光束掃描激光直寫系統(tǒng)是指在膠面上掃描的光束只有一束，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光束的強(qiáng)度，以對(duì)放置在電動(dòng)平臺(tái)上的光刻膠直接實(shí)施變劑量曝光，從而刻出連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是單一的光束相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，其缺陷是該系統(tǒng)對(duì)電子控制和機(jī)械的精度要求比較高而且掃描的速度比較慢。以指教坐標(biāo)方式的激光直寫系統(tǒng)為 例，如果系統(tǒng)的寫入速度為 5mm/s，完成一個(gè)1010頻為 500 線對(duì) /光柵曝光需要 2 3h。雙光束掃描激光直寫系統(tǒng)是指用激光干涉點(diǎn)作為激光直寫點(diǎn)，一個(gè)點(diǎn)含有數(shù)十條干涉條紋，同時(shí)條紋的密度可達(dá)亞微米，此系統(tǒng)在光刻等間距條紋是較單光束直寫系統(tǒng)在工作效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且基于光柵的衍射原理可以制作出具有體視變化的光變圖像。以蘇大維格公司研制的雙光束激光照排系統(tǒng)（如圖 17）為例，利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè) 1010光柵，光束聚焦點(diǎn)的直徑為 行速度為 40s，僅需 6 ，可見(jiàn)該系統(tǒng)比單光束直寫系統(tǒng)速度快的多。 圖 17 雙光束激光直寫系統(tǒng) 據(jù)輸入形式的分類 數(shù)據(jù)輸入形式有逐點(diǎn)輸入和面陣輸入。逐點(diǎn)輸入是指在計(jì)算機(jī)控制下按照一定的曝光步距以像素點(diǎn)的形式對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，通過(guò)像素見(jiàn)得重疊，可以使所有角和線的邊緣平滑，該方式的系統(tǒng)也成為逐像素掃描的激光直寫系統(tǒng)。線條的均勻性 與選擇的曝光步距有關(guān)，系統(tǒng)在光刻的過(guò)程中，曝光布局大小的選取由所寫圖形的線條寬窄和對(duì)線條邊緣平滑性的要求來(lái)決定。曝光步距選得越小，像素重疊部分越多，寫出的圖形線條越平滑，精度越高，但寫操作的速度越慢。前面所述的集中激光直寫系統(tǒng)可以說(shuō)都屬于逐點(diǎn)掃描直寫系統(tǒng)。 最近幾年，出現(xiàn)了逐個(gè)圖形曝光的激光直寫系統(tǒng)，其原理如圖 2示。這種直寫系統(tǒng)利用一個(gè)空間光調(diào)制器按輸入的 形數(shù)據(jù)對(duì)入射光進(jìn)行高速、高密度的可編程相位調(diào)制，在調(diào)制器的頂反射層得到一個(gè)由眾多像素構(gòu)成的相位圖。當(dāng)由激光光源產(chǎn)生的激光束入射時(shí)，通過(guò)分光鏡 將此相位圖映射到基片上，轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度調(diào)制的圖形，完成預(yù)定圖形的曝光。目前，根據(jù)此原理已研制出諸葛圖形曝光的直寫系統(tǒng)樣機(jī)。該樣機(jī)的調(diào)制器可以產(chǎn)生 512 464 個(gè)像素，每個(gè)像素的尺寸為 20 m 20 m，曝光圖像的頻率可達(dá) 130此速率可以在 1h 內(nèi)完成一個(gè) m 工藝的 100片的曝光。 圖 18 逐面積曝光激光直寫系統(tǒng) 光直寫技術(shù)存在的問(wèn)題 械誤差 光刻過(guò)程是指放置在電動(dòng)平臺(tái)上的光刻膠基片隨著電動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移，由聲光調(diào)制器控制光束的強(qiáng)弱對(duì)光刻膠進(jìn)行變劑量曝光。通常電動(dòng)平臺(tái)的定位精度達(dá)到微米或亞微米量級(jí)。由于慣性、靜摩擦、松動(dòng)等所造成的螺距誤差與偏移，將直接影響著系統(tǒng)的性能和光刻元件的質(zhì)量。如何利用伺服系統(tǒng)通過(guò)預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)電動(dòng)平臺(tái)的精準(zhǔn)定位也是直寫技術(shù)中需要考慮的問(wèn)題。 功率控制 激光直寫系統(tǒng)常用的光源是 光器，國(guó)產(chǎn)的 光器具有過(guò)量的噪聲輸出，其功率欺負(fù)可達(dá) 6%左右。給期間的加工質(zhì)量帶來(lái)誤差。此外，在不同半徑的環(huán) 帶上加工時(shí)，由于線速度、加工深度等因素的不同需要調(diào)節(jié)光功率。因此，對(duì) 光器功率穩(wěn)定的控制、噪聲的抑制以及實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)的研究有著重要的意義。目前，用光功率伺服系統(tǒng)可以起到好的光強(qiáng)控制效果。 學(xué)鄰近效應(yīng) 在激光直寫過(guò)程中，由于直寫激光束具有一定的焦斑直徑（激光波長(zhǎng)為 物鏡 的數(shù)值孔徑為 斑直徑約 m），因此該系統(tǒng)一般只能制作 1 m 以上的線條。若加工線條的特征尺寸小于 1 m 時(shí)，將出現(xiàn)明顯的鄰近畸變。引起激光直寫鄰近效應(yīng)的主要原因是激光焦斑本身有一定尺寸（愛(ài) 里斑分布）。 勻并導(dǎo)致抗蝕劑圖形的畸變，限制了直寫光刻的分辨率。激光直寫光學(xué)鄰近效應(yīng)的校正有幾種方法，其中縮小激光束的焦斑尺寸和改善焦斑的光強(qiáng)分布式減少臨近畸變最直接的方法。 焦斑、大焦深 根據(jù)圓孔的夫朗和費(fèi)衍射理論，當(dāng)平行光入射到聚焦物鏡時(shí)，焦斑的大小為愛(ài)里斑的直徑，它與物鏡的數(shù)值孔徑成反比，焦深與物鏡的數(shù)值孔徑的平方成反比。實(shí)際中我們往往需要得到線條較細(xì)、具有一定槽深得光學(xué)元件，因此要得到小焦斑、大焦深的光束是一對(duì)矛盾問(wèn)題。 形的控制 理論上，槽寬的大小 與聚焦光斑的大小相同。但實(shí)驗(yàn)中除了焦斑本身大小外影響槽寬的因素是多方面的，其中曝光強(qiáng)度和掃描速度是決定槽寬的兩個(gè)主要因素。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)掃描速度比較快時(shí)，由于系統(tǒng)的振動(dòng)將導(dǎo)致線條邊緣的起伏或波動(dòng)，平臺(tái)的移動(dòng)速度越大，激光光束的能量越低，這種現(xiàn)象越明顯，因此在最大的平臺(tái)平移速度下，減少激光的能量，獲得高質(zhì)量的線條邊界的可能性也隨之減小。要想獲得高質(zhì)量的槽形，必須使曝光強(qiáng)度和掃描速度相匹配，這也是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題。 廓深度與變形 激光直寫技術(shù)最大的問(wèn)題是不能精確的控制輪廓的深度。 加工輪廓的深度與曝光強(qiáng)度、掃描速度、抗蝕劑材料、顯影液配方和溫度狀態(tài)以及顯影時(shí)間等多種因素有關(guān)，任何一個(gè)因素的改變都會(huì)引起輪廓深度誤差，目前只能依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和恒定的工作條件來(lái)控制深度誤差。另外一個(gè)是連續(xù)輪廓器件共同面臨的問(wèn)題，由于抗蝕劑材料和基地的刻蝕速度不同會(huì)引起轉(zhuǎn)移輪廓變形，從而降低了所制作的光學(xué)元件的性能。 斑整形 激光直接光刻和離子刻蝕技術(shù)結(jié)合制作多臺(tái)階衍射光學(xué)元件中，由于焦斑光強(qiáng)一般類似于高斯分布，所以在基片上的光刻膠經(jīng)濟(jì)光直接寫入光刻、顯影后，常常存在側(cè)壁角，刻蝕出 的臺(tái)階也就會(huì)出現(xiàn)斜坡。經(jīng)過(guò)多次套刻（包括激光直寫光刻）后，由光刻引起的積累誤差加大，降低了元件的衍射效率。要解決上述問(wèn)題，較理想的激光直寫焦斑應(yīng)是陡邊、極小的平頂。因此如何獲得極小陡邊的平頂激光焦斑是非常重要的課題。 光直寫技術(shù)的應(yīng)用范圍 種掩模版的制作 激光直寫系統(tǒng)是用于制作光刻掩模的專用設(shè)備，主要用于制作集成電路掩模，0 用于制作二元光學(xué)掩模以及光柵、碼盤、鑒別率板凳其他特殊圖形掩模。 元光學(xué)元件的制作 傳統(tǒng)的二元光學(xué)元件的制作需要多次重復(fù)掩模圖形的 轉(zhuǎn)印和刻蝕（或薄膜沉積）過(guò)程。此外，用臺(tái)階行浮雕輪廓近似連續(xù)浮雕輪廓，本身就帶來(lái)誤差，要減少這種近似誤差，必須增加臺(tái)階數(shù)目。但隨著臺(tái)階數(shù)目的增加，圖形線條變細(xì)，對(duì)精準(zhǔn)度要求提高，加工更困難。采用激光直寫的方法制作二元光學(xué)元件，因其一次成形且無(wú)離散化近似，期間的衍射效率和制作的精度較臺(tái)階型器件有較大的提高。另外，利用這種設(shè)備生產(chǎn)的二元光學(xué)元件能簡(jiǎn)化望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而減輕其重量，并提高其分辨率。其生產(chǎn)的特種光學(xué)元件在民用和軍事領(lǐng)域有著極其廣闊的前景。 光直寫布線技術(shù) 當(dāng)前電 子產(chǎn)品一方面向超大規(guī)模集成化、數(shù)字化、輕量化發(fā)展，另一方面也稱小批量、多樣化、短時(shí)效的趨勢(shì)。使得傳統(tǒng)的印刷電路板制作工藝方法包括光化學(xué)發(fā)和模板（絲漏）漏印法已越來(lái)越不能滿足要求。由于激光直寫制版技術(shù)無(wú)需掩模，易于實(shí)現(xiàn)柔性化，且加工精度高、速度快、無(wú)污染、成本低，因此被認(rèn)為是最具有工業(yè)化前景的柔性布線技術(shù)而持續(xù)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。激光直寫技術(shù)還可以修復(fù)制備電路板、微電子集成電路時(shí)存在的大量短路和缺損，從而大大提高了工作效率。另外，利用與布線一樣的激光直寫技術(shù)還可以在集成電路中十分精密的鋪設(shè)電阻、電容等微電子 元器件。 球面檢測(cè) 非球面二面鏡特別是對(duì)大孔徑、高非球面性和具有高精度表面的非球面二面鏡的需求悅來(lái)越迫切，但由于其加工成本高和光學(xué)表面的高精度測(cè)量比較困難，因此大大地限制了它的應(yīng)用于發(fā)展，利用激光直寫系統(tǒng)可以在球星表面通過(guò)光刻的方法制作出具有特定波前的全息測(cè)試板，根據(jù)參考波前與被測(cè)光學(xué)表面反射回來(lái)的波前相互干涉的條紋圖樣，就可以判斷出二鏡面的表面誤差。這種測(cè)試方法不受震動(dòng)與觀察的影響，因此具有很高的精度與準(zhǔn)確性。 變圖像器件 雙光束激光直寫系統(tǒng)是正在發(fā)展中的系統(tǒng)， 利用 入技術(shù)，改系統(tǒng)能設(shè)計(jì)制作各種衍射效果的光學(xué)可變圖像，用于光學(xué)防偽領(lǐng)域。 光直寫技術(shù)的發(fā)展方向 到目前為止，逐點(diǎn)曝光的激光直寫系統(tǒng)現(xiàn)已基本成熟，而基于空間光調(diào)制器的逐個(gè)圖形曝光的激光直寫系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步的完善，在該領(lǐng)域進(jìn)的行雙光束 1 直寫的研究也是今后發(fā)展的主要方向之一。由于變灰度掩模法所具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，使其適合于快速、大規(guī)模地制作高性能、低成本的二元光學(xué)器件，因此利用激光直寫系統(tǒng)，特別是利用逐個(gè)圖形曝光的激光直寫系統(tǒng)制作高精度的灰度掩模，是今后研究