衍射光學分束器的性能表現(xiàn)，既依賴于優(yōu)化的仿真設計方案，也深受材料選擇與加工工藝的影響。當前相關研究多聚焦于通過理論仿真和設計優(yōu)化追求高性能，而針對加工誤差對器件性能影響的探索相對薄弱。光刻技術作為半導體加工領域的高精度核心技術，能夠通過精細調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，精準控制光致聚合物的折射率與高度，且適配衍射光學分束器的規(guī)模化制造需求。該技術可在單步加工中完成器件結構成型，減少高度誤差的產(chǎn)生源頭，降低其對器件性能的不利影響。Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準表征與關鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文將詳細闡述基于光刻技術的高精度微納加工流程，實現(xiàn)了不同襯底上高精度和高冗余度衍射光學分束器的加工，通過嚴格把控工藝參數(shù)，提升器件實際性能與理論設計的契合度，同時系統(tǒng)介紹多種先進的表征技術（橢圓偏振光譜儀、臺階儀、共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡）在器件性能評估中的應用。這些研究成果為衍射光學分束器的進一步發(fā)展和應用奠定了堅實的基礎，為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化和實際應用提供了重要的技術支持。

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加工流程設計

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衍射光學分束器微納加工流程圖

衍射光學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器件性能的影響，本文設計了一套基于紫外光刻技術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、堅膜七大關鍵步驟，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，進行氧氣等離子體處理，并對晶圓進行旋涂 HMDS 處理，以增強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分束器的功能層；

前烘：對涂膠后的晶圓進行前烘，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行紫外曝光，通過紫外光照射改變光致聚合物的化學性質(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，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分束器結構；

堅膜：顯影后的晶圓需要進行堅膜處理，去除溶劑和顯影液的殘留，并進一步提高光致聚合物的穩(wěn)定性。

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加工工藝研究

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掩膜設計

掩膜版設計需與晶圓尺寸適配，本研究選擇在4英寸（約 100mm）晶圓上加工衍射光學分束器，對應的掩膜版尺寸為5英寸（約 127mm）。單個芯片集成五大功能區(qū)域：

掩膜版圖（a）單個衍射光學分束器（b）柵格測試結構（c）L 型測試結構（d）DOE名稱（e）標志圖案

光刻掩膜版結果圖

衍射光學分束器主要功能結構區(qū)：基于設計的最小周期 90μm×90μm 進行周期化擴展，形成 3.6mm×3.6mm 的核心功能區(qū)，邊緣設有 “十” 字結構標記，用于測試時的光源定位與對準。

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

L 型測試區(qū)：包含線寬 5μm、2μm、1μm 的結構，線寬間縫隙分別為 1μm、2μm、3μm、4μm 和 5μm，既能觀測與對比加工工藝穩(wěn)定性，也能評估光刻工藝可實現(xiàn)的最小線寬。

芯片編號：按分束器階數(shù)與結構類型命名，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構，每種類型分束器設計 6 種不同結構。

標志圖案：由 “BJTU” 四個字母組成，用于芯片的快速標識與區(qū)分。

整個 5 英寸掩膜版上，設計了 3×3、3×5、3×7、5×5、7×7 等多種類型的衍射光學分束器芯片，共計 30 個。為方便加工時晶圓的夾持操作，在晶圓邊緣預留 5mm 空白區(qū)域。

正性光致聚合物和負性光致聚合物圖案的區(qū)別

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

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

襯底選擇與處理

硅晶圓和氧化鋁晶圓的透射率測量

在襯底選擇方面，考慮到衍射光學分束器為透射型器件，襯底的透射率直接影響其衍射效率。本文對比了硅晶圓與氧化鋁晶圓的透射性能，測量結果顯示，氧化鋁晶圓在1550 nm波長處的透射率達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分束器的制備。

加工步驟

衍射光學分束器加工

光刻工藝流程圖

衍射光學分束器對光致聚合物的高度和折射率極為敏感，為精準控制這兩個關鍵參數(shù)，需優(yōu)化光刻過程中的各項加工參數(shù)，使光致聚合物的高度和折射率與理論設計值一致，從而實現(xiàn)器件性能最優(yōu)化。

臺階儀測量結果：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)速決定，同時受加工設備、環(huán)境溫度和濕度等因素影響。為精準獲取器件所需高度，通過臺階儀測試不同旋涂轉(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分束器加工微工藝流程圖

近折射率匹配衍射光學分束器的核心設計思路，是選用兩種折射率接近的材料進行加工。光致聚合物憑借優(yōu)良的光學性能和相近的折射率特性，成為實現(xiàn)這一設計的理想選擇。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分束器對第一層高度的精確控制要求高度契合。因此，選用負性光致聚合物 SU-8 2015 和正性光致聚合物 AZ 12XT-20PL-10 作為加工材料。

堅膜前后SU-8 2015光致聚合物的高度對比

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

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表征技術研究

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基于光刻加工技術，成功實現(xiàn)了硅晶圓和氧化鋁晶圓上衍射光學分束器的制備。但器件最佳性能的發(fā)揮，與結構層的折射率、高度和形貌的精確表征密切相關。為確保器件性能達到設計目標，需采用多種測試技術進行全面表征，并根據(jù)表征結果協(xié)同優(yōu)化光刻加工參數(shù)，制備高性能衍射光學分束器。

基于改進型柯西模型的折射率測試

改進型柯西模型擬合方法（Model-2）測量SAM高度和折射率原理圖

橢圓偏振光譜儀測量不同 PDB 溫度下的折射率

不同 PDB 溫度下橢圓偏振光譜儀測量和擬合數(shù)據(jù)

測量結果顯示，不同溫度條件下橢圓偏振光譜儀的測量結果與擬合結果高度吻合；未進行 PDB 處理時，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。將未進行 PDB 處理的光致聚合物折射率與datasheet參考值對比，發(fā)現(xiàn)實際測量值（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，需通過實驗精確測量。

橢圓偏振光譜儀測量兩種光致聚合物的折射率

采用同樣方法測量 SU-8 2015 光致聚合物的折射率，結果顯示其在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)相關公式計算，采用這兩種光致聚合物加工的近折射率匹配衍射光學分束器的理想高度為27.6786 μm。

高度和形貌表征

衍射光學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，以實現(xiàn)最佳性能。光致聚合物的高度不僅與旋涂轉(zhuǎn)速相關，堅膜溫度也會對其產(chǎn)生影響，因此需研究堅膜溫度對光致聚合物高度的影響規(guī)律。

臺階儀高度校準結果和臺階儀測量臺階高度校準片結果

進行高度精確測量前，對Flexfilm探針式臺階儀進行嚴格校準，使用自帶的臺階高度校準片（認證高度980.8±5.2 nm）進行五次重復測量，所有測量結果均落在標稱高度范圍內(nèi)，測量誤差為1.22 %，表明臺階儀經(jīng)校準后可提供高精度的高度測量數(shù)據(jù)。

不同 PDB 溫度對光致聚合物的高度影響，(a)不同 PDB 條件下整個晶圓和藍寶石晶圓的高度測量結果，(b)不同 PDB 條件下硅晶圓和藍寶石晶圓上單個衍射光學分束器的高度測量

顯影后烘烤（PDB）可去除光致聚合物中多余溶劑，增強與晶圓表面的附著力，但高溫會導致溶劑進一步揮發(fā)，使高度減薄。研究不同 PDB 條件對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，當溫度升至 160℃時，高度較未進行 PDB 處理時顯著變薄約 1μm；單個芯片范圍內(nèi)的高度變化趨勢與整個晶圓一致。此外，PDB 溫度變化會導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)研究中選擇不進行 PDB 處理。

(a)在整個硅晶圓和藍寶石晶圓上五個不同位置進行的高度測量結果(b)在硅晶圓和藍寶石晶圓的單個衍射光學分束器芯片內(nèi)測量五個不同位置的高度結果

對未進行 PDB 處理的晶圓，使用臺階儀測量整個晶圓和單個芯片范圍內(nèi)的光致聚合物高度：整個晶圓上選取中心位置和距離中心均勻分布的四個點進行測量，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晶圓上誤差較小；單個芯片內(nèi)選取中心位置和左右均勻分布的兩個位置進行測量，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，可降低高度變化對器件性能的影響。

硅晶圓上衍射光學分束器的高度（μm）

為探究高度對 3×3 和 3×5 衍射光學分束器性能的影響，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量結果顯示，加工高度均在6.8 μm附近，且每個器件五個測量點之間的 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分束器的高度（μm）

對 3×3 近折射率匹配衍射光學分束器的第一層高度進行精確測量，單個分束器內(nèi)部選取五個不同位置測量，計算均值作為器件整體高度。結果顯示，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)將結合這些高度誤差分析器件的高冗余度特性。

衍射光學分束器形貌表征

共聚焦顯微鏡觀察柵格測試結構

采用共聚焦顯微鏡對光刻加工結果進行表征，分別觀測柵格測試結構和L型測試結構，結果顯示所有測試結構均完整實現(xiàn)。對 L 型測試結構的線寬和縫隙進行測量，發(fā)現(xiàn) 5μm、2μm、1μm 線寬的加工寬度均保持在設計值附近，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 衍射光學分束器結構。頂部插圖：衍射光學分束器單個周期的放大傾斜視圖

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對加工器件進行進一步表征，結果顯示 3×3 和 3×5 衍射光學分束器的實際加工特征尺寸分別為 3.94μm 和 11.54μm，與掩膜版設計的特征尺寸（3.61μm 和 11.40μm）非常接近，進一步驗證了光刻工藝在高精度衍射光學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，有利于實現(xiàn)設計的光學性能。

本研究圍繞衍射光學分束器的光刻加工與表征技術展開系統(tǒng)研究，構建了從掩膜設計、襯底選擇與處理、具體加工步驟到多維度表征的完整技術體系。掩膜設計結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)加工與檢測提供了有力支撐；襯底選擇通過對比硅晶圓和氧化鋁晶圓的特性，明確了高透射率襯底對提升器件衍射效率的優(yōu)勢；加工過程中通過優(yōu)化旋涂轉(zhuǎn)速、曝光能量、顯影時間等關鍵參數(shù)，實現(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分束器；表征技術方面，提出的改進型柯西模型顯著提升了折射率測量精度，結合臺階儀、共聚焦顯微鏡等設備，全面掌握了器件的高度、形貌和表面粗糙度等關鍵參數(shù)。

研究結果表明，光刻技術能夠?qū)崿F(xiàn)衍射光學分束器的高精度加工，器件結構層加工精度達納米級，芯片高度變異系數(shù)小于 1%；多種表征技術的綜合應用為工藝優(yōu)化和性能評估提供了可靠依據(jù)。本章的研究成果不僅明晰了各加工因素對器件性能的作用機制，也為后續(xù)衍射光學分束器的性能測試與實際應用奠定了堅實的技術基礎。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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費曼儀器探針式臺階儀在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，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
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內(nèi)領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

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