衍射光学分束器的性能表现，既依赖于优化的仿真设计方案，也深受材料选择与加工工艺的影响。当前相关研究多聚焦于通过理论仿真和设计优化追求高性能，而针对加工误差对器件性能影响的探索相对薄弱。光刻技术作为半导体加工领域的高精度核心技术，能够通过精细调节工艺参数，精准控制光致聚合物的折射率与高度，且适配衍射光学分束器的规模化制造需求。该技术可在单步加工中完成器件结构成型，减少高度误差的产生源头，降低其对器件性能的不利影响Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本文将详细阐述基于光刻技术的高精度微纳加工流程，实现了不同衬底上高精度和高冗余度衍射光学分束器的加工，通过严格把控工艺参数，提升器件实际性能与理论设计的契合度，同时系统介绍多种先进的表征技术（椭圆偏振光谱仪、台阶仪、共聚焦显微镜和扫描电子显微镜）在器件性能评估中的应用。这些研究成果为衍射光学分束器的进一步发展和应用奠定了坚实的基础，为后续的产业化和实际应用提供了重要的技术支持。

加工流程设计

衍射光学分束器微纳加工流程图

衍射光学分束器的性能受限于所选材料的特性与加工方法的精度。为尽可能减小加工误差对器件性能的影响，本文设计了一套基于紫外光刻技术的高精度加工工艺流程，涵盖衬底处理、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜七大关键步骤，各环节紧密衔接，具体如下：

衬底处理：选择硅晶圆和氧化铝晶圆作为衬底材料。在光刻前，进行氧气等离子体处理，并对晶圆进行旋涂 HMDS 处理，以增强光致聚合物的附着力；

涂胶：将光致聚合物均匀旋涂至已处理的晶圆上，光致聚合物将作为衍射光学分束器的功能层；

前烘：对涂胶后的晶圆进行前烘，促使光致聚合物中的溶剂挥发，降低溶剂残留浓度，从而增强光致聚合物与衬底之间的粘附力，提高光致聚合物的稳定性；

曝光：将前烘并冷却至室温的晶圆进行紫外曝光，通过紫外光照射改变光致聚合物的化学性质，从而将掩膜版上的图案转移到光致聚合物层中；

后烘：曝光后的晶圆需经过后烘，以消除曝光过程中产生的驻波效应，并提高图案的清晰度和稳定性；

显影：后烘并冷却至室温的晶圆进行显影，通过选择性地去除光致聚合物中特定的图案，形成所需要的衍射光学分束器结构；

坚膜：显影后的晶圆需要进行坚膜处理，去除溶剂和显影液的残留，并进一步提高光致聚合物的稳定性。

加工工艺研究

掩膜设计

掩膜版设计需与晶圆尺寸适配，本研究选择在4英寸（约 100mm）晶圆上加工衍射光学分束器，对应的掩膜版尺寸为5英寸（约 127mm）。单个芯片集成五大功能区域：

掩膜版图（a）单个衍射光学分束器（b）栅格测试结构（c）L 型测试结构（d）DOE名称（e）标志图案

光刻掩膜版结果图

衍射光学分束器主要功能结构区：基于设计的最小周期 90μm×90μm 进行周期化扩展，形成 3.6mm×3.6mm 的核心功能区，边缘设有 “十” 字结构标记，用于测试时的光源定位与对准。

栅格测试区：由线宽为 200μm、100μm、50μm、30μm、5μm、2μm 和 1μm 的正方形结构组成，方便后续用台阶仪测量光致聚合物高度，尤其适用于高深宽比特性器件的高度检测。

L 型测试区：包含线宽 5μm、2μm、1μm 的结构，线宽间缝隙分别为 1μm、2μm、3μm、4μm 和 5μm，既能观测与对比加工工艺稳定性，也能评估光刻工艺可实现的最小线宽。

芯片编号：按分束器阶数与结构类型命名，如 “DOE_3×3_1”，其中 “3×3” 代表分束器阶数，“1” 表示该类型的第一种结构，每种类型分束器设计 6 种不同结构。

标志图案：由 “BJTU” 四个字母组成，用于芯片的快速标识与区分。

整个 5 英寸掩膜版上，设计了 3×3、3×5、3×7、5×5、7×7 等多种类型的衍射光学分束器芯片，共计 30 个。为方便加工时晶圆的夹持操作，在晶圆边缘预留 5mm 空白区域。

正性光致聚合物和负性光致聚合物图案的区别

掩膜版设计与光致聚合物类型密切相关，光致聚合物分为正性与负性两类：正性光致聚合物经曝光后，受光照射部分会与显影液反应被去除，保留未曝光部分；负性光致聚合物则相反，曝光部分发生交联反应变得坚固难除，保留曝光区域。考虑到高精度衍射光学分束器对加工分辨率的要求，选用正性光致聚合物 AZ 12XP-20PL-10；而近折射率匹配衍射光学分束器第一层高度较厚，需采用负性光致聚合物 SU-8 2015 进行加工。

衬底选择与处理

硅晶圆和氧化铝晶圆的透射率测量

在衬底选择方面，考虑到衍射光学分束器为透射型器件，衬底的透射率直接影响其衍射效率。本文对比了硅晶圆与氧化铝晶圆的透射性能，测量结果显示，氧化铝晶圆在1550 nm波长处的透射率达86.25 %，显著高于硅晶圆的53.25 %。因此，氧化铝晶圆更适用于高效衍射光学分束器的制备。

加工步骤

衍射光学分束器加工

光刻工艺流程图

衍射光学分束器对光致聚合物的高度和折射率极为敏感，为精准控制这两个关键参数，需优化光刻过程中的各项加工参数，使光致聚合物的高度和折射率与理论设计值一致，从而实现器件性能最优化。

台阶仪测量结果：不同转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转速决定，同时受加工设备、环境温度和湿度等因素影响。为精准获取器件所需高度，通过台阶仪测试不同旋涂转速下光致聚合物的高度。在温度 20.6℃、湿度 35.0% 的条件下，制备不同转速的 AZ 12XT-20PL-10 光致聚合物薄膜。

光致聚合物高度和转速的关系

随着旋涂转速减小，光致聚合物高度逐渐增大，且变异系数（CV）逐渐减小，说明低转速下旋涂的光致聚合物高度均匀性更优。

近折射率匹配衍射光学分束器加工

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学分束器加工微工艺流程图

近折射率匹配衍射光学分束器的核心设计思路，是选用两种折射率接近的材料进行加工。光致聚合物凭借优良的光学性能和相近的折射率特性，成为实现这一设计的理想选择。SU-8 系列光致聚合物具有出色的高度控制能力，可实现 1μm 至 200μm 的高度范围加工，与近折射率匹配衍射光学分束器对第一层高度的精确控制要求高度契合。因此，选用负性光致聚合物 SU-8 2015 和正性光致聚合物 AZ 12XT-20PL-10 作为加工材料。

坚膜前后SU-8 2015光致聚合物的高度对比

结果显示坚膜前后高度基本保持不变，说明 110℃的坚膜处理对其高度无显著影响，因此可直接测量坚膜后 SU-8 2015 的高度作为器件第一层高度。

表征技术研究

基于光刻加工技术，成功实现了硅晶圆和氧化铝晶圆上衍射光学分束器的制备。但器件最佳性能的发挥，与结构层的折射率、高度和形貌的精确表征密切相关。为确保器件性能达到设计目标，需采用多种测试技术进行全面表征，并根据表征结果协同优化光刻加工参数，制备高性能衍射光学分束器。

基于改进型柯西模型的折射率测试

改进型柯西模型拟合方法（Model-2）测量SAM高度和折射率原理图

椭圆偏振光谱仪测量不同 PDB 温度下的折射率

不同 PDB 温度下椭圆偏振光谱仪测量和拟合数据，（a）没有进行 PDB（raw）（b）（c）（d）（e）分别进行了 40 ℃、80 ℃、120 ℃、160 ℃，5 分钟的 PDB，（f）不同 PDB条件测量光致聚合物的折射率

测量结果显示，不同温度条件下椭圆偏振光谱仪的测量结果与拟合结果高度吻合；未进行 PDB 处理时，光致聚合物的折射率最大，随着 PDB 处理温度升高，折射率呈一定上升趋势。将未进行 PDB 处理的光致聚合物折射率与datasheet参考值对比，发现实际测量值（1550nm 处为 1.564）稍大于参考值（1550nm 处为 1.543），误差为 1.36%，这将导致器件理想高度产生 265.7nm 的误差，因此不能直接使用 datasheet 提供的折射率，需通过实验精确测量。

椭圆偏振光谱仪测量两种光致聚合物的折射率

采用同样方法测量 SU-8 2015 光致聚合物的折射率，结果显示其在 1550nm 处的折射率为 1.536，与 AZ 12XT-20PL-10 光致聚合物的折射率差值为 0.028，根据相关公式计算，采用这两种光致聚合物加工的近折射率匹配衍射光学分束器的理想高度为 27.6786μm。

高度和形貌表征

衍射光学分束器的加工高度与理想高度的匹配程度，直接影响其性能发挥。在确定光致聚合物折射率后，需通过控制紫外光刻工艺参数，精确控制器件高度，以实现最佳性能。光致聚合物的高度不仅与旋涂转速相关，坚膜温度也会对其产生影响，因此需研究坚膜温度对光致聚合物高度的影响规律。

台阶仪高度校准结果和台阶仪测量台阶高度校准片结果

进行高度精确测量前，对Flexfilm探针式台阶仪进行严格校准，使用自带的台阶高度校准片（认证高度 980.8±5.2nm）进行五次重复测量，所有测量结果均落在标称高度范围内，测量误差为 1.22%，表明台阶仪经校准后可提供高精度的高度测量数据。

不同 PDB 温度对光致聚合物的高度影响，(a)不同 PDB 条件下整个晶圆和蓝宝石晶圆的高度测量结果，(b)不同 PDB 条件下硅晶圆和蓝宝石晶圆上单个衍射光学分束器的高度测量

显影后烘烤（PDB）可去除光致聚合物中多余溶剂，增强与晶圆表面的附着力，但高温会导致溶剂进一步挥发，使高度减薄。研究不同 PDB 条件对光致聚合物高度的影响发现，随着 PDB 温度升高，晶圆范围内光致聚合物的高度逐渐减薄，当温度升至 160℃时，高度较未进行 PDB 处理时显著变薄约 1μm；单个芯片范围内的高度变化趋势与整个晶圆一致。此外，PDB 温度变化会导致硅晶圆和氧化铝晶圆上光致聚合物的高度变化不一致，为减少高度变化的影响因素，后续研究中选择不进行 PDB 处理。

(a)在整个硅晶圆和蓝宝石晶圆上五个不同位置进行的高度测量结果(b)在硅晶圆和蓝宝石晶圆的单个衍射光学分束器芯片内测量五个不同位置的高度结果

对未进行 PDB 处理的晶圆，使用台阶仪测量整个晶圆和单个芯片范围内的光致聚合物高度：整个晶圆上选取中心位置和距离中心均匀分布的四个点进行测量，硅晶圆和氧化铝晶圆上光致聚合物高度的变异系数分别为 0.68% 和 0.86%，表明光刻工艺加工的光致聚合物高度在整个晶圆上误差较小；单个芯片内选取中心位置和左右均匀分布的两个位置进行测量，硅晶圆和氧化铝晶圆上芯片的平均高度分别为 6.8611μm 和 6.8828μm，接近理想高度 6.8706μm，变异系数分别为 0.44% 和 0.78%，说明单个芯片范围内光致聚合物高度基本一致，可降低高度变化对器件性能的影响。

硅晶圆上衍射光学分束器的高度（μm）

为探究高度对 3×3 和 3×5 衍射光学分束器性能的影响，加工了三种不同高度的器件：一种接近理想高度（6.8706μm），另外两种分别高于和低于理想高度。硅晶圆和氧化铝晶圆上光致聚合物的高度测量结果显示，加工高度均在 6.8μm 附近，且每个器件五个测量点之间的 CV 值均在 1% 以内，表明光刻加工方法能有效控制器件高度。

氧化铝晶圆上衍射光学分束器的高度（μm）

对 3×3 近折射率匹配衍射光学分束器的第一层高度进行精确测量，单个分束器内部选取五个不同位置测量，计算均值作为器件整体高度。结果显示，所有分束器高度的 CV 值均小于 1%，证明 SU-8 2015 光致聚合物加工的高精度；实际加工高度与理想高度（27.6786 μm）的差值分别为 117.8nm、241.8nm 和 532.8nm，后续将结合这些高度误差分析器件的高冗余度特性。

衍射光学分束器形貌表征

共聚焦显微镜观察栅格测试结构

采用共聚焦显微镜对光刻加工结果进行表征，分别观测栅格测试结构和 L 型测试结构，结果显示所有测试结构均完整实现。对 L 型测试结构的线宽和缝隙进行测量，发现 5μm、2μm、1μm 线宽的加工宽度均保持在设计值附近，表明光刻加工工艺能够实现器件较小特征尺寸的加工。

扫描电子显微镜观察（a）3×3，（b）3×5 衍射光学分束器结构。顶部插图：衍射光学分束器单个周期的放大倾斜视图

采用扫描电子显微镜（SEM）对加工器件进行进一步表征，结果显示 3×3 和 3×5 衍射光学分束器的实际加工特征尺寸分别为 3.94μm 和 11.54μm，与掩膜版设计的特征尺寸（3.61μm 和 11.40μm）非常接近，进一步验证了光刻工艺在高精度衍射光学分束器加工方面的有效性。从 SEM 倾斜视图可以观察到，器件侧壁十分垂直，有利于实现设计的光学性能。

本研究围绕衍射光学分束器的光刻加工与表征技术展开系统研究，构建了从掩膜设计、衬底选择与处理、具体加工步骤到多维度表征的完整技术体系。掩膜设计结合光刻工艺要求与器件功能需求，合理布局各功能区域，为后续加工与检测提供了有力支撑；衬底选择通过对比硅晶圆和氧化铝晶圆的特性，明确了高透射率衬底对提升器件衍射效率的优势；加工过程中通过优化旋涂转速、曝光能量、显影时间等关键参数，实现了光致聚合物高度和折射率的精确控制，成功制备出高精度和高冗余度的衍射光学分束器；表征技术方面，提出的改进型柯西模型显著提升了折射率测量精度，结合台阶仪、共聚焦显微镜等设备，全面掌握了器件的高度、形貌和表面粗糙度等关键参数。

研究结果表明，光刻技术能够实现衍射光学分束器的高精度加工，器件结构层加工精度达纳米级，芯片高度变异系数小于 1%；多种表征技术的综合应用为工艺优化和性能评估提供了可靠依据。本章的研究成果不仅明晰了各加工因素对器件性能的作用机制，也为后续衍射光学分束器的性能测试与实际应用奠定了坚实的技术基础。

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原文参考：《衍射光学分束器关键技术研究》