微纳结构在现代科学技术发展中占据着非常重要的地位,它具备体积小、重量轻以及易集成等优点,对于系统的微型化、节能以及稳定性的提升都有非常大的促进作用。在微系统的研究中,三维微纳结构器件以其独特的表面形貌以及功能特性受到了广泛的关注。然而,由于三维微纳结构特征尺寸极小,表面形貌复杂,其在制备过程中面临着诸多难题。为此,本文主要围绕三维微纳结构的高精度、高效率的加工与检测开展了如下相关研究。
首先,在三维微纳结构的加工方面,我们在DMD无掩模光刻的基础之上提出了单像素灰度调控三维光刻方法。该方法比起传统的分层叠加曝光方法而言省略了不必要的切片操作,只需单次曝光,因此实现起来更加简单、高效。另外由于调控像素点数量足够多,因此该方法能实现很高的调控精度。在此方法基础之上,我们提出了基于灰度标定的非线性补偿方法,利用灰度与曝光深度之间的标定曲线,实现了高精度的三维微纳结构加工。
这种方法能够有效避免光刻过程中的非线性效应给加工带来的不确定性,主要避免了因计算而引入的非线性误差。除此之外,在光刻胶的显影过程中,由于显影不均匀的影响,光刻胶上的微纳结构表面会存在一些微小的高低起伏变化,该变化会对器件的表面功能特性造成一些消极影
响。为此我们采用了适当热熔的表面形貌优化方法,通过分析光刻胶表面在不同热熔温度以及时间下的变化趋势,确定出最佳的热熔温度和时间方案,在确保光刻胶表面形变最小的前提下尽量提升微纳结构的表面粗糙度。实验结果表明,这种基于DMD单步无掩模灰度光刻的加工方法以及基于热熔的表面形貌优化方法在实现高精度的三维微纳结构表面形貌控制以及表面形貌优化方面具备很大的应用价值。
其次,在三维微纳结构表面形貌检测方面,我们在白光干涉空间频域算法的基础之上,围绕着测量精度与测量稳定性两个方面进行了相关研究。我们利用空间频域算法从干涉信号中同时提取出了相干形貌和相位形貌两种测量结果,其中相干形貌精度较低,却不包含2π相位模糊,相位形貌精度较高,但是包含2π模糊问题。为此,我们将两种测量结果进行了关联分析,通过消除相位形貌中的2π模糊从而获得了的高精度测量结果。测量过程中,我们提出了相邻像素点差分分析方法,能够有效消除由微小背景噪声以及复杂表面形貌引起的局部相位突变现象,对于测量精度以及测量稳定性有一定的提升。
此外,当背景噪声过大或是存在光源扰动等外界干扰因素时,干涉信号的质量较差,容易影响最终测量结果。为此,我们提出了基于空间调制度方法的背景噪声处理方法,通过引入空间调
制频率从而实现干涉信号与背景噪声信号在空间频域范围内的分离。该方法能够有效去除背景噪声以及外界其他干扰因素的影响,极大提升了干涉信号的信噪比,确保了最终测量结果的精度与稳定性。本文的研究内容不仅能够实现三维微纳结构的高效率加工与检测,同时还能够确保加工和检测的精度以及稳定性。
这些对于三维微纳结构的发展和应用都有极大的推动作用。
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