为了实现掩膜面的均匀照明, 采用非球面技术对浸没式光刻照明系统中会聚镜进行了设计, 并对影响系统远心度的误差源进行了分析。设计的会聚镜数值孔径的一致性偏差在0.2%以内, 像方远心度小于0.2 mrad, 以系统的远心度变化0.1 mrad, 数值孔径一致性变化0.1%, 点列图变化20 μm, 焦距变化0.1 mm为公差基础值, 计算出会聚镜的厚度公差为±0.02 mm～±0.05 mm, 单面倾斜10″～20″。该浸没式光刻照明系统中会聚镜的设计合理, 制定的公差可行, 能够满足硅片面上照明非均匀性小于3%的要求。

采用808 nm大功率半导体激光器巴条进行了封装实验,对影响封装质量的两个重要因素,即管炉温度和烧结时间进行了优化。结果表明,在管炉温度为650 ℃、烧结时间为100 s时,焊料层界面空洞最少,半导体激光器巴条的smile效应值最低,阈值电流最小,波长更加稳定,烧结质量最优。

设计并实现了一种高功率、高光场均匀性的蓝紫光半导体激光器。采用光纤耦合技术, 将28只输出功率为350mW的半导体激光器的输出激光, 通过非球面透镜分别耦合进纤芯直径为400μm、数值孔径为0.22的光纤中, 光纤经捆绑合束进行功率扩展后输出功率达8.1W。利用Zemax软件设计了复眼透镜组对激光光场进行整形匀化, 仿真结果表明, 光场均匀度从匀化前的48%提高到匀化后的86%, 实验测量光场均匀度达到84.4%。为高精度3D打印技术提供了一种理想光源。

研究了NA1.35浸没式光刻照明系统中照明模式变换模块的设计和测试。采用衍射光学元件实现包括传统照明、二极照明、四极照明的照明模式变换系统的设计和分析。给出了不同照明模式的衍射光学元件的设计结果, 并对设计结果进行了模拟分析和实验分析, 证明了设计的可行性。研究结果表明: 当输入光场被分割的阵列数为20×20单元时, 二极和四极照明模式下衍射元件台阶数为32, 传统照明模式下台阶数为128的情况下, 衍射光学元件作为照明模式变换器的均匀性及衍射效率都能够满足设计要求。从原理、实验上验证衍射光学元件激光模式变换器设计的正确性及可行性。研究结果能够应用于浸没式光刻照明系统中照明模式变换结构中, 具有一定的理论价值和工程意义。

利用石墨烯与金属相结合的方法提出了一种新型超材料吸波体结构,通过改变外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级,在微波段分别实现了单频和宽频的振幅可调性,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理。对单一频段下的超材料结构进行了模拟仿真,结果表明,当结构参数不变时,吸波体的吸收强度随石墨烯费米能级的增加而不断减小,最大调制深度达到了58.6%。当石墨烯费米能级为0 eV时,吸波体的中心频率随结构参数的改变而改变。基于多吸收峰叠加扩展带宽的原理,利用不同尺寸单元的排列实现了宽频吸波的特性,并通过仿真模拟证明了该宽频吸波体具有振幅可调的性质。

为提高发光二极管(LED)光提取效率,根据等效介质理论在LED钝化层(SiN_x)表面设计并制作了一种截头圆锥形微结构阵列。通过模拟重点分析了微结构的底面占空比、底面直径、高度和倾角对提高LED光提取效率的影响,得出微结构的底面占空比为0.55、底面半径为220 nm、高度为245 nm、侧面倾角为70°时器件的光提取效率最优,是无表面微结构器件的4.85倍。采用纳米球刻蚀技术在LED钝化层表面制备该亚波长纳米结构,并与无表面微结构的LED芯片进行电致发光对比测试。结果表明,制作有微结构的样品在20 mA和150 mA工作电流下的发光效率是无微结构参考样品的4.41倍和4.36倍,计算结果与实验结果比较一致,说明在LED钝化层制作该结构可有效提高光提取效率。

为解决石英非球面微透镜阵列加工所面临的工艺可控性差且面型精度不高这两大难点，提出了一种基于车削掩模刻蚀的石英玻璃元件制作方法。该方法主要使用了单点金刚石车削加工技术与反应离子刻蚀技术，研究了掩模材料车削及刻蚀性能，并利用实验优选出掩模材料，最后进行了面积为5 mm×5 mm石英玻璃非球面微透镜阵列的制备。通过实验结果与预期参数进行对比，分析表明，该方法制作的石英玻璃元件误差均方根为1.155 nm，面型精度误差0.47%。

为提高单层石墨烯薄膜电控太赫兹调制器的调制深度, 提出一种臂型金属网格微结构与石墨烯结合的太赫兹波透射调制器件.通过臂型金属网格结构激发的共振耦合场增强石墨烯与太赫兹波的相互作用, 使石墨烯在外加电压调制下对太赫兹波透射幅度的调制深度获得大幅提升.通过有限元仿真分析了金属结构参数对石墨烯与太赫兹波相互作用增强规律的影响, 理论结果表明, 臂型网格结构使石墨烯对太赫兹波透射幅度调制深度从7.7%提升到了28.2%.在理论结果的基础上, 基于光刻工艺完成了器件的结构制作, 实验测试中获得了24%的太赫兹幅度调制深度, 且调制深度曲线与理论仿真规律基本一致.

设计了一种非球面变焦光学系统, 解决了NA 1.35浸没式光刻照明技术中内外相干因子调节、能量利用率不足、模块使用寿命短的问题, 所设计的非球面变焦系统包括三个镜组、光阑面和像面.系统入瞳直径42 mm, 视场角1.89°, 实现焦距范围700 mm~1 830 mm, 变倍比2.61, 共使用七片透镜, 并在三个凹面表面采用了非球面设计.设计结果表明, 该系统成像质量优良, 点列图均方根直径均小于40 μm, 畸变均小于0.5%, 设计结果满足浸没式光刻照明系统的使用要求.

在超大规模集成电路中, 为满足数值孔径为1.35、波长为193 nm的光刻曝光系统45 nm的成像分辨率要求, 设计了一种新型光可变衰减器, 用于控制系统的光能透射率, 调整曝光能量。该衰减器在光入射角为20°~40°时, 衰减面的平均透射率呈线性变化并从95%降低至8%, 同时保证其余三个表面的光能损失均低于1%。设计和制作了光可变衰减器的光学薄膜, 其基底材料选择熔融石英, 膜层材料采用LaF3和AlF3。实验测试了光可变衰减器系统性能, 测试结果显示该系统的光能透射率在8%~90%范围内连续可调, 实验结果满足设计要求。与传统光可变衰减器相比, 该系统可调制衰减范围更大, 衰减量更稳定, 具有一定的应用价值。