照明系统是光刻机的重要组成部分，其主要功能是对激光光束进行扩束、整形和匀光。石英晶体x晶向具有本征双折射特点，以其原理制作的偏振装置可实现对光束偏振态的控制，配合离轴照明，能够进一步提高光刻机照明系统的分辨率和成像质量。受传统石英晶体生长工艺和晶体自范性限制，用于偏振装置的大口径石英波片(＞50 mm)一直是石英晶体研究的难题。本文利用平行定向生长水热工艺，系统调整温度、压力、矿化剂种类和浓度、节流挡板开孔率等参数，成功合成了可用于193 nm波长的高透过率石英单晶，并加工出已知报道的最大尺寸160 mm石英波片坯料。实验过程中使用改进的框架籽晶法淘汰了可遗传腐蚀隧道缺陷，通过优化原料配比进一步降低Al3+、Na+等微量元素含量，控制升温曲线实现籽晶界面晶格匹配，从而淡化籽晶外延区域均匀性差异。对单晶样品进行微量元素含量、内透过率、双折射性能和光学均匀性表征，结果表明，石英晶体微量元素总含量控制在7×10-6以内，内透过率达到99.80%/mm，双折射率差不均匀性低于0.029 7%，140 mm有效通光口径内光学均匀性PV值达到3.9×10-6。

为了制备石英晶体谐振器，在石英衬底上采用光刻和电感耦合等离子刻蚀技术制备台阶形貌，研究了制备过程中激励电源功率、偏压电源功率以及导热物质等工艺参数对刻蚀效果的影响。并且利用扫描电子显微镜对刻蚀图形的表面形貌进行了观察，通过实验与分析得到了符合工业生产要求的工艺参数。最后在最优工艺参数条件下，制得了高约22 μm的整齐的台阶形貌，并将干法刻蚀的结果与湿法刻蚀对比，展现了干法刻蚀的特点以及干法刻蚀应用于工业化生产石英晶体谐振器的潜力。

石英晶体是一种重要的双折射材料，广泛应用于光学相关领域。石英晶体在宽光谱下的参数测量通常使用椭圆偏振法，但现有的椭偏测量仪器往往假定晶体的光轴与测量光路对准，从而引入测量误差，这一问题在紫外波段尤为显著。为此提出了一种采用椭圆偏振法精确测量石英晶体参数的穆勒矩阵模型，运用坐标变换和Berreman 4×4矩阵理论建立石英晶体参数与穆勒矩阵的关联，通过拟合计算可以得到晶体的厚度、光轴欧拉角和相位延迟量。实验结果显示，拟合得到的穆勒矩阵与测量结果高度一致，模型拟合的均方根误差<5，拟合厚度的相对误差<1%，拟合的欧拉角与测量结果吻合。该模型包含的信息丰富，拟合准确，对椭圆偏振法测量各向异性材料的精确参数具有重要参考价值。

石英晶体微天平(QCM）是一种传统的质量敏感型传感器, 具有灵敏度高及响应时间短等优点。为拓展QCM技术在液相生物分子传感领域的应用, 该文通过电化学方法在QCM表面沉积生物分子功能化的导电高分子后, 成功制备了链霉亲和素敏感的QCM传感器。该传感器不仅具有对链霉亲和素的质量和电化学复合敏感效应, 而且具有优异的抗其他蛋白干扰能力, 有进一步应用于液相生化传感和疾病检测的潜力。

针对考虑几何和材料非线性的石英晶体板厚度剪切振动和弯曲振动的方程组，利用扩展伽辽金法对该方程组进行转化和求解，分别获得了强烈耦合的厚度剪切振动模态和弯曲振动模态的频率响应关系，绘制了不同振幅比和不同驱动电压影响下的频率响应曲线图。数值计算结果表明可以选取石英晶片的最佳长厚比尺寸来避免两种模态的强烈耦合。驱动电压的变化将引起石英晶体谐振器厚度剪切振动频率的明显改变，必须将振动频率的漂移值控制在常用压电声波器件的允许值之内。扩展伽辽金法对石英晶体板非线性振动方程组的求解为非线性有限元分析和偏场效应分析奠定了基础。

石英晶体谐振器(QCR)是现代电子行业领域中一种不可缺少的电子元器件。通过计算并沉积不同形状及厚度的电极在具有某一基准频率的石英晶片上, 即可得到所需目标频率。受镀膜设备、掩膜板、晶体尺寸及镀膜位置等因素的影响, 很难精确地一次性得到目标频率, 特别是对于批量生产的石英谐振器, 要获得一致性很好的频率更难, 因此, 后期的频率微调很重要。频率微调法包括物理法和化学法, 一般通过改变石英晶片或电极的质量来实现升频或降频。该文首先综述了激光刻蚀和离子束刻蚀物理法升频技术, 然后结合相关技术的发展, 在论证可行性的基础上, 创新性地提出使用磁控溅射技术进行升频微调, 并建立了理论模型。

针对等离子体X射线成像诊断高空间分辨率的需求,本文提出了一种基于超环面石英晶体衍射聚焦元件的钛靶X射线高分辨率聚焦成像结构,研究分析了超环面晶体成像的原理及特性。为证明超环面晶体具有高空间分辨率特性,基于X射线衍射追迹原理对球面及超环面晶体的X射线衍射进行性能仿真,在保持射线源及成像物体不变的条件下,对比分析了不同晶体面形结构的衍射成像结果,计算得到球面晶体和超环面晶体在弧矢方向上的成像空间分辨率分别约为40 μm和5 μm。仿真结果表明超环面晶体作为X射线衍射分光元件较传统的球面晶体具有强聚焦、高空间分辨率的特点,是较为理想的X射线衍射分光元件。此外,本文利用特征峰能量为4.75 keV的钛靶激光装置、IP板以及超环面石英晶体完成了X射线背光成像实验研究,其中超环面石英晶体的子午面和弧矢面半径分别为295.6 mm和268.5 mm,晶格常数2d=0.2749 nm,实验获得了清晰的栅格成像图。实验结果表明该超环面石英晶体能够对钛靶X射线进行衍射成像,并能获得较高的成像空间分辨率。实验中获得的超环面石英晶体衍射的最终成像空间分辨率为10 μm。

分析并研究了瞬时热冲击之一的回流焊对石英晶体谐振器频率稳定性的影响, 综合已有研究经验和回流焊后频率的可恢复性, 推断薄膜应力是回流焊后频率稳定性的主要影响因子。通过试验发现, 薄膜溅射功率降至200 W或薄膜热退火温度升至350 ℃可有效改善回流焊后谐振器的频率稳定性, 回流焊后频率变化量降低(4~5)×10-6。采用显微拉曼光谱仪对回流焊前、后的石英晶片进行分析发现, 其在回流焊后的拉曼特征峰明显往高频移动, 推断是由于薄膜热膨胀引起的张应力增大而致石英晶片内压应力增加约8 MPa; 随冷却时间延长, 薄膜收缩而致石英晶片内压应力减小, 频率逐渐恢复。结果表明, 薄膜应力变化是回流焊对谐振器频率稳定性的影响机理。

石英晶体微天平(QCM)是一种高灵敏度的传感器, 通过建立QCM参数变化与被测粘弹性薄膜之间的关系, 可以对其进行量化分析及表征。该文基于石英晶体本构方程, 推导了在气相条件下, 不考虑电容效应的粘弹性薄膜吸附的QCM等效BVD模型, 给出了一个关于粘弹性薄膜物理性质的QCM等效参数与频率变化的显式表达, 揭示了粘弹性薄膜的损耗模量和存储模量在气相中产生“额外质量效应”的物理现象。与Arnau给出的EBVD模型相比, 该文推导的BVD模型具有更高的准确度。结果表明, 该模型可被应用于气相粘弹性薄膜的特性分析。

利用Mindlin一阶板理论分析了覆盖非等厚电极层的AT切石英晶体板的高频振动，获得了包含厚度剪切振动模态、弯曲振动模态、面剪切振动模态、拉伸振动模态和厚度扭转振动模态的色散关系和频谱关系。研究结果表明由于上下电极层的非等厚性，过去认为不耦合的两组振动模态变得相互耦合，必须进行联合求解。计算结果表明由于非等厚电极层的质量效应，各振动模态的频率均有所降低。根据石英晶体板高频振动的频谱关系图，可以选取石英晶体板的最佳长厚比作为谐振器的制造尺寸。获得的电极层厚度与频率变化关系可以用来指导谐振器电极层厚度设计。