针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题, 基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计, 实现测头与平台的集成, 并利用标准球对测量系统进行校准。为保证测量结果的可溯源性, 对定位平台三轴激光干涉仪的激光器进行了拍频。最后, 利用搭建的测量系统对高度10 μm,2 mm的超高台阶及硅臂卡爪的侧壁倾角进行了测量, 表明系统具备大尺寸结构的高精度测量和复杂MEMS器件特征尺寸的精确表征能力。

基于双面集成微结构薄片元件在集成光学成像、光束整形等方面的应用日益普及, 针对其中一些一体化、高深宽比结构在制作方面的难点问题, 本文提出一种无基膜支撑、高深宽比的双面集成微结构元件的制作新方法——紫外压印改进技术。通过该方法, 成功地制作了无基膜、高深宽比结构的集成导光板样品; 样品上下表面微结构形貌与金属模具在误差范围内保持一致, 转印复制过程的物理结构形变小, 且样品的厚度整体均匀、平整无翘曲。实验结果表明, 本文提出的紫外压印改进技术方法能有效地制作无基膜支撑、双面集成高深宽比的微结构元件, 可望在集成光学成像及光束整形、匀光、导光、聚光等光学器件制作领域有良好应用。

针对高深宽比非导电硬脆材料(如石英玻璃和陶瓷)微结构的加工需求, 对微细电解电火花切割加工方法进行了深入研究。首先, 提出了使用旋转螺旋微工具电极的电化学放电切割方法, 并对切割缝宽模型进行了讨论; 其次, 对旋转螺旋电极电解电火花切割加工工艺进行了深入的试验研究, 试验研究了加工电压、脉冲频率、占空比和主轴转速这些关键工艺参数对切割加工精度的影响。实验结果表明, 缝宽随着施加电压和占空比的增加而增加, 随着频率、主轴转速和进给速率的增加而减小。最后, 通过优化后的参数成功加工出缝宽为135 μm的微缝阵列、复杂的封闭微结构以及深宽比达6∶1的微图形结构。由此表明该方法是一种可有效加工高深宽比绝缘硬脆材料微结构的新工艺。

为改善电铸填充高深宽比纳米光栅结构时出现的空洞现象, 本文向电铸液中添加平整剂健那绿, 利用健那绿分子的静电吸附原理消除该工艺缺陷.结合纳米压印技术及电铸工艺, 在柔性基底上完成了纳米压印镍模板的复制.复制过程中, 首先通过热压将硅原始模板上的纳米光栅结构转移到聚合物基底上, 制作出压印所需的软模板; 然后采用溅射工艺在聚合物基底纳米结构表面沉积镍种子层并通过电铸工艺完成纳米光栅结构的填充及复制模板背板的生长; 最后将铸层与聚合物基底进行分离.通过此工艺, 成功复制了一块带有6个1.3 mm×1.3 mm纳米光栅区域的纳米压印镍模板, 模板表面光栅周期为201 nm, 线宽98 nm, 深度104 nm.与原始硅模板相比, 复制模板特征尺寸偏差在5%以内, 表明复制模板特征尺寸与相应原始模板特征尺寸之间有良好的一致性.热压实验后复制模板表面光栅结构周期无偏差, 线宽偏差在2%以内, 实验结果表明复制的纳米压印模板机械强度足以适用于热压过程.

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅.采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题.由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题.在去胶工序中,采用“超声-浸泡-超声”循环往复的方法.最终,制作了周期为130 μm、凸台长宽高为900 μm× 65 μm×243 μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17 nm.本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案.

利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了具有高深宽比的金光栅, 使用傅里叶变换红外光谱仪测得了反射谱线.测量结果显示,只在p偏振光垂直于光栅矢量方向入射条件下才存在共振反射峰, 证明了“伪表面等离子体激元波”的存在.基于严格耦合波分析理论计算了金属光栅的反射率, 研究了其作为中红外波段波长调制型表面等离子体共振传感器的可行性.数值计算表明负级次衍射光波对应的共振反射峰的移动能获得较高的波长灵敏度.对于深宽比为10的金光栅结构, +1级次和-3级次衍射光波对应的波长灵敏度分别为1600 nm/RIU和5000 nm/RIU, 品质因子分别为20 RIU-1和60 RIU-1.