微纳光电子练习题.doc

一、 简答题：
1. 套准精度的定义,套准容差的定义。 大约关键尺寸的多少是套准容差.
套准精度是测量对准系统把 版图套准到硅片上图形的能力。
套准容差描述要形成图形层和前层的最大相对位移。
一般，套准容差大约是关键尺寸的三分之一。

2. 亚波长结构的光学特性。
亚波长结构的光学特性：
-- 光波通过亚波长结构时，光的衍射消失，仅产生零级反射和透射，等效为薄膜，可用于抗反射元件和双折射元件；
-- 采用空间连续变化的亚波长结构可获得偏振面的衍射，形成新型偏振器件；
-- 表面等离子波亚波长光学 利用表面等离子体波共振（ SPR）原理：波导，小孔增强，局域增强等

4. 微电子的发展的摩尔定律是什么?何谓后摩尔定律？
集成电路芯片的集成度每三年提高4倍， 而加工特征尺寸缩小倍， 这就是摩尔定律

5. 单晶、 多晶和非晶的特点各是什么？
单晶： 几乎所有的原子都占据着安排良好的规则的位置，即晶格位置； ——有源器件的衬底
非晶： 如SiO2, 原子不具有长程有序，其中的化学键，键长和方向在一定的范围内变化；
多晶： 是彼此间随机取向的小单晶的聚集体，在工艺过程中，小单晶的晶胞大小和取向会时常发生变化，有时在电路工作期间也发生变化。
6. 半导体是导电能力介于___导体_____和___绝缘体_____之间的物质；当受外界 光和热作用时，半导体的导电能力___明显变化______; _______往纯净的半导体中掺入某些杂质_______可以使半导体的导电能力发生数量级的变化。
7. 在光滑的金属和空气界面，为什么不能激发表面等离子体波？
对于光滑的金属表面，因为表面等离子体波的波矢大于光波的波矢，所以不能激发表面等离子体波。

8. 磁控溅射镀膜工艺中，加磁场的主要目的是什么？
将电子约束在靶材料表面附近，延长其在等离子体中运动的轨迹，提高与气体分子碰撞和电离的几率

9. 谐衍射光学元件的优点是什么？
高衍射效率、优良的色散功能 、减小微细加工的难度、独特的光学功能

10.描述曝光波长与图像分辨率的关系，提高图像分辨率，有哪些方法？
K1 is the system constant 工艺因子： 0.6～0.8
NA = 2 ro/D, 数值孔径
改进分辨率的方法
增加 NA 减小波长 减小 K1
11. 什么是等离子体去胶，去胶机的目的是什么？
氧气在强电场作用下电离产生的活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被带走；
目的是去除光刻后残留的聚合物

12. 硅槽干法刻蚀过程中侧壁是如何被保护而不被横向刻蚀的？
通过控制F/C的比例，形成聚合物，在侧壁上生成抗腐蚀膜

13. 折衍混合光学的特点是什么？
折衍混杂的光学系统能突破传统光学系统的许多局限，在改善系统成像质量减小系统体积和质量等诸多方面表现出传统光学不可比拟的优势

14. 刻蚀工艺有哪两种类型？ 简单描述各类刻蚀工艺。
干法刻蚀：在气态等离子体中，通过发生物理或化学作用进行刻蚀 
湿法刻蚀：采用液体腐蚀剂，通过溶液和薄膜间得化学反应就能够将暴露得材料腐蚀掉

15. 微纳结构光学涉及三个理论领域，其中标量衍射理论适用于设计___ d>=10λ___ 的微纳光学器件；矢量衍射理论适用于设计___ d～λ__的微纳光学器件；等效介 质折射理论适用于设计__ d<=λ/10 __的微纳光学器件。

16． 在紫外光刻中，正性光刻胶曝光后显影时将被__溶解___，负性光刻胶曝光 后显影时将被__保留下来__.

17. 光刻中， g 线波长是指_436_nm,i 线是指_365_nm。

18． 干法刻蚀中的负载效应是指__刻蚀速率和刻蚀面积成反比_.

19. 连 续 面 形 浮 雕 结 构 的 制 作 方 法 有 ： ______基于灰阶掩膜的投影法和采用电子束或激光束的束能直写法__.

20． 在下图中画出曝光后剩余的图形。 并指出曝光中驻波效应产生的原因 和解决办法。

正性光刻胶曝光显影时将被溶解，负性光刻胶曝光后显影时将被保留下来
在光刻胶曝光的过程中，透射光与反射光（在基底或者表面）之间会发生干涉。这种相同频率的光波之间的干涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整。
解决方案：a、在光刻胶内加入染色剂，降低干涉现象；b、在光刻胶的上下表面增加抗反射涂层；c、后烘和硬烘。
21． 何谓表面等离子体波，激发表面等离子体波有哪几种方法？为什么 说表面等离子体光学可以突破衍射极限？
（1）等离子体中粒子的各种集体运动模式   
（2） 棱镜耦合  波导结构   衍射光栅结构   强聚焦光束   近场激发   
（3） 垂直方向的传播是倏逝场

22. 为什么镀膜时镀膜室内要具有一定的真空度？
在真空条件下成膜可减少蒸发材料的原子分子在飞向基板过程中与分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应（如氧化等），以及减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与基板的附着力。

23. 何为反应溅射镀膜？
在溅射镀膜时，引入某些活性反应气体来改变或控制淀积特性，从而对薄膜的成分和性质进行控制

24. 制备连续浮雕面型结构有哪些方法？
基于灰阶掩膜的投影法
采用电子束或激光束的束能直写法

25.从微纳结构的光学原理出发解释孔雀的羽毛为什么会呈现不同的颜 色。
26. 简述采用 BOSCH 工艺制作高深宽比结构的技术原理。

二、 论述题：
1. 以图解形式描述二元光学原理， 并以八台阶为例简述器件的主要制作步骤。

上图为八相位微透镜阵列制作原理图。
制作工艺：先将基片清洗干净并吹干，在特定的位置涂覆光刻胶，将匀胶之后的基片进行曝光，之后再进行显影，反复多次就可以得到所需的透镜阵列。

2. 论述折衍混合光学元件的消色差和消热差原理。
消色差原理：衍射光学元件（DOE）具有负等效Abbe常数的特性，与折射光学元件相反，因此折衍混合可以消除色差。只需满足消色差方程即可：

消热差原理：对于折射光学系统，温度升高，折射率变小，光学系统光焦度变小，焦距变长，温度降低，焦距变小；衍射光学表面微结构对温度不敏感，且具有负热差特性，与折射光学组成折衍混合光学可消热差。

3. 何谓光子晶体？介绍光子晶体特点和应用。
①具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonic band gap) ，这种光子禁带材料就是光子晶体，是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。
特点  
②光子带隙：在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的 
光子局域：在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播
③光子晶体反射器件，偏振片，发光二极管，滤波器，光纤，非线性开关和放大器，激光器

4．试述相移掩膜方法提高光刻分辨率的原理。
示意图：
增加一层相移层能够使相邻掩膜移相180°从而实现相移掩膜。

5. 深硅干法刻蚀过程中形成高深宽比的方法。
对于高深宽比窗口，化学刻蚀剂难以进入，反应生产物难以出来。 解决办法：将等离子体定向推进到高深宽比窗口，离子方向性垂直表面。高密度等离子体。
6. 试述数字微镜器件（ DMD）的结构和工作原理。
DMD是二维可控微反射镜阵列。微镜单元用Si做基底，利用大规模集成电路技术在硅片上制出RAM，每一个存储器上有2条寻址电位，2条连接电极，2个支撑杆上通过扭臂链控制一个微型反射镜形成一个跷跷板的结果。 
DMD每个像素都是一个可以绕轴转动的微镜，微镜位置不同，反射光的反射角就不同。微镜的作用就相当于一个光开关。

7. 试述微测辐射热计器件采用热隔离结构的原因。
（1）机械支撑方面，支撑微辐射热计器件的敏感探测元件。 
（2）作为电子学通道，将热成像电子信号传递并读出。 
（3）热量传导时，是热量损失的重要通道。

8. 画图解释剥离（ Lift-off）工艺。

9. 电子束蒸发镀膜的优缺点。

10. 设计采用两种不同工艺制备周期为 500nm，占空比为 50%的金属一维光栅 的工艺方法。
11. 论述微透镜阵列光学扫描器的原理。
12. 论述微纳结构等效介质模型的主要内容。

三、 分析计算题：
1． 采用解析法设计一个主焦距长度为 1mm,通光口径为 0.3mm 的硅菲涅尔衍射 微透镜,采用 4 台阶量化方案，并给出掩膜版设计参数。设计波长为 4μ m，硅 的折射率为 3.42,设成像空间折射率 n=1。

2． 制作一个如下图的开孔结构，开孔口的宽度为 10μ m。假设采用<100>晶向 的硅晶圆片，各向异性腐蚀方法制作。试决定硅晶圆片背面的窗口尺寸 w.

3． 利用热熔技术制作一个口径为 60 微米,空气中焦距为 200 微米的胶微透镜， 假设胶体材料的加热后的体积收缩率为 5%， 而口径没有改变， 胶体热熔后材 料折射率为 n=1.4。试设计热熔前胶体的尺寸（直径和厚度）。

4. 如下图，将折射率为 3.5 的无损耗电介质用作为法布里-珀罗干涉仪，
（ 1） 计算自由谱范围（轴向横间隔）和干涉仪的带宽。
（ 2）如果环境介质替换成折射率 n>1 的介质，自由谱范围和干涉带宽该如何 变化？（解释）

5. 表面积为 100100μm2 的平行平板电容器由是 4 个悬臂梁支撑，平板材料为多 晶硅，厚度 T=2μm，平板底端与衬底间的距离 d=1μm，每根悬臂梁长度（ l）为 400μm，宽度（ w）为 20μm,厚度（ t）为 0.1μm。求在 1g 加速度时电容的相对 变化。（假设多晶硅的杨氏模量为 150GPa，密度为 2330Kg/m3，真空介电常数）