电子科学与技术系实验指导书

电子科学与技术系专业实验指导书

实验一发光强度的定标..........................................................2

实验二湿法光刻技术实验........................................................5

实验三2048位线型CCD转移效率测试............................................8

实验四相衬干涉显微镜的使用及对纤维光学元件的测量............................11

实验五红外探测器D*测量......................................................15

实验六Pbs探测器光谱响应度测试...............................................18

实验七光通量测量.............................................................19

实验八用双色法测量鸨丝灯的温度..............................................23

实验九红外变象管积分灵敏度和红外灵敏度的测量................................27

实验十红外辐射源能量光谱分布测试............................................30

实验十一黑体实验.............................................................32

实验十二棱镜耦合法测量平面光波导的传输模式..................................35

实验十三半导体激光器主要参数的测定..........................................37

实验十四电子滤波器设计与特性参数测试........................................39

实验十五红外热像仪参数测试...................................................40

实验十六光学纤维端面耦合的实验研究..........................................41

实验十七光学纤维数值孔径和损耗系数的测量....................................43

实验十八固体激光器的装调.....................................................45

实验十九被动调Q激光器的输出特性............................................47

实验二十固体激光器调Q实验..................................................51

实验二一固体激光器倍频实验...................................................53

实验二二固体激光器装调实验...................................................54

实验二三固体激光器输出特性测量..............................................56

实验二四衍射光强测量实验.....................................................58

实验二五偏振光调制实验.......................................................61

实验二六色度的实验研究......................................................64

实验一发光强度的定标

(-)实验目的：

1、熟悉陆末(Lummer)-布洛洪(Brodhun)光度计的构造原理。

2.掌握用光度计测定电灯的发光强度及光强分布曲线的方法。

实验原理：发光强度的测定是依照笃定率为依据的。按照照度定律，在点光源的情况下，假

定光线垂直的照射在某一表面上，则该表面上的照度E与光源发光强度I成正比，而与光源

E=—2

到该表面的距离r的平方成反比，即厂(1-1)

由(1T)式知道，若采用比较法，使两个不同光源在广度记得某一表面上产生的照度相等,

如其中一个光源的发光强度为一知，另一个光源的发光强度就可确定。例如两个光源的发

光强度分别是L和12,它们到光度计的距离分别为彳和［(图1-1)。于是，当光度计中

F二F

两相接市场上的照度相等(I2)时，则有

2(1-2)

由此可得：

I(1-3)

通常用一己校验过的电灯作为标准灯(即其发光强度L是已知的)，只要测出照度相等时的

距离彳和、，就可根据(1-3)式算出待测电灯的发光强度,2。

(二)实验设备：

仪器和用具：

1、陆末-布洛洪光度计；2、光具座；3、标准光；4、待测光；5,垂直灯座；6、附有

刻度盘的灯座；7、交流伏特表(0—150/300V)两只；8,交流安培表(0—0.5A)两只；9

、调压变压器两只；10、照度计。

基于比较法的光度计，都是使所要比较的两个广元(一个是标准的。另一个时代测的)所发

出的光通过一定的光路分别照亮统一表面，并使这两个照亮区域的边缘相接，利用两区域照

度相等时边界线消失的现象，定出待测光源的发光强度。光度计的种类很多，本试验使用的

是陆末-布洛洪光度计，其外形和结构如图1-2(a)和(b)所示意。从所比较的光源乙和乙2

来的光线，分别从左、右两窗口空进入匣内，并投射到石膏制成的漫射屏S上，山屏漫射出

来的光线分别在两个全反射棱镜（或平面镜）"I和"2上反射后投射到特制的玻璃快C

上。观察着E在侧面的望远镜T中可以同时观察到山屏S的两表面反射过来的光线。玻璃块

PP

C是由两块直角棱镜।和2平合而成，其中一块棱镜的斜面上蚀刻有一定的徒刑。如有漫

射屏S的两面照度不相等，则蚀刻的图形将显现，如图『3（a）和（c）所示；当两面的照度

相等时，图形则消失，如图1-3（b）所示。图形中A和a为来自右方广院所照明的视场，B

和b为来自左方光源所照明的视场，因四者相互衬托，其照度是否相等就更容易判断了。为

1

「C

了便于比较，另有两块可转动玻片«和2起着背景反衬的作用。

另一种陆末-布洛洪光度计的结构稍有不同，玻璃块c是由不同的两块全反射棱镜《和

p2组成，棱镜,p2是通常的平底面全反射棱镜，棱镜p、的底面为球面，且球底面的中心部

分被切割成平面，两棱镜经过精细研磨达到“光学接触”（光胶合）。如图-4所示。

由于接触面呈圆形，因此•般将观察到图1-4右方（a）殉（c）所示的图形，一暗圆印

在一明环内。或一明原因在一暗环内。而当屏s两面的照度相等时，视场将是均匀照明的，

如图1-4（b）所示。

测量是通过比较漫射屏S的两面的亮度进行，如果两面的亮度相同，而其反射系数已相

FF

等，则照度।等于照度2。为了校正两个面的反射系数的差别，光度计可绕水平轴线

HH'翻转180°,分别在两个位置进行测量，然后由这两组结果取其平均值。

三、实验步骤与内容：

1.在光具座上的两端插座上放好标准灯七1和待测等七。使两光源在光具座上相距

最远。其中标准灯安装在垂直灯座上，而待测灯安装在可绕水平州县旋转且附有刻度盘的旋

转灯作上竖放，如图1-5所示，并使指针对准刻度盘上0°处。再在两灯之间放置光度计P

（图1-6）,调节两灯座的高度，使两等于光度计的窗孔等高，以使光线能垂直投射到光度

计的漫射屏上。

TT

2、按图16接好线路，调节调压变压器I,使标准灯।的电压升至额定值（这样点

IT

燃,他的发光强度।才为已知），并在实验过程中始终保持这电压不变；同时调节变压器2,

使待测灯L的电压保持在200伏特。

3、左右移动光度计P,以使光度计中市场两部分的照度相等，从光具座的标尺上读出

两光源与广度及之间的距离彳和乙，然后把广度既然水平轴转过180°,在找出光度计中

rr

视场照度相等的位置，并读出两光源与光度计之间的距离।和2。由这两组数据取其平均

值，并代入（1-3）式算出待测灯的发光强度,2。

保持标准灯之光度计的距离1不变，只改变待测灯的位置，重复试验三次，测出待测光

的发光强度（取其平均值）。

4.转动灯座，使待测灯然水平轴转过-角度，仿照上述步骤，测出光度计中视场照度

相等使待测灯与光度计之间的平均距离2,并根据（1-3）式算出待测灯2在它对于光度

计所在的方位上的发光强度，每次旋转30°,直至一周，即可得到待测灯在铅直面内各个

方向上的发光强度。以矢径长表示发光强度，将所得结果在极坐标纸上划出待测灯发光强度

的分布曲线。

5,将待测灯七的方位固定，逐步改变其电压，每次10伏特，从220伏特逐步降到180

TVA

伏特，用光度计测出每个电压知识等2的发光强度I,并记下各次伏特表,2和安培表八2

的读数，算出每次测量时的电功率W。以电功率W为横坐标，该特定方向的发光强度I为

纵坐标，画出发光强度与电功率的关系曲线。

6,用照度计测出离待测灯（在220伏特时）•定距离时的照度。并由此算出待测灯的

发光强度，经此结果与由步骤3测得的数据进行比较。

实验二湿法光刻技术实验

湿法光刻即光学光刻，是通过光学系统以投影的方法将掩模上的各种结构“刻”在涂

有光刻胶的材料匕是•种半图形复印和腐蚀相结合的精密表面加工技术，在半导体管芯分

割平面管，集成电路，集成光路生产研制中，光刻的目的是按照设计的要求，在衬底材料上

或金属膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属膜布线的目

的。

限制光刻所能获得最小特征尺寸直接与光刻系统所能获得的分辨率相关，而减小光刻

的波长是提高分辨率的最有效途径。通常的光刻机采用紫外线接触曝光光刻法。此外，也相

继出现了X射线曝光和电子束曝光法，以及粒子束曝光法、极紫外曝光法。本试验让同学掌

握最基本的光刻工艺过程。

-、试验目的

1.了解光致抗蚀剂的种类和感光机理

2.掌握光刻工艺原理

3.光刻工艺质量分析

二、试验原理

光刻胶是一种有机高分子化合物，它主要由碳，氢等元素所组成，它的分子量很大，可以是

几百、几千、儿万以至几十万，没有确定的数值。由于光刻胶的内部结构存在着可变因素，

所以一经变化，其结构上的物理和机械等性能都将发生相应的变化，例如，山可溶性变为不

可溶性或相反的过程，利用这种特点，我们就可以在衬底基片上制造出各种所需的图形，光

致蚀剂在外界因素（如光、热）的作用下，由可溶性转变为不可溶性，或山不可溶性转变为

可溶性，达到在衬底片上复印图形的目的。

1.负性光致抗蚀剂

光致蚀剂在暴光前对某些溶剂是可溶解的，暴光后硬化成不可溶解的物质，这一类光

致抗蚀剂作为负性光致抗蚀剂，山此组成的光刻胶称为负性胶。目前，他主要有聚肉桂酸脂

类，聚脂类和聚烧类等。由于这种抗蚀剂和衬底材料，特别是金属衬底材料的黏附性较好，

而且耐腐蚀，因而在集成电路，集成光路中得到广泛的应用。

2.正性光致抗蚀剂

光致抗蚀剂在暴光前对某些溶剂是不可溶的，而暴光后却变成可溶性的。这类抗蚀剂

成为正性光致抗蚀剂。由此组成的光刻胶称为正性胶。目前，它主要有邻叠氮醍类，常用的

有701正性光致抗蚀剂（与国外AZT350相仿）。这种正性光致抗蚀剂，暴光后能用弱碱性

水溶液进行显影，显出正图象。由于它抗碱性差。耐酸性好，所以唱用L5—3磷酸钠水溶

液进行显影，腐蚀时一般用酸性腐蚀液。

由于它分辨率高、边缘整齐、边缘陡度好，以及反刻时易于对版等优点，所以是比较

重要的抗蚀剂之一。

3对光致抗蚀剂性能的要求

a.高分辨率

分辨率是光致抗蚀剂极为重要的特性，是指用某种光刻胶十所能得到的光刻图形的最

小尺寸。它通常用在1毫米的宽度上，能刻蚀出可分辨的最大线条数目来表示，单位为（条

线/毫米）。分辨率与光致抗蚀剂本身的结构性持有关，也与光刻工艺有关。例如，正胶的分

辨率高于负胶，且与分子量及其分布有关。平均分子量越高，分子量分散性越大•则分辨率

越低。

b.高灵敏度

灵敏度是与分辨率同样重要的特性，尤其在电子束和x射线暴光时显得更突出。它定

义为光刻胶感光所必须的照射量，对于正胶，定义为显影后膜厚为零时的最小照射量；对负

胶，是指显影后膜厚减薄至原膜厚二分之时的照射量。一般情况下负性胶比较正性胶具有

更高的灵敏度。

c.黏附性能好

光致抗蚀剂与衬底之间黏附的牢固直接影响到光刻的精度。影响黏附性能的因素很

多。有抗蚀剂本身的性质，衬底的性质和它的表面沾污情况等。

实践证明，衬底的平整，致密、清洁，干燥是尤为重要的，对抗蚀剂的黏附性影响很大。

d.抗蚀性能好

要求抗蚀性能坚膜后，能够较长时间地抵抗腐蚀剂的侵蚀。当然这也与光刻工艺本身

有关。

e.稳定性

要求抗蚀剂在常温和光（主要是紫外光）屏蔽的情况下，即使加入了增感剂也不发生

暗反应，在烘烤干燥时，不发生热交联。为了提高抗蚀剂的稳定性。可加入抗氧化剂或能够

抑制活性基团自发反应能力的稳定性。例如KPR胶可以加对苯二酚等。

三、实验的仪器及装置和步骤

本实验主要使用光刻机-台、高速离心机一台、红外烘烤灯及必要的光刻胶及化学药品。

同学们在预习时，首先要学会使用光刻机。

1.首先布置好一个暗室，在甩胶机和光刻机附近置放小度数的红灯泡，以备工作时

用。光刻胶一般是易感光的，即在白光下失去保护图形的作用。所以涂胶，甩胶，前烘，光

刻，坚膜都必须在暗室中进行。另外，胶瓶用茶色玻璃瓶或外罩不透光的保护罩封装。

2.光刻工艺步骤如下

涂胶就是在二氧化硅或其他薄膜表面，涂上一层黏附良好，厚度适当均匀地光刻膜。

胶太厚，就不容易将胶甩平，造成胶膜薄厚不均匀。暴光时光刻板不能紧贴被刻物表面，造

成露光现象，得不到标准图形，一般涂1微米为好，光刻不透，影响图形质量，太薄，又保

护不了所需的图形，此时需二次涂胶。再重复上面步骤。另外，被涂覆工件的表面必须是清

洁干燥的和平整的。涂胶•般采用旋转的方法，利用离心机离速旋转时产生离心力，将滴于

片子上多余的胶液甩去,在光刻胶表面张力和旋转离心力共同作用下，展成厚度均匀的胶膜,

胶膜厚度由转速和胶的浓度来调节。但旋转速度引起的厚度变化比浓度引起的大。

3.前烘

前烘就是在一定温度下，是胶膜里面的溶剂缓慢地，充分逸出来，是胶膜干燥，增加

它的黏附性和耐磨性。能牢固地附着在被刻物表面。某一种光刻胶的前烘温度和时间应由实

验来确定。我们采用红外灯烘焙，使胶的干燥从里到外，以获得良好的前烘效果。前烘时间

长了，胶易干，易焦，前烘时间短、胶没干透，去胶时易脱落，保护不了图形。

4.暴光

暴光就是对涂光的基片进行选择性的光化学反应，使暴光部分的光刻胶改变在显影液

中的溶解性，经显影后在光刻膜上得到和“掩膜相对应的图形。我们采用自动暴光机进行紫

外光定时接触暴光，首先，打开高压水银灯电源，预热十五分钟。把掩膜板向下和涂胶面的

精确套合，然后进行正常地紫外光暴光，时间15—20秒，若暴光不足，显影时图形模糊不

清，腐蚀时胶膜易脱落，暴光过度，腐蚀后台面过宽，形成锯齿形。在实际生产中，往往以

暴光时间来控制暴光量，并且通过反复实验来确定最佳暴光时间。

5.显影

显影是把暴光后的基片放在显影液中，将应去除的光刻胶膜除I：净，以获得腐蚀时所

需要的抗蚀剂膜的图形。对我们实验来说，涂正性胶，显影液用氢氧化钠、三氯乙烯等溶液,

涂负性胶，显影液用乙醉。

显影时间随抗蚀剂的种类，膜厚，显影液种类，显影温度和操作方法不同而不同，要

根据实际情况进行选择和调整。

6.坚膜

坚膜就是在一定温度下（可用红外灯），将显后的片子进行烘焙，除去显影时胶膜所

吸收的显影液和残留水分，增强胶膜的抗蚀能力，并消除显影时所引起的图形变形。

7.腐蚀

腐蚀就是用适当的腐蚀剂，对未被胶膜覆盖的二氧化硅或其它衬底进行腐蚀，按照光

刻胶膜上以显示出来的图形，完整、清晰、准确地腐蚀，供选择扩散或达到金属布线的目的。

腐蚀有两种类型，湿式化学腐蚀和干式化学腐蚀。

8.去胶

去胶就是在二氧化硅或其他的衬底上的图形腐蚀出来后，把覆盖在图形表面上的保护

胶膜去除干净。主要方法有

a.溶剂去胶

是用有机溶剂浸泡，使抗蚀膜溶胀，然后将它擦去。去胶一般是含氯的燃化物，并含

有表面润湿剂。

b.氧化去胶

用强氧化剂将抗蚀剂氧化成二氧化碳和水而达到去胶的作用，长用的氧化剂有硫酸、

硫酸一过氧化氢（3：1）混合液，硫酸——重铝酸钾溶液等。

四、实验内容

1.在玻璃衬底片上，用正胶法光刻出图形，并观察光刻图形的缺陷并讨论产生的原因。

2.在玻璃衬底片上，用负胶法光刻出图形，并观察光刻图形的缺陷，讨论产生的原因。

实验三2048位线型CCD转移效率测试

电荷耦合器件（ChamgeCoupLodDevice）,简称CCD,是一种新型的半导体器件。它不

同于普通的三极管对信号具有放大能力，而是•个无增益功能的模拟移位寄存器将光注入转

化成的电信号或电注入的信号由注入端转移到输出端。信号电荷在进行有一个栅到另一个栅

的每一次转移中，不是全部转移，有部分信号电荷有一其它原因没有被转移，仍留在原栅极

下面，只有n部分被转移到下一个栅电极的势阱中n愈大，说明性能愈好，一般n在99.99%

左右。n称为转移效率。它是表征这种器件性能的极其重要的参数。

（-）:实验目的：

1、掌握CCD转移的测试方法。

2.了解CCD驱动电路的工作原理。

3、分析影响转移效率n的原因。

（-）实验仪器：

1、二踪示波器SBE-10型1台

2,2048位线型CCD1片

3、驱动电路设备