光刻技术是目前平面半导体器件加工制造中的重要技术之一。相比于传统掩膜光刻,激光直写技术拥有无需掩膜,加工灵活,对基底表面平整度要求较低的优势。目前,激光直写技术主要应用于集成电路制造,材料表面处理与刻蚀,衍射光学元件加工,微纳原型器件制作等领域。除了提高激光直写空间分辨率与效率、丰富其功能并拓展其应用领域外,小型化也是激光直写技术发展的重要方向之一。现有的商业化大尺度激光直写仪器虽然较为成熟,但价格昂贵,软硬件相对固化,难以根据用户需求进行快速的升级。与之对应的小型桌面式激光直写系统,占地面积小,价格相对低廉,特别适合于微米尺度的电子与光电子单元原型器件的制作,材料的表面处理,以及微流控芯片加工等中小尺度器件的实验室制备。基于此目的,本文研究制作了一套基于笼式系统的小型紫外激光直写系统,系统具有易于组装调试、灵活多用等优势。论文主要包括:首先,论文从光刻技术的研究背景出发,进而简要介绍了激光直写技术的基本原理、优势与发展历程,在此基础上,提出了本文的研究思路与研究目的;其次,讨论了激光直写技术实现的主要基本原理;然后,介绍了我们利用笼式系统开发的小型激光直写系统,包括系统硬件与软件设计、调试、以及基于光刻胶的刻写实现;最后,我们讨论了利用上述系统,制作金属阵列结构与微纳单元原型器件的工艺优化。主要结论包括以下几个方面:(1)我们采用了Thorlabs笼式系统进行光路搭建,易于实现光路的共轴调整,降低了光路调试难度,提升了系统稳定性。系统主要光路由刻写光路、照明光路和自聚焦光路三部分组成。利用405单模光纤激光器为刻写光源,与步进电机、压电物镜和商用自动聚焦系统联用,实现了实时自动聚焦的刻写,直写范围可达(受限于样品台移动范围)±10 mm,正性光刻胶(AZMIR703,厚度1μm)刻写线宽为1.5μm,点扫描模式下光刻速度达100 dot/s(1μm~2/dot)。(2)利用图形化编程语言LabVIEW,通过读取AutoCAD保存的DXF文件,实现了对预设图形的直写控制。为了提高光刻速率和时间同步性,在仪器控制上我们选用了FPGA(具有0.25μs的数字时钟和1 MHz,16位分辨率的模拟输出),解决了计算机的通信速率慢,通信时间周期不稳定的问题。(3)利用CMOS摄像头采集图像、测量距离、设置起点,实现了定位、对准刻写。(4)实现了点扫描的图形光刻,讨论了激光功率和聚焦位置与光刻线宽的关系,获得了较好的功能参数。通过实验测试对比,选用了合适的光刻胶,同时优化了光刻工艺流程和适用于正胶的金属剥离工艺。