（光学专业论文）一种准分子激光微加工系统.pdf

摘要 摘要 本论文以准分子激光微加工为基础，详细阐述了集准分子激光微加工、准分 子激光微加工同轴显微镜、一维可同步调节线宽掩膜系统于一体的准分子激光微 加工系统的原理和构成及相关的实验结果。论文主要内容包括以下几个方面： 1 概述了本课题的提出背景，对于当前应用的准分子激光微加工系统进行 了研究，分析了本课题的可行性。 2 对将准分子激光微加工同显微镜的结合进行了设计和探讨，并进行了相 关的设计，在显微镜的基础上设计了本准分子激光微加工系统。 3 对系统中所采用的5 3 x 正置金相显微镜进行结构解析，并对其结构进行 了改造和重新设计，分别包括光学结构和物理结构的设计和改造，使其符合本系 统的结构要求。 4 对系统中的掩膜部分进行了修改和重新设计，详细阐述了可以实现在加 工过程中同步变化的掩膜系统的结构设计过程和实现方法，实现一位同步变化线 宽的复杂图形( 如梯形、三角形等) 的微细加工。 5 通过相关的实验，得出所要加工的图形，并通过实验数据统计和分析， 论证本准分子激光微加工系统的加工工艺水平。 随着本系统的设计完成和实现，它提供了一种准分子激光微加工系统和加工 方式，通过对显微镜的相关改造，实现了准分子激光微加工同显微镜的结合。同 时，通过从新设计和实现一维可变线宽的掩膜系统，实现了一维可变线宽准分子 激光微加工。 本课题采用理论分析与实践相结合的研究方法，将整个系统进行了模块化划 分，分别对每一个模块进行设计和实现，再通过整合，完成整个系统。提高了准 分子激光微细加工的工艺精度和加工复杂度等，成为一种新型的准分子激光微加 工系统。 关键词：准分子激光微加工，显微镜，变线宽加工 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do ne x c i m e rm i c r o - p r o c e s s i n gt h e o r y , t h i sp a p e re x p a t i a t et h ee l e m e n t sa n d s t r u c t u r eo fa ne x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e ss e v e r a ln e w f u n c t i o n s ：e x c i m e rm i c r o - p r o c e s s i n g ；o b s e r v i n ga n dm e a s u r i n gb yam i c r o s c o p eh a v e t h es a m ew a yo ft h el i g h to ft h ee x c i m e r ；h o r i z o n t a lb r e a d t hc h a n g i n ga v a i l a b l e c o n c e a l i n gb o a r d t h ep r i m a r yc o v e r a g eo ft h ep a p e ri n c l u d i n g ： i s u m m a r i z i n gt h eb a c k g r o u n do ft h e e x c i m e rm i c r o - p r o c e s s i n gs y s t e m a n a l y z i n gt h ef u n c t i o n so ft h ec u r r e n te x c i m e rm i c r o - p r o c e s s i n gs y s t e m a n a l y z i n g t h ef e a s i b i l i t yo ft h en e w s y s t e m 2 t h ec u r r e n te x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e mh a ss e v e r a lp r o b l e m s ：t h ew o r k p i e c ec a r ln o tb em o v e db a c kt ot h es a m ep o s i t i o na si ts h o u l db ea f t e ro b s e r v i n ga n d m e a s u r i n g ；i tc a n n o to b s e r v ea n dm e a s u r eb ya m i c r o s c o p eh a v et h es a n l ew a y o ft h e l i g h to ft h ee x c i m e re t c t h en e we x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e mc a nd e a l 、析t i l t h o s ep r o b l e m s t h ep a p e rw i l le x p a t i a t et h ee l e m e n t sa n ds t r u c t u r eo ft h en e w s y s t e m 3 t h en e ws y s t e mi n c l u d e sa5 3 xm i c r o s c o p e ，i t ss t r u c t u r ew i l lb ea n a l y z e da n d r e m o l d e dt of i xt h en e w s y s t e m ，i n c l u d i n gi t so p t i c s s t r u c t u r ea n dp h y s i c a l s t r u c t u r e 4 t h en e ws y s t e mi n c l u d e sah o r i z o n t a lb r e a d t hc h a n g i n ga v a i l a b l ec o n c e a l i n g b o a r d t h ep a p e re x p a t i a t e si t se l e m e n t sa n ds t r u c t u r e ，i ti sc r e a t e db yu s 5 t h r o u g hr e l e v a n te x p e r i m e n t s ，d r a w nt ot h eg r a p h i c sp r o c e s s i n g ，a n dd a t a t h r o u g he x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，d e m o n s t r a t i o n o ft h ee x c i m e rl a s e rm i c r o m a c h i n i n g s y s t e ml e v e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a f t e rt h ee x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e mi sd e v i s e da n da c h i e v e d i tp r o v i d e sa n e ww a yo fe x c i m e rm i c r o - p r o c e s s i n g t h en e ws y s t e mc a no b s e r v ea n dm e a s u r eb ya m i c r o s c o p ei nt h es a m ew a y o ft h el i g h to ft h ee x c i m e r , a n di th a sah o r i z o n t a lb r e a d t h c h a n g i n ga v a i l a b l ec o n c e a l i n gb o a r d t h en e ws y s t e mh a sc h a n g e da l lt h ep r o b l e m so f t h ec u r r e n te x c i m e rm i c r o - p r o c e s s i n g t h ec r e a t i o no fe x c i m e r m i c r o - p r o c e s s i n gs y s t e m i n c l u d e st h r e e s t e p s ： d e c o m p o u n d i n gt h es y s t e mi n t os e v e r a lp a r t s ；a c h i e v i n ge a c hp a r tr e s p e c t i v e l y ； i i i 北京工业大学理学硕士学位论文 m a k i n g a l lt h ep a r t sa s s e m b l e d t h en e ws y s t e ma d v a n c e st h et e c h n o l o g ya n d c o m p l e x i t yo f t h ee x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n g k e y w o r d ：m i c r o p r o c e s s i n g ，m i c r o s c o p e ，b r e a d t h c h a n g i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：坐 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：担导师签日期：塑堑 第l 章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及实际意义 1 1 1 本课题背景 激光技术已经在众多的领域得到了非常充分的应用，例如在汽车制造，航空 航天等，激光切割、焊接、溶覆等技术已经广泛的应用于各种工业生产当中。 激光加工技术是集光学、机械学、电子学、计算机学为一体的高技术，是激光应 用最有发展前途的领域。住3 在最近，受激脉冲激光微加工技术，正在迅猛的发 展，尤其在众多的微小系统技术( m i c r o s y s t e m st e c h n 0 1 0 9 y m s t ) 领域当中，激 光微加工正在起到主导的作用。啪 激光加工的基本设备主要由激光器、光学系统、电源及机械系统等四大部分 组成“】。准分子激光可用于消融无机材料，在空气、惰性气体或真空中消融， 对强吸收材料作用机制为表面汽化，由于热效应小，而可用于精细加工，准分子 激光可用于蚀刻无机材料，在腐蚀性气体或液体中蚀刻，作用机制为激光诱导 的化学反应，因而加工精度更高。准分子激光更适于消融强吸收聚合物材料，热 分解机制和光分解机制一般同时作用，可用于亚微米级。嘲 激光微细加工，是指加工精度在微米级的加工技术。激光显微加工技术于 1 9 8 2 年首先应用于准分子激光器做聚合体消融与蚀刻，目前已经被应用于各个 工业领域，包括在集成电路、硬盘、显示器、互联设备、台式打印机和通讯器材 等信息技术领域，准分子激光器都被广泛使用。准分子激光显微机械加工系统在 工业微工程应用中的好处有：高质量、高分辨率、精确度、加工速率、地热破坏、 单一阶段“干燥”过程、广泛的可使用材料范围、高产出量、高包容度、再现性 和灵活性。正是因为其高分辨率、精确度、速度和灵活性，准分子激光器在材 料处理工业获得了很好的接受度。睁m 1 ：! 塞三些至茎量茎坚三茎竺姜蚤 1 1 2 国内外研究状况及最新进展 1 9 8 7 年美国科学家提出了微机电系统( m e m s ) 发展计划，这标志着人类对微 机械的研究进入到一个新的时代。目前 加工技术、微光刻电铸模造( l i g a ) 工艺 应用于微机械的制造技术主要有半导体 超精密机械加工技术以及特种微加工技 术等。准分子激光波长短、聚焦光斑直径小、功率密度高，非常适合于微加工和 半导体材料加工。“”m e m s 技术是- - f 3 多学科交义的新技术，代表着2 l 世纪微电 子新的发展方向之一，当前各国科学家正在微米纳米尺度上进行m e m s 基础理论 研究，包括对力学、光学、热学、材料、微机械摩擦学和其他相关理论的研究， 也进行新工艺、新技术的探索。“” 多层微电子结构的生产一直使用准分子激光消融技术来得到使用电场双向 电泳效应的电子控制生物粒子设备。“”在准分子激光微加工系统中，大多采用掩 模投影加工，也可以不用掩模，直接利用聚焦光斑刻蚀工件，将准分子激光技术 与数控技术相结合，综合激光光束扫描与x y 工作台的相对运动以及z 方向的 微进给，可以直接在基体材料上扫描刻写出微细图形或加工出三维微细结构。 “”图i i 为准分于激光加工出来的微型齿轮，最小齿轮直径为5 0 r a 。目前采 用准分子激光直写方式可加出线宽为数微米的高深宽比微细结构。另外，利用准 分子激光采取类似快速成型( r p ) 制造技术，采用还层扫描的方式进行三维微加工 的研究也已取得较好结果。“ 图l - l ；采用准分子激光加工的微型齿轮 f i gl l ：t h eg e a rw h e e lm a d eb ye x c i m e rl a s e r 在国外，准分子激光微加工已经发展进入到了一个相对比较成熟的阶段，很 多成熟的产品诸如利用其制造的激光打印机墨水喷头等等都已经得到了广泛的 应用。其余的很多诸如传感器或者与其相关的制造工业也已经非常普遍的使用到 了准分子激光技术。对于准分子激光微加工系统的发展而言，最重要的概念就是 其要在现有的基础上，不断的创新，以寻求技术的不断向前发展。细言之，技术 的发展将越来越复杂且在各个学科中交汇，多媒体3 d 微结构构图软件已经被运 用到准分子激光微加工领域，以利用其对准分子激光微加工进行更好地展示与描 述。一些最初准分子激光器加工技术，也会随着这些新兴技术的不断发展，而得 到更大的发展和创新。n 町2 4 8 n ml ( r f 受激准分子激光器显微加工技术来聚合物 培养基上制造二元显微透镜的技术。已经有成功在聚碳酸酯平台上制造的8 层二 元显微透镜( 半径1 2 5 m m ，焦距4 3 r a m ) 报道。使用这种技术，显微透镜的排列 方式并非按照复杂得多步平板印刷术和蚀刻加工处理，而是通过聚合材料的激 光消除效应模糊排列。此外，被融化的显微透镜的厚度可以通过对激光脉冲数量 的充分控制实现。为减少校准复杂性和偏移度，石英板生成多层掩模，掩模台则 被x - y 平台伺服系统控制。s e m ( 标准电子组件) 图像和光学干涉检测显示蚀刻表 面和侧墙的粗糙度变化小于3 0 n m ，这与采用其他技术所得的结果相匹配。这项技 术可以在数秒内制造出排列为2 x 2 的8 层二元显微透镜。实验结果显示，这项独 有的技术可以制造出小于超千分尺表度，高质量表面符合生物形态学标准和具有 较好光学特性的多层显微透镜。微制造技艺例如化学蚀刻和电解光蚀刻已经 被应用于这类合金胶片的制作过程。最新的技术趋势则是利用激光显微加工技术 的非接触加工性获得理想的解析度和灵活的排列。成功的钛镍合金准分子激光器 显微加工技术应用有卷状带( 大块) 和r f 溅射沉淀、自立式箔，以及其他不同 激光参数相结合的技术。但是，与此类激光显微机械加工合金胶片在硅基上沉淀 相关的大量数据依旧需要被应用于硅基微机电系统中去。我们已经尝试在以硅基 作底的t i 5 4 n i 4 6 目标合金块上利用直流电磁电管溅射进行钛镍合金微加工。这 些胶片是在2 4 8 n m 消融感应的k r f 准分子激光器进行微加工试验的。钛镍材料 去除机制和特性对诸如影响、脉冲重复频率和发射次数等激光参数的依存关系也 有体现。“町p c l 一8 3 9 控制卡在激光快速成形机上的成功应用，简化了激光快速 成形机中多坐标运动的协调控制问题，达到了工艺的要求，提高了加工件的质量 和精度，开创了运动控制的应用新领域。n 钔准分子激光微加工技术，正在朝着 多个方向发展，激光直写技术通过反复的加工，可以在深度上形成变化，继而形 成准分子激光三维加工。啪1 i ! 塞：些奎茎圣耋竺：茎堡耋兰 1 1 3 关于激光三维微加工国内外的最新进展 近年来随着激光显微加工技术的发展，我们需要简化制造微机电系统的过 程。激光显微加工“工具箱”便是这一过程的重要步骤之一，它满足了多种设计 需要的最佳加工选择。工具箱的某些元件被应用于准分子激光显微加工技术中 这些特征也随之在3 d 微结构的制造过程中得到了体现。”“事实早己证明，掩模 成像技术在多种2 d 和3 d 结构中都应用了显微加工技术。0 2 1 成功的微机电系统结 构的设计，取决于其设计过程中整体结构的可见性。3 dc a d 可见性技术与m e m $ c a d 系统的结合成为了准分子激光微加工领域一大突破。o ”微机电系统c a d 工 具已经被应用于传统的显微加工技术过程。但掩模投影成像准分子激光器的模拟 还未被研究。使用准分于激光器系统做3 d 微结构显微机械加工模拟的3d j 抗像软 件的发展。现今，除了一些简单的情况，为准分子激光器手工写就的程序产生的 表面尚不可预测，并且该表面必须通过机械化来验证该程序。因此，理想表面几 何学的取得是不断的试验和错误的过程得来的。成像软件使用标准参数固体模拟 c a d 系统来模拟显微机械加工过程，把程序数据从2 d 的色彩编码深度图转化成 3 d 表面。这样便增加了可以用于研究的表面数量使得其适合用于研究在3 d 结 构下的形成的结果表面结构。机械加工的过程和消融率是可以调整的。另外由于 该软件规则的普遍性该模拟器可以应用于各种不同形状的掩模。“1 图2 为运 用3 dc a d 可见性技术与m e m sc a d 系统的结合加工出的工件。 图1 2 ：运用3 dc a d 可见性技术与蚰临c a d 系统的结台加工出的工件 f i g 卜2 ：t h ew o r kp i e c em a d eb y3 dc a dt e c h n o l o g ya n d 蛇m sc a ds y s t e m 第l 章绪论 1 2 本实验室现有的微加工系统及技术难点 本实验室现在的准分子激光微加工系统，就是一套典型的运用准分子激光进 行微加工的系统，应用l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器，工作气体为 l ( r f ，波长为2 4 8 n m ，单脉冲能量最高为1 2 0 0 m j ，最高脉冲重复率为5 0 h z 。主要 由以下几个部分组成：准分子激光器、衰减器、光束整形均匀器、程控掩模架、 缩小投影物镜、程控工作台、观察对准系统及控制系统等。结构如图3 ，实物图 如图4 。 图i - 3 ：准分子激光微加工系统结构示意图 f i g1 3 ：t h es k e t c hm a po ft h es t r u c t u r eo ft h ee x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e m i i 至些奎茎耋茎堡圭茎些耋圣 图卜4 ：准分子激光微加工系统实物图 f i gi - 4t h ep i c t u r eo ft h ee x c i m e rm i c r o p r o c e s s i n gs y s t e m 运用现有的准分子激光微加工系统可以进行二维准分于微加工( 产品如图 5 ) ，以及进行简单的三维准分子微加工，但在加工中，无法实现准分子激光加工 过程中激光光斑线宽的变化，园而所加工出的图形，只能是等线宽的，而不能是 线宽变化的复杂图形。 图卜5 ：准分子激光二维微加工工件成品 f i g 卜5 t h ew o r kp i e c em a d eb y2 0e x c i m e rm i c r a p r o c e s s i n gs y s t e m 第l 章绪论 1 3 本系统需要考虑的主要因素 纵观国内外十几年来在微技术、微装配及微加工的研究以及文献报道 | c 拍】汹埘枷，之前没有人提出过通过改变掩膜形状来实现激光光斑线宽同步变化的 方法。由于准分子激光微加工自身的特点汹1 ，通过对准分子激光进行成像的方式 进行加工，因此，在本系统中提出，通过改变掩膜板的通道线宽，来改变光斑线 宽，这是本系统着重要解决的现有技术中所存在的难点问题，因而，在本系统中 应着重考虑一下几个方面的问题： ( 1 ) 光路引入的方式。由于准分子激光微加工的特性侧3 幻，导致其加工 出的产品，线宽很窄，基本上处于微米级别，因此，一张在电脑上看上去很大的 c a d 图，加工成为成品之后，基本上总体面积会很小，处于平方毫米级别，复杂 的图形加工成为平方毫米的产品，本系统将准分子激光和显微镜进行了结合，为 # ： 将来的同步加工和观测提供了可能，因此选择一款合适的显微镜，并能够使其符 合本系统的要求，并有利于之后相关的改造工作，将成为本系统的设计中所必须 考虑的问题之一。 ( 2 ) 对于显微镜的改造，选择了合适的显微镜，还要对其进行进一步的改 造，才能使其符合本系统的要求。首先，现有的显微镜都是为了观测而设计的， 叠 不会有为了加工而设计的，更不可能有专门为了准分子激光微加工而设计的，因 此，现有的显微镜采用的都是玻璃镜头，由于玻璃正是准分子激光可以进行加工 的材料之一，用玻璃的折射镜以及相关的镜头，将对显微镜本身造成伤害，无法 实现加工功能：其次，即使存在着石英镜头的显微镜，由于石英镜头表面没有对 2 4 8 n m 准分子激光的相关镀膜，长期工作也会导致其受到损伤，所以，必须要对 显微镜内的折射镜和镜头的相关产品进行改造。 其次，由于显微镜是观测使用，所以其对光路的准确成都要求，肯定不会达 到准分子激光微加工的要求，因为，在光路引入的同时，还需将显微镜改造成为 可以进行光路调节的方式，对显微镜物理结构的改造也是本系统所必须要考虑的 问题之一。 ( 3 ) 通过改变掩膜孔径的方式实现加工中激光线宽的变化，也是本系统当 中的主要功能之一。本实验室所采用的l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光 器所发射的脉冲光斑大小固定，通过掩膜板进行阻挡成像来实现加工，本系统中 北京工业大学理学硕士学位论文 的可调节线宽加工的方式，是通过掩膜板的变化，使成像变化实现的。需要在系 统的光路搭建过程中，引入一套可以调节线宽的掩膜板系统。 应用这种原理的可调节线宽的掩膜扳系统是本论文第一次提出的，专为本准 分子激光微加工系统所设计，具有一定的非标性，其功能将实现对于加工激光线 宽的同步调节，适用于本系统，并可通过适当改造应用于其他准分子激光微加工 系统。 综上所述，本准分子激光微加工系统的设计和实现，需要考虑的很多因素， 尤其是其中的技术创新点和技术难点，更应该是着重考虑。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题是我和导师在运用本实验室现有的准分子激光微加工系统中，通过实 验，发现了现有的准分子激光微加工系统所存在的一些问题，对现有的准分子激 光微加工系统进行的改进，力求实现在技术上有新的改进，提高准分子激光微加 工技术和工艺，课题来源是自己提出的课题，属于自我创新型的课题。本课题的 意义在于构建一套新的、可以进行一维可变线宽加工，并基于显微镜的准分子激 光微加工系统。题目将涉及到系统的整体设计、规划，以及各个模块的设计、研 究、实现和组装以及后期的实验等。系统构建成功后，将成为可以实现激光光斑 同步变化的准分子激光器微加工系统，将能够提高现有的准分子激光微加工技术 水平，并能实现更高得准分子激光微加工工艺。 本课题的主要研究内容包括： 1 本准分子激光微加工系统的整体设计。 2 本准分子激光微加工系统的外光路搭建。 3 为本准分子激光微加工系统设计可调节线宽掩膜扳系统 4 金相显微镜的半透半反镜片及物镜镜头的重新设计和替换。 5 金相显微镜的半透半反射腔体的水平调节设计和实现。 6 加工平台的搭建及硬软件的测试 1 5 本课题的意义 将本系统进行模块化分割，对每个模块进行研究和实现，实现整体系统的构 建、调试、整合，将可以实现准分子激光激光光斑可变线宽加工，本系统将成为 更好的准分子激光微加工系统。 本准分子激光微加工系统能够实现一维准分子激光可变线宽加工，系统具有 以下的特点： l 可以进行精密的二维以及部分三维的准分子精细加工 2 可以在加工的过程中对加工数值进行实时调整 3 有望实现准分子激光套刻精细加工 1 6 本章小结 本章就一种准分子激光微加工系统的课题背景，相关的技术背景，研究的基 本方向以及几个关键的技术问题进行了阐述和说明。 本文所讨论的准分子激光微加工系统是一套从新设计的具有新功能的准分 子激光微加工系统，系统的完成是一个复杂的工程，需要考虑到很多方面的因素， 其间既包括对现有系统或者产品的改造再利用，也包括一些重新设计、加工的模 块，分别将这些模块设计实现，最终整合成为一体，并进行相对的实验，才能实 现这套准分子激光微加工系统。 第2 章系统的总体设计 第二章系统的总体设计 2 1 系统的总体构成方案 2 1 1 系统的整体技术路线 本准分子激光微加工系统的整体设计思路是进行模块化切分，分别对每一个 模块进行设计、改造和实现，通过整合，完成整个系统的搭建。整体技术路线如 下： 系统整体设计 上 系统整体可行性分析 上 区分模块内容 i 各个模块功能分别设计、研究、实现 i 模块汇总，系统整合 上 系统整体测试 上 完成系统 图2 1 ：系统设计技术路线图 f i g2 l ：t h et e c h n o l o g yd e s i g no ft h es y s t e m 北京工业大学理学硕士学位论文 2 1 2 系统的整体设计思路 本准分子激光微加工系统的整体实现由两种方式，包括对现有实物的改造和 部分模块的重新设计、实现。其中，实物的改造部分包括外光路的搭建和对显微 镜改造；新设计、实现包括一维可调节线宽掩膜系统和显微镜半透半反射部分。 每一个模块在实现过程中的问题是不同的，分别实现每个模块，整合称为一套新 的系统的过程，将主要面临以下几个方面的问题： 1 对于要进行实物改造的部分模块，既要完成相应的改造，模块符合本系 统的整体构建，又不能破坏模块原有的的功能。兼顾模块的改造和功能 保留，需要通过反复的调整和实验来实现。 2 对于重新设计、实现模块，首先通过多方面的理论验证，充分论证其可 行性，进而通过相关的实验和测试，反复进行调教，最终实现模块功能， 同时在模块实现过程，也应考虑的同整个系统设计，使模块符合系统的 要求。 3 对于整个系统的实现，整体的架构设计非常重要，在模块进行拆分之前， 尽可能全面的考虑到各个模块之间接口的实现。每个模块的功能要完整 实现，进入系统整合阶段后，可以通过模块的细节调整来提高整个系统 的性能，但不能因为个别模块的功能缺陷，导致系统的崩溃。本系统的 设计和实现过程，需兼顾整体设计和模块设计。 介于以上的这些方面的问题，本准分子激光微加工系统的设计实现方式为两 条思路共同实现。即系统的整体结构设计和各个模块的分别设计、实现共同进行， 在系统的实现过程中，两者之间需要通过反复的论证和实验，相互之间进行调整。 在每个模块的实现的同时，符合整体的架构设计，使得整个系统顺利的完成，实 现系统的完整构建。 2 1 3 系统的模块化拆分 构建本准分子激光微加工系统是一个非常复杂而繁琐的工作，所以，我们将 整套系统分解成为几个模块分别设计、实现，包括： 幕2 苹系统日匀体设计 i 基于显微镜的光路引入及一维可变线宽掩膜系统模块 2 基于显微镜的成像加工模块 3 数控加工台模块 整体系统的结构及分解模块示意图如下 图2 - 2 ：一种准分子激光微加工系统整体模块图 f i g2 - 2 t h em o d u l eo ft h ec x c l m c r m l c m - p r o c e s s i o gs y s | c m 根据上图可以看出整套准分子激光微加工系统若干小模块组成的，将 这些小模块根据功能进行部分整合，分成三大模块。其中，准分子激光器、光路 上应用的反光镜、一维可调节掩膜版系统以及针对显微镜的光路引入组成第一个 模块称为基于显微镜的光路引入及一维可调节掩膜系统模块，本模块的主要创 新点在于一维可调节掩膜板系统的设计，将于本文第三章进行详细的阐述：针对 显微镜内的半透半笈射镜片的改造和调节，以及针对显微镜的成像镜头的改造为 一个模块，称为基于显微镜的成像加工模块。本模块的创新点在于对于显微镜光 路的引入，并实现激光聚焦可调节。数控加工模块作为主要通过改造方式引入系 统的一个模块将同基于显微镜的成像加工模块共同在本文第四章进行详细阐 述。 北京工业大学理学硕士学位论文 2 2 系统的实现方式选择 基于显微镜的光路引入模块，首先要解决如何将激光光束引入到显微镜 内，根据本实验室现有的激光器位置，和现有的准分子激光微加工系统的位置， 图示位置如下： 图2 3 ：激光光路引入示意图 f i 9 2 3 ：t h es k e t c hm a po ft h el a s e rl i g h tw a y 本实验室中现有的准分子激光微细加工系统是通过反射镜将激光脉冲引入 到加工系统当中的。针对这种情况，为使本准分子激光微加工系统和现行的系统 可共存，并通过简单的调节，使得激光可以顺利的在两个系统当中切换使用，我 们提出解决方案：将本准分子激光微加工系统和现有的系统放在处于同一水平方 向的位置，令激光脉冲处在两个系统的同一个方向上，并与系统的相对应光路的 位置保持垂直，通过切换反射镜，实现对激光的顺利切换。 解决了显微镜光束引入的问题之后，需将一维可调节掩膜板引入到系统当 中，掩膜系统的位置要通过精准的调节，使激光可以顺利的从其掩膜中心小孔的 位置穿过，其中部分被阻挡，剩余部分顺利通过。一维可调节掩膜系统小孔的中 心应与激光光斑的中心重合，一维可调节掩膜版系统的高度和水平位置均可调 节，可以根据激光光斑的位置进行设置。 第2 章系统的总体设计 一维可调线宽掩膜系统引入之后，需调节显微镜的高度，本系选用上海光学 仪器厂的5 3 x 正置金相显微镜，该显微镜带有一个可以将外界光路引入显微镜系 统的装置，因而只需将显微镜的位置调节到合理的高度，既可以将激光光束顺利 引入到其所需要进入的显微镜内部的光路当中，通过相关的调节设计，可以将激 光光束引向显微镜物镜。 由于本实验室所采用的激光器是l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光 器，工作气体为k r f ，波长为2 4 8 n m ，单脉冲能量最高为1 2 0 0 m j ，最高脉冲重复 率为5 0 h z ，其对硅材质可以产生加工作用。5 3 x 正置金相显微镜中的镜片为玻璃 镜片，无法作为l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器光路上的反射镜片或 者成像镜片，须对相关的镜片进行改造，改造的对象包括了两个部分：光路引入 显微镜腔体内的半透半反射镜片，这部分反射镜片更换为石英材质的镜片j 并在 对激光进行反射的一面镀上2 4 8 n m 4 5 。角度的全反射膜：半透半反射镜片水平位 置以下的所有镜片，同属玻璃材质，需更换为石英材质的镜片。完成了相应的镜 片更换，l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器所发射出的激光光束能够顺 利的到达加工平台表面，避免了在光路中对镜面破坏。 显微镜的半透半反射镜片腔体还存在一个问题：半透半反射腔体无法进行水 平调节。5 3 x 正置金相显微镜配有一个四十五度的半透半反射折射镜片腔体的， 该腔体的设计目的的设计原理是将一套灯光照明设备引入到显微镜观测光路中，。 对于光的折射的准确程度要求并不高。半透半发射镜片上方就是目镜和c c d 接口 的位置，整个显微镜的光路仅仅是为了实现观测功能，对光路的准确性和精准性 要求不高，远远低于准分子激光微加工系统的要求。在5 3 x 正置金相显微镜出厂 前，相关的工作人员已经对显微镜的光路进行了相关的测试和调教，并将镜片固 定，没有为客户提供调节的环境和方法。本准分子激光微加工系统对光路的调节 有一定的要求，将对5 3 x 正置金相显微镜进行改造，改造的方式是将传统的手动 水平调节平台底座系统引入到显微镜当中，将半透半反射腔体设计称为兼顾半透 半反射功能和水平调节功能。整个腔体的结构将通过c a d 设计，加工成为铝或者 钢质材料。 加工台在本准分子激光微加工系统中所处的位置是在显微镜的物镜之下， 5 3 x 正置金相显微镜的位置是固定的，显微镜本身无法进行垂直位置调节，实现 北京工业大学理学硕士学位论文 准分子激光微加工的方式是通过在显微镜下面的加工平台的高度调节来实现的， 这与本实验室现有的准分子激光微加工系统的方式是相同。本系统选用的加工平 台具备较高的灵敏度，并可进行三维位置调节。 2 3 本章小结 本章对一种准分子激光微加工系统的整体设计进行了阐述，包括整套系统的 设计技术路线，模块拆分的方式，以及每个模块的实现思路。阐述了系统的创新 点，对系统中难点进行了分析和说明，充分论证了整套系统以及各个模块的可行 性。 第3 章激光光路及可调掩模系统的设计和实现 第三章激光光路及可调掩模系统的设计和实现 3 1 光路引入总系统的整体设计 本准分子激光微加工系统的最终目的是实现一维可变线宽准分子激光微加 工。根据本系统的特点，激光光路子系统的主要实现目的有两个：第一，实现将 现有的l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器的激光引入到本准分子激光微 加工系统，令激光可以顺利进入显微镜的水平腔体；第二，实现光路上的可调节 线宽的掩膜版系统，根据相关的文献和资料，通过调节掩膜形状，使得成像激光 光斑变化，从而实现激光光斑线宽变化的方式，是本论文第一次提出，为本论文 的主要创新点之一。 根据本实验室现有的准分子激光微加工系统的位置，以及激光光路的位置， 决定选取激光水平光路一次反射的方式来实现光路的引入，在激光光束反射后的 准分子激光光路上设置一维可变线宽掩膜板系统，实现整个激光光路引入及一维 可变线宽掩膜系统模块。 3 2 准分子激光引入显微镜腔体的实现 将现有的l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器的准分子激光引入显微 镜的腔体，需进行相应的调节和实验，方可无法实现光路的准确引入。激光光束 能否顺利引入显微镜半透半反射腔体，直接决定了整个系统的实现与否。 l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器的准分子激光属于非可见光类型， 并通过脉冲的形式发送。激光光斑定位选择的方式是通过设置放置一个同 l a m b d a - p h y s i kl p x3 0 5 i f 型准分子激光器的准分子激光同光路的氦氖激光其， 通过红色氦氖激光对准分子激光进行定位。具体的定位方式为，通过氦氖激光器 发射红色可见激光到光路上的反射镜，红色氦氖激光的光斑折射到显微镜腔体， 通过反射镜的初步调节，使激光方向为9 0 度角度折射。再通过折射镜上的二维 可调节平面，精细调节水平方向和垂直方向，使得氦氖激光的光斑准确的进入显 微镜的半透半反射腔体，实现氦氖激光的定位。 北京工业大学理学硕士学位论文 实现上述初步定位之后，加入掩膜系统的遮掩，使氦氖激光的光斑变小，再 通过小光斑再次进行调节，实现相对精准的定位。 通过氦氖激光实现定位之后，最终的定位需要通过准分子激光的发射脉冲来 确定。准分子激光对热敏纸有作用效果，准分子激光脉冲打在白色的热敏纸上， 会使其变成黑色。将白色热敏纸遮掩显微镜水平腔体入口处，通过准分子激光器 发射脉冲，并通过掩膜板的遮掩，就可以准确的看到准分子激光的作用位置，再 次通过调节二维可调节反射镜，就可以使得准分子激光准确的进入显微镜腔体， 实现激光光路的引入。( 关于显微镜腔体内部通过反射方式进行激光定位，将在 第四章进行阐述。) 3 3 一维可调节掩膜板系统的整体设计 3 3 1 系统的目的及功能 维可调节掩膜板系统，可以提供一种可以实现激光光斑线宽变化的准分子 激光微加工的方法。在准分子激光微加工的过程中，通过对掩膜宽度的控制变化 和调节，使成像的激光光斑变化，实现加工过程中的线宽变化。通过一维可调节 掩膜系统，可以实现对梯形等图形的准分子激光微加工。提高准分子激光微加工 的工艺水平，实现更多复杂图形的准分子激光微加工。 下图中左侧图形为加工过程中光斑线宽扩大的形式，即加工的过程中通过扩 大掩膜板缝隙宽度的方式，实现激光光斑线宽的扩大，实现梯形形状的加工。下 图中右侧为加工过程中光斑线宽缩小的形式，即加工的过程中通过缩小掩膜板缝 隙宽度的方式，实现激光光斑线宽的缩小，实现梯形形状的加工。图中所显示图 形即为本系统中一维可变线宽掩膜系统所要实现的变线宽加工图形。 第3 章激光光路及可调掩模系统的设计和实现 图3 - 1 ：可调节线宽加工样品 f i g3 一l ：t h eb r e a d t h - c h a n g i n gw o r kp i e c e 3 3 2 系统的实现原理 一维可调节线宽掩膜板系统的实现原理如图所示： 图3 - 2 ：一维可调节线宽掩膜板系统原理图 f i9 3 2 ：t h et h e o r yo ft h eb r e a d t h - c h a n g i n gb o a r ds y s t e m 本系统选用的双方形同轴丝杠，通过电机驱动丝杠的双向转动，丝杠的转动， 将带动滑块的运动，双向丝杠上的滑块将朝着相反的方向运动，滑块将只能相互 靠近或者相互远离，而不会出现两个滑块向着同一个方向运动的情况。 丝杠的两侧，分别设置两条平滑的滑轨，轨道上放置对应每个丝杠滑块的平 些圣三当銮茎圣茎垩圭茎墨耋蚤 滑滑块，用以承担掩膜工件的重量，铝制掩膜工件同平滑滑块进行刚性连接，成 为一个整体，再通过刚性连接到丝杠上的滑块，使得掩膜工件最终和丝杠成为一 体，共同运动。 电机将通过联轴器同丝杠进行刚型连接，联轴器的有两各主要作用：一方面 是实现电机与丝杠的连接；另一方面通过联轴器的缓冲作用，避免过于刚性转 动，造成电机或者丝杠的损坏。 所有的丝杠、滑轨以及电机，将通过一个铝制的底座固定，固定之后实现一 体化的设计，应用时，只需将整个系统的底座进行固定，便可以实现整个系统的 应用。 3 3 3 系统的整体设计 一维可调节线宽掩膜系统的整体设计示意图如下 图3 q ：一维可调节线宽掩膜系统的整体设计示意图 f i g3 - 3 ：t h es k e t c h m a po f t h eb r c a d t h - e h a n g l n gb o a r ds y s t e m 由p c 机上作为整个系统的上位机，p c 机上的相关软件以及控制卡负责发送 相关的控制脉冲信号。 p c 机通过相p c i 插槽上的控制卡上的相关排线同电机驱动器进行连接，电机 第3 章激光光路麈可调掩摸系统的设计和实现 驱动卡需要1 2 v 一2 4 v 直流电源驱动，电机驱动卡通过四线连接的方式同电机进行 连接。 电机通过相关设计的底座和联轴器同丝杠进行连接，带动丝杠转动，丝杠带 动相关的掩膜工件运动，实现掩膜系统的线宽变化。 3 4 一维可调节掩膜板系统的详细设计和实现 上位p c 机所选择的是n c s t u d i o 公司广告雕刻机所用的软件，该软件可以实 现三轴同时加工的方式，提供相对应的控制卡和接口转换器。本系统采用了该软 件的一个轴作为控制选取x 轴，可以对速度进行调节通过四根线与电机的控 制卡进行了连接四根线分别为：方向+ 、方向一、脉冲十、脉冲一。下图所示是该 软件的截图和接线方式的示意图： 图3 4 ：n c s t u d i o 广告雕刻控制软件截图 f i g3 - 4 t h ep i c t u r eo ft h en c s l u d i oc o n t r o ls o f t w a r e i ! 圣三些奎茎量茎堡圭茎堡耋圣 图3 - 5n c s t u d i o 控制卡与电机驱动器接线原理图 f i g3 - 5 ：t h ec o n n e c t i o n o ft h ec o n t r o lc a r da n d t h em o t o r 本系统所采用的电机是与丝杠进行相关配合的0 1 8 度的步进电机控制卡 选用1 6 细分控制卡，通过对电机进行测试后，将电机同控制卡相连，具体测试 方式为：通过万用表测试，电机的六根接线中有两根同相邻的两个县的电阻是一 样的，将这两个线短接，将两外四根线分别进行电源触碰试验当电机经过四次 触碰试验，同时向一个方向旋转时，既可以确定电机的线序，将四根线按照顺序 同驱动卡的四根线进行相连即可实现对电机的控制。驱动卡通过四线和接口转换 器同上位机的控制卡进行连接，以下是电机、电机驱动卡的实物图： 图3 - 6 ：电机实物图 f i g3 - 6 ：t h em o