（光学工程专业论文）新型激光直写系统的优化设计与工艺研究.pdf

新型激光直写系统的优化设计与工艺研究中文摘要 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 中文摘要一 目前包括我国在内的多个国家成功研制了不同结构的激光直写系统，应用于如集 成电路制造、微光学元件加工、m e m s 、光学检测、光学防伪等多个行业中，因此， 激光直写系统的研制工作备受关注。s v g l d w 0 4 新型激光直写系统在光学及机械结 构上已基本成形，本课题从实际应用出发，旨在对系统的性能作详细分析，在数据处 理方案、控制软件及应用工艺上对该系统进行全面的优化设计和性能提升。 s v g l d w 0 4 系统的目标是基于合理的硬件结构，由软件控制曝光过程和系统输 入、输出组件的运行方式，来实现多阶二元光学元件、可控槽型光栅、数字光变图像、 矢量图形直写以及精密图形等的制作。在硬件设计上，系统采用空间光调制器( s l m ) 、 双远心光路实现光点的精缩投影和高质量的光斑控制，差动机构和c c d 器件实现了 光斑的高精度实时调焦。 在此基础上，本论文主要研究了s v g l d w 0 4 激光直写系统在二元光学元件、可 控搪型光栅以及非彩色数字光变图像( o v d ) 三个应用中的实现方案和制作工艺。 是采用方光点逐点光刻的方法，根据台阶高度与曝光时间的对应关系，实现了二、四 台阶的二元光学元件。二是由空间光调制器获得形状光点，根据槽型深度与光点尺寸 的对应关系，采用逐线扫描方式实现了可控槽型光栅。三是基于空间光调制器输入图 形，采用逐图形曝光方式，实现了非彩色o v d 。此外，还提出了面向图形结构的非 彩色o v d 实现方案，并给出了实验结果。 本课题通过对系统软件设计及应用工艺的深入研究，获得了关予多种激光直写器 件的工艺控制条件和方法，使得s v g - l d w 0 4 新型激光直写系统成为一套高性价比 的、实用化的实验研究设备。研究结果证明了s v g l d w 0 4 是一种性能优越，可用 于精密图形直写、二元光学元件、可控槽型光栅、m e m s 和衍射防伪图形的先进数 码激光直写系统，用其制作的部分元件己得到工业化应用。 关链词：激光直写；空间光调制器；二元光学；闪耀光栅；数字光变图像 作者：周小红 指导老师：陈林森 英文摘要 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 o p t i m i z a t i o no fn e wp h o t o l i t h o g r a p h i cs y s t e m a n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t d i f f e r e n tp h o t o l i t h o g r a p h i cs y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e di nm a n yc o u n t r i e sa n da r e a p p l i e di n1 cf a b r i c a t i o n ，m i c r o o p t i c a le l e m e n t sm a n u f a c t u r e ，m e m s ，o p t i c a li n s p e c t i o n ， o p t i c a ls e c u r i t ya n de t c t h e r e f o r e ，m o r ea t t e n t i o n sa r ep a i dt or & do nl i t h o g r a p h y s y s t e m s s v g - l d w 0 4i san e wp h o t o l i t h o g r a p h i cs y s t e ma n dp o s s e s s e sg o o do p t i c a la n d m e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o n f r o mt h ep o i n tv i e wo fa p p l i c a t i o n ，w ea n a l y z et h es y s t e m s p e r f o r m a n c e si nd e t a i la n dm a k et h eo p t i m a la p p r o a c h e si nd i r e c tw r i t i n gc o n t r o ls o f t w a r e a n dp h o t o l i t h o g r a p h i ct e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so f t h i ss y s t e m s v g - l d w 0 4i sd e v e l o p e dt ob et h es y s t e mo fo p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o n ，w h i c hc a n f a b r i c a t eb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ，d e s i g n e dg r o o v eg r a t i n g s ，o p t i c a lv a r i a b l ed e v i c e s ( o v d ) ，v e c t o r g r a p h ，p r e c i s i o ni m a g e ，a n ds oo n a m o n gs y s t e m sm o d u l e s ，s p a t i a ll i g h t m o d u l a t o ra n dd o u b l et e l e e e n t r i cc o n f i g u r a t i o na r eu s e dt oo b t a i nl i g h ts p o to f h i g h q u a l i t y ； t h ed i f f e r e n t i a lm e c h a n i c sa n dc c da r et om o d u l a t ef o c u sa tr e a lt i m ew i 也l l i g hp r e c i s i o n o nt h eb a s i so fc o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r eo fs v g - l d w 0 4 ，w es e e kt h em e t h o da n d t e c h n o l o g i e sf o rf a b r i c a t i o n t h ef i r s ta p p l i c a t i o ni st of a b r i c a t eb i n a r yo p t i c a ld e m e n t sb y u s i n gs q u a r el i g h ts p o ta n dt h e nt h er e l i e f d e p t hi sc o n t r o l l e db ye x p o s u r et i m e t h es e c o n d a p p l i c a t i o nr e a l i z e sd e s i g n e dg r o o v eg r a t i n g sb ys h a p e dl i g h ts p o ti ns c a n n i n gm o d e ；t h e g r o o v ed e p t hi sc o n t r o l l e db yt h es i z eo fl i g h ts p o t t h et h i r da p p l i c a t i o ni st oo b t a i n a c h r o m a t i co v d b yc e l lp a t t e me x p o s u r em o d e g r a p h i c so r i e n t e dd e s i g n ( g o d ) i sa l s o p r o p o s e dt or e a l i z ea c h r o m a t i co v d a n dt h ef a b r i c a t e de x a m p l e sa r ea l s og i v e n w i t ht h er e s e a r c ho nd i r e c tw r i t i n gc o n t r o ls o f t w a r ea n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，w cg e t t h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa n de x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r st of a b r i c a t e d i f f e r e n te l e m e n t s ， w h i c hm a k e ss v g l d w 0 4a ne x c e l l e n td f f e c tw r i t i n gs y s t e mw i t hh i g h e rp e r f o r m a n c e a n dl o w e rc o s t t h er e s e a r c hr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ts v g l d w 0 4s y s t e r nh a se x c e l l e n t 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 英文摘要 p e r f o r m a n c ea n dc a l lf a b r i c a t ep r e c i s i o ni m a g e ，b i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ，d e s i g n e dg r o o v e g r a t i n g s ，m e m s ，a n dd i f f r a c t i o no p t i c a ls e c u r i t yg r a p h i c s e s p e c i a l l y ，s o m ee l e m e n t s f a b r i c a t e db ys v g l d w 0 4h a v eb e e nc o m m e r c i a l i z e d k e yw o r d s ：p h o t o l i t h o g r a p h y ；s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ；b i n a r yo p t i c s ；b l a z e dg r a t i n g ； o p t i c a lv a r i a b l ed e v i c e ( o v d ) i i w r i t t e nb yz h o ux i a o h o n g s u p e r v i s e db yp r o f c h e nl i n s e n 苏州大学学位论文独创形声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名： 】訇! i ： 至 日期：盘! 坐 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公开( 包括刊登) 论文 的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：2 虱! ! ：兰日期：塑：! ! 墨 导师签名：彳骣垒鼯 日期： 垒上。! 墨 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 一、引言 1 1 研究背景 引言 激光直写技术【l 】是随着大规模集成电路的发展而于2 0 世纪8 0 年代提出的，目前 主要在以下几个领域得到应用1 2 t 4 】。( 1 ) 激光直写系统用于制作光刻掩模的专用设备。 主要用于制作集成电路掩模、二元光学掩模以及光栅、码盘、鉴别率板等其他特殊用 途掩模。( 2 ) 二元光学元件是新一代的衍射光学元件，对以光学元件为基础的信息捕 获、抽取控制、测量等产业产生了极大的影响。激光直写法作为一种新兴的二元光学 器件加工方法，受到了研究者们的重视。传统的二元光学元件的制作需要多次重复掩 模图形的转印和刻蚀( 或薄膜沉积) 过程，加工环节多，周期长，且对准精度难以控制。 此外，用台阶型浮雕轮廓近似连续轮廓，本身就带来误差，要减少这种近似误差，必 须增加台阶数目。但随着台阶数目的增加，图形线条变细，对准精度要求提高，加工 更困难。采用激光直写的方法制作二元光学元件，因其一次成形且无离散化近似，器 件的衍射效率和制作精度较台阶型器件有较大的提高。另外，利用这种设备生产的二 元光学元件能简化望远镜、照相机的光学系统结构，从而减轻其重量，并提高其分辨 率。其生产的特种光学元件在民用和军事领域有极其广阔的前景。( 3 ) 当前电子产品 一方面向超大规模集成化、数字化、轻量化发展，另一方面也呈小批量、多样化、短 时效的趋势。使得传统的印刷电路板制作工艺方法包括光化学和模板( 丝漏) 漏印法已 经愈来愈不满足要求。由于激光直写制版技术无需掩模，易于实现柔性化，且加工精 度高、速度快、无污染、成本低，因此被认为是最具有工业化前景的柔性布线技术而 持续成为国内外的研究热点。激光直写技术还可以修复制备电路板、微电子集成电路 时存在的大量短路和缺损，从而大大提高了工作效率。另外利于与布线一样的激光 直写技术还可以在集成电路中成功的铺设电阻、电容等微电子元器件。( 4 ) 非球面二 面镜特别是对大孔径、高非球面性和具有高精度表面的非球面二面镜的需求越来越迫 切，但由于其加工成本高和光学表面的高精度测量比较困难，因此大大地限制了它的 应用与发展。利用激光直写系统可以在球形表面通过光刻的方法制作出有特定波前的 全息测试板，根据参考波与被测试光学表面反射回来的波前相互干涉的条纹图样，就 一、 q l 言 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 可以判断出二面镜的表面误差。这种测试方法不受震动和观察的影响，因此具有很高 的精度和准确性。( 5 ) 激光直写技术制作数字光变图像( o v d ) ，在国际上该图像技术 已作为证券、货币、卡证的主要防伪手段，同时还应用于检测器件制造、激光图像包 装材料生产。 1 2 激光直写系统的分类 激光直写利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后 在抗蚀层表面形成所要求的浮雕轮廓。激光直写系统的基本工作原理是由计算机控制 高精度激光束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，从而把设计的图形 直接转移到掩模上。迄今为止，国际上包括我国在内的多个国家成功研制了不同结构 的激光直写设备。 图l - l 直角坐标方式系统 激光直写系统按照工作平台结构坐标的方式可分为：直角坐标方式、极坐标方式、 直角坐标和极坐标组合方式。直角坐标方式的激光直写系统t ”4 6 】如图1 1 所示，表面 涂有光刻胶的基片置于x y 平台上，被聚焦的h e c d 激光束m = 4 4 2r i m ) 对其进行 光栅式扫描并变剂量曝光。石y 平台置于4 个气垫支柱支撑的花岗石平台上，由线 性马达驱动，并由激光干涉仪精确定位。用声光调制器控制h e c d 激光束的强度， 经物镜聚焦于基片上，对光刻胶进行变剂量曝光。c c d 摄像头可检测物镜聚焦情况， 2 堑型堂堂皇兰墨竺堕垡兰堡生皇三苎堡墅 二：一! ! i 并由压电陶瓷控制实现自动聚焦。另外，花岗石底座下还设有主动抗振装置整个系 统由计算机控制，实现同步操作。该类激光直写系统的典型工作参数如下：x y 平台 的滑动范围为3 0 0m m x 3 0 0i n i n ，静态定位精度1 0 0n m ，动态定位精度1 5 0n i p ，干涉 仪脉冲当量2 , 0l l i n ，声光调制器控制激光束强度的变化为2 5 6 个灰阶，物镜的放大倍 率为5 0 ，焦斑大小1 5 p r o ( 1 i e 光强点) ，扫描线间距l p m ，写入速度1 0m l r ds ，完成 一个1 0 m m 圆片的曝光需要2 - 3 h 。 极坐标方式的激光直写系统【1 7 1 如图1 - 2 所示，h e - c d 激光束经两声光调制器后， 由商数值孔径的物镜汇聚，劳由压电陶瓷控制自动聚焦于涂有光刻胶的基片上。当聚 焦光斑不动时，回转平台随气浮转轴匀速旋转，使基片上的一个圆环等剂量曝光( 假 定其它参数不变) ，此时曝光圆环的宽度等于聚焦光斑的大小；而一维平台的线性移 动可改变聚焦光斑偏离回转平台的中心，即改变基片上曝光小圆环的半径，从而可对 整个基片曝光。大动态范围声光调制器随着一维平台的移动实时调整光束强度，以满 足曝光强度的要求。因为当回转平台的转速不变，曝光圆环的半径随一维平台的移动 而增大时，若要得到等剂量的曝光，就只有增大激光束的强度。高速声光调制器控制 激光束强度的变化，以产生2 5 6 个灰阶的曝光剂量。 图l - 2 极坐标方式直写系统 直角坐标和极坐标组合的激光直写系统可在同一系统中可实现直角坐标和极坐 标两种激光直写方式。在2 0 0n l n lx 2 0 0m mx 4 0m r n 的直角坐标范围内，以及在 1 0 0 n u m b e ro f g r a yl e v e l2 5 62 5 6 r e f r e s hr a t e h z6 0 检 图2 - 5 液晶盒结构图 玻璃片 黑色。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。 根据液晶驱动方式分类，可将目前l c d 产品分为扭曲向列( t n t w i s t e d n c m a t i c l 型、超扭曲向列( s n 姻u p e r t w i s t e d n e m a t i c ) 型及薄膜晶体管( t f t t h i n f i l m t r a n s i s t o r ) 二大类。s v g l d w 0 4 系统采用的是t f t - l c d 。n 叮薄膜晶体管型有源矩阵l c d 具 有屏幕反应速度快，对比度好，亮度高等优点。液晶工作时，当入射线偏振光偏振方 方向与起偏器偏振方向一致，光的透过率最大。为了充分利用光源能量，系统中利用 了半波片( 图2 - 2 中元件3 ) 调整光源偏振方向。 3 双远心精缩投影系统 s v g - l d w 0 4 的精缩投影物镜的设计利用了双远心光路原理，光栏中心位于前组 透镜l l 的后焦点且与后组透镜l 2 的前焦点重合，入瞳和出瞳均位于无限远处。光学 系统的入射主光线和出射主光线均平行于光轴。物点位于前组透镜的前焦点时，其光 线在两组之间为平行光，像点落在后组透镜的后焦点。此种型式光学系统，不但像面 1 3 、系统软硬件性能分析及设计 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 图2 - 6 双远心光路的基本结构围 离焦时，而且物面有位移时，光学系统的倍率都可以保持不变。s v g l d w 0 4 系统中 空间光调制器位于l l 前焦面，光刻胶面与l 2 后焦面重合。l l 焦距为1 6 0 m m ，后组 透镜l 2 采用显微物镜( m - - - - 2 0 ，n a = 0 4 ) 。 由瑞利公式，分辨率可表示为口3 】 r = 毛三( 2 1 ) 1 n a 、 式中l 为光波长，n a 为物镜数值孔径，k l 为与工艺条件有关的工艺因子。若k l = 1 ， 则系统分辨率为l u m 。根据对该微缩投影系统已有的研究，l c d 上方光阑大小为 0 2 x 0 2 m m 时，用z e m a x 分析模拟的像差特性曲线、波像差曲线、点列图以及场曲 畸变曲线表明，该系统成像质量几乎是严格意义上的近轴成像。准直扩束后的激光光 斑直径为2 m m ，l c d 上0 2 x 0 2 m m 的方孔位于光束中心，经过2 0 倍精缩投影后， 得到1 0 u m 光刻方点，可认为光点内光强分布均匀，为制作二元光学元件提供了有利 的条件。可以通过改变光阑尺寸或显微物镜的倍率来调整光刻点的大小。基于系统的 高分辨率，可用2 5 微米的光点实现2 5 微米的显微文字、0 5 微米的显微图像，这是 至今为止的防伪领域中最小的光刻图像。 4 c c d 共扼调焦光路 系统结构中，双远心投影系统的前组透镜l l 位置固定，光刻胶面在l 2 后焦面。 当显微物镜与前透镜构成双远心光路时，显微镜头与固定光刻胶版的平台之间只有很 小的距离( 约2 - 3 r a m ) 。因此，固定光刻胶版时，需将k 沿远离平台方向移动一段距 离。固定好光刻胶版后需要对l 2 进行调节，使其与l 1 构成双远心光路。当l 2 前焦点 与l - 后焦点重合时，出射光束为平行光( 如图2 7 ( a ) ) ；当l 2 前焦点在l l 后焦点之前 1 4 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 二系统软硬件性能分析及设计 图2 7c c d 调焦光路图 焦点之后时，出射光束会聚( 如图2 - 7 ( e ) ) 。l z 位置的偏离将使得胶面偏离k 的后焦面， 且使得l i 前焦面上的l c d 上图形在光刻焦面上的像模糊由于经过双远心徽缩成像 系统投影至胶面上的光点大小在u l b 量级，依赖人眼来判断焦面上光点的清晰度是不 可行的。 s v g - l d w 0 4 系统采用了c c d 共扼调焦光路，原理如图2 - 7 ( d ) ：光束被l c d 调 制后经微缩投影系统垂直入射到光刻胶面，光束传播至光刻基片玻璃面上后被反射回 来，再经过成像系统，透过元件m 继续传播在l c d 的共扼位置上放置c c d 器件， 仅当l c d 上图像在胶面成像清晰时，c c d 采集的图像清晰。系统软件界面可实时显 示c c d 采集的图像，方便、快速且较糟确地将k 调节至准确位置。 5 高精度调节机构 为了提高显微物镜l 2 的调节精度，s v g l d w 0 4 系统采用同轴粗调微调机构，如 1 5 二、系统软硬件性能分析及设计 新型激光直写系统的优化设计与工茎雯究 图2 8 。粗调采用l n u n 螺距的螺纹，调节范围l o m m 。微调采用了差动螺纹传动。微 调螺杆由导程分别为厶、如的两段同向螺旋制成，当微调螺秆转动州，显微物镜l 2 的移动距离 州 一厶) 寺 ( 2 2 ) 螺杆旋转一周，行程为0 2 5 m m ，调节筒上2 5 0 等分，每格值为l u m ，即微调精度为 】u n l 。 2 2 系统的优化设计 图2 _ 8 同轴粗调微调机构原理圈 2 2 i 调整偏振方向 当入射偏振光的偏振方向与液晶起偏器夹角为0 0 时，光强的透光率最高。因此， 系统中采用了半波片来调节光源的偏振方向，以充分利用能量。鉴于半导体激光器呈 j 圆柱型( 图2 3 ) ，研究发现，通过旋转激光器可改变光的偏振方向，如图2 - 9 所示， 从而免去半波片元件，使系统结构更简洁。 2 2 2 系统软件设计 图2 - 9 调整光源偏振方向示意图 1 6 堑型丝垄皇兰墨竺堕垡些堡生兰三苎堡塞三l 墅重鳖堡壁丝墼坌堑丝! ! ! l 从2 1 的分析可知，s v g l d w 0 4 系统是基于空间光调制器的新型激光直写系统， 采用双远心光路实现精缩投影，差动结构和c c d 器件实现了高精度实时调焦a 系统 光学、机械结构已基本成形，但系统要实现其功能还需相应的控制软件，因此，本论 文进行了这方面的工作。 2 2 2 1 数据处理方式 系统软件支持 a r r 格式的数据文件。 a r r 最初是维格公司定义的应用于数字 光变图像( o v d ) 的文件格式，数据结构可表示为v ( x ，y ，e ) ，这里( x ，y ) 定义了o v d 图形中象素单元的位置，0 是象素单元的取向。 1 点阵方式 ( a )( b ) 图2 一l o ( a ) 转成点阵a r r 软件：( b ) 转成矢量a r r 软件 通过迭代傅立叶算法获得的二元光学元件的位相结构数据以 b m p 格式存储，为 了精确控制电机使得在指定位置曝光，需要用o v g 软件( 如图2 1 0 ( a ) ) 将十b m p 文 件转换成 a r t 文件。s v g l d w 0 4 控制软件根据+ a r t 文件中点的坐标确定电机的位 移，根据数据中的0 值确定曝光时间。 对于实现数字光变图像，同样需要将率b m p 转换成 a r r 。点的坐标值确定电机 的位移，而0 值对应于图像模板中的不同取向的单元图形。 二、系统软硬件性能分析及设计新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 2 矢量方式 图2 1 0 ( b ) 所示软件可以将位图文件转换成矢量a f t 文件，使系统能够实现矢量 图形的光刻。目前，该矢量a r r 文件只定义了直线部分，不涉及圆和圆弧的光刻。矢 量a r r 文件描述的是一条线段两个端点的x 、y 坐标以及线段与水平方向逆时针的夹 角0 。控制程序读出线段两个端点的x 、y 坐标后以夹角0 方向连续扫描。 2 2 2 2 控制程序 s v g l d w 0 4 系统采用a d v a n t e c hp c i l 7 5 0 可编程i 0 卡控制激光光源以及 电机的运行。p c i l 7 5 0 卡的引脚如图2 1 1 ，这里p i n l 、p i n 7 分别控制x 、y 电机，p i n l 0 控制激光器脉冲数。根据a d v a n t e c hd e v i c ed r i v e r 自带的函数可对p c i l 7 5 0 卡进行 编程。 图2 一i ip c i1 7 5 0i o 卡引脚图 图2 一1 2 半导体激光器引脚图 1 激光脉冲控制 该半导体激光器可由外部t t l 信号控制电流引脚( 如图2 1 2 ) ，从而控制光束的通 断。外部t t l 脉冲由系统软件通过i o 卡的相应引脚发出。控制光束通断及曝光时间 的语句如下： p t d i o w r it e b i tp t d i o w r i t e b i t p t d i o w r it e b i t p o r t = l _“ 。3摹。，h鹞僦星_轴m”撕埔mm豁餐器臻黜器嚣耋喜徽 、o o o o o o 9 o o o o o o o o o o o o o ，o o p o o 、o o o o o o o o o 、o o o o ：o o幢峨。帅璩搬h。潍，竺mmm沁啪训舢啪踟训m驯啪似啦啪嘲帅啪印咖 堑里堂垄皇曼墨竺塑垡些堂生皇三苎旦壅一三：墨望苎塑塑型塑墅塑曼竖! ! ! l p t d i o w r i t e b i t b i t 5 1 ： p t d i o w r it e b i t s t a t e 2 1 ： d r vd i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ：打开光源控制 f o r ( i n tt = 1 ：t - - t i m e ：t + + ) 曝光时间控制 p t d i o w r i t e b i t s t a t e = o ： d r vd i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ：关闭光源控制 1 平台控制 s v g l d w 0 4 系统选用的是骏河k s 2 0 1 3 0 l m s 平台，步进电机在x 、y 方向的运 动可由系统软件控制。该平台的步距角可以通过s t e pa n g l es w i t c hd a t a ( 如图2 - 1 3 ) 来设定，d a t a 上的刻度与步进角的对应关系见表2 - 2 。设步距角为口，丝杆每转一 周( 3 6 0 。) ，位移是l m m 。当某一方向上工作位移为文单位m m ) ，需要给电机发出的 脉冲数目竹：堑坚+ s 。目前电机的步距角设为0 3 6 。，整步最小位移为l u m 。设置 d 更小的步距角可以提高电机的精度，但电机速度会变慢。 电机的运动可通过对p c i1 7 5 0 卡编程来控制，控制电机方向的语句如下： p t d i o ”。i 。b i p o 。2 0 ：l x 电机 p t d i o w r i t e b i t b i t = l ： j p t d i o w r i t e b i t s t a t e 2 1 ： 1 设为正向 d r v d i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) j p t d l o w r i t e b i t - s t a t e 2 0 ： 、l 设为反向 d r v _ d i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ： j p t d i o w r i t e b i t - p o r t 2 0 ： l i l y 电机 p t d i o w r i t e b i t b i t = 7 ： j p o i o 。i 2 8 8 1 8 a 。2 1 ： l 设为正向 d r v d i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ：j p 0 1 。”。i 8 8 i 8 8 8 2 0 ： 1 设为反向 d r v d i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ： j 1 9 = ：墨竺塾型竺丝丝坌堑墨篓生 堑型塑垄塞兰墨竺箜些堡堡生兰三苎翌塞 表2 - 2 电机步距角参数表 刀h z 4 图2 - 1 3 平台d a t a 刻度图 以下是控制电机运动程序段： d i a ls e t t i n g s t e pa n g l e 00 7 2 。 1 0 3 6 。 20 2 8 8 。 30 1 8 。 40 1 4 4 o 50 0 9 。 60 0 7 2 。 7 0 0 3 6 。 8 o 0 2 8 8 。 90 0 1 8 o a0 0 1 4 4 。 b 0 0 0 9 4 c o 0 0 7 2 0 d 0 0 0 5 7 6 。 e o 彻6 。 f 0 0 0 2 8 8 。 n u m p u l s e = a b s ( d i s t a n c e * ( 3 6 0 s t e p a n g l e ) ) ；1 1 计算脉冲数目 f o r l i n ti = l ：i = n u m p u l s e ：i + + ) p t d i o w r i t e b i t p o r t = o ： p t d i o w r i t e b i t b i t = o ： p t d i o w r i t e b i t s t a t e = o ： d r vd i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ：高电平 p t d i o w r i t e b i t p o r t = o ： p t d i o w r i t e b i t b i t = o ： p t d i o w r i t e b i t s t a t e = l ： d r v d i o w r i t e b i t ( d r i v e r h a n d l e ，& p t d i o w r i t e b i t ) ：低电平 ) 2 0 堑型塑垄皇曼墨丝堕垡些垦生皇三堇曼墅 2 2 2 3 曝光方式 二、系统软硬件性能分析及设计 (a)(b)( c ) 图2 一1 4 三种曝光方式的程序流程圈( a ) 逐点方式；( b ) 逐线方式：( c ) 逐图形方式 图2 一1 5 三种曝光方式对应的软件界面( a ) 逐点方式：( b ) 逐线方式：( c ) 逐图形方式 、 系统软硬件性能分析及设计 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 通过对激光光源以及电机运动的控制可分别实现逐点、逐线以及逐图形的曝光方 式，适用于不同元件的制作。 1 逐点方式 逐点曝光方式的程序流程如图2 1 4 ( a ) ，该方式可支持系统制作多阶二元光学元 件，相应的控制界面如图2 - 1 5 ( a ) 。先要选择位相角位图文件对应的十a r f 格式文件， 软件界面可以选择电机的步距角，默认为0 3 6 。；步距为光点的尺寸。由于光亥8 胶曝 光需要一个响应时间，因此需要设置停顿时间。可以通过界面的单选框选择元件的台 阶数目，使得软件弹出不同台阶数的曝光时间输入窗口。 2 逐线方式 逐线扫描曝光方式的程序流程如图2 1 4 ( b ) ，该方式可支持系统光刻光栅，相应 的控制界面如图2 1 5 ( b ) 。需要通过软件界面输入光栅空频、光栅面积参数。可以选 择电机的步距角，默认为0 3 6 。 3 逐图形方式 逐图形曝光方式的程序流程如图2 - 1 4 ( c ) ，该方式可支持系统实现数字光变图 像，相应的控制界面如图2 1 5 ( c ) 。该方式实现o v d 时，需根据o v d 图形象素单元 的取向设计出相应的模板，具体设计方案将在第三章中详述。通过界面选择奉a r r 格 式的o v d 文件和相应的模板。同样需要输入曝光时间、停顿时间、步距，选择电机 的步距角，这里步距为在l c d 上显示的单元图形的尺寸。为了确保象索单元光强均 匀，应将单元图形显示在光束中心位置，图形的显示位置通过界面上的x 、y 坐标值 来调整。 2 2 2 4 软件界面简介 s v g ，l d w 0 4 系统软件界面如图2 1 6 所示，整个界面由四大部分组成：菜单、 快捷按钮、显示窗口以及进度条。显示窗口由l c d 显示窗、c c d 显示窗以及直写轨 迹显示窗构成。软件界面上l c d 显示窗口显示的图形与实际l c d 上显示的图形同步。 c c d 显示窗口实时显示了胶面光点的像，大大方便了调焦。直写轨迹显示窗口准确 2 2 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究二、 系统软硬件性能分析及设计 的显示了文件的执行情况，有助于估算运行时间，合理安排工作。 图2 1 6 s v g - l d w 0 4 系统控制软件界面 三、直写工芭与应用研究 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 三、直写工艺与应用研究 3 1 多台阶二元光学元件的制作方法和工艺研究 二元光学元件的基本制作工艺是超大规模集成电路中的微电子加工技术。但是， 微电子加工属薄膜图形加工，主要需控制的是二维薄膜图形；而二元光学元件是一种 表面三维浮雕结构，需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度，其加工难度更大。 目前二元光学元件的制作工艺主要有刻蚀法、薄膜沉积法、电子束激光直接写入法、 准分子激光加工法。刻蚀法发展最早，最成熟。也是当前最常用的一种方法。包括掩 模设计及制作，图形转印和基片刻蚀三个步骤。多次重复上述工艺过程，就可以制作 成多台阶表面浮雕轮廓相位型光学元件。薄膜沉积法流程与光刻法相同，唯一不同的 是，台阶的形成不是通过刻蚀，而是沉积一定厚度的薄膜。沉积法的优点是能够实现 膜层厚度的实时监控，台阶深度精度高。而刻蚀法则在结构强度及其牢固性方面优于 薄膜沉积法。刻蚀法和沉积法制作二元光学元件加工环节多、制作周期长、且对准精 度难以控制。电子束激光直接写入法是一种新兴的二元光学元件加工方法，不需要 掩模，因此不存在掩模的套刻误差。由于台阶的近似效应、抗蚀剂的非线性及光学邻 近效应等，存在边角圆化、线尾缩短等缺点，在精度上受到一定的限制。直接写入法 尚处于研究和发展阶段，其性能还不够完善。准分子激光加工法通过投影系统使掩模 成像在基片上，然后对基片进行刻蚀。它通过控制脉冲数目来控制激光切割的深度， 不存在光刻中出现的侧向钻蚀问题，元件的制作精度取决于掩模的制作精度。目前国 内二元光学元件的加工工艺尚不成熟，加工的元件与理论设计尚还有一定的距离，深 入研究二元光学元件的加工工艺，对开辟光学技术的数字化领域具有重大意义。 本课题主要研究直写法制作二元光学元件。目前，国内外学者在这方面已作了不 少研究。如用激光直接光刻法制作了8 相位台阶菲涅尔衍射微透镜列阵f 9 】：利用激光 直写系统制作了用于光束整形的二元光学元件【3 3 1 ；采用电子束直写法实现了四台阶衍 射光学元件p 引。文献中报道的无论是激光直写法还是电子束直写法，均需要多次直写 二元掩模，这对系统的对准精度有很高的要求，提高了制作成本，掩模自身也带来了 一定误差【3 。本课题研究通过曝光量控制台阶深度，一次性光刻实现多位相台阶，避 堑型塑些皇三至苎盟垡些丝盐皇三苎! 塑 三：皇三三兰兰壁! ! ! ! 堕 免了多次套刻。 3 1 1 设计理论 关于二元光学元件的位相优化设计，国内外已经研究过许多不同的数学方法。其 中迭代傅立叶变换算法、模拟退火算法、遗传算法、直接二元搜寻法等由于其独特的 寻优特性，在二元光学的设计方面已经得到了广泛的应用。本文主要采用 g e r c h b e r g s a x t o n 提出的并被许多作者改进的迭代傅立叶变换算法f 3 7 1 设计元件，算 法的基本原理如图3 - 1 所示。 利用迭代傅立叶变换算法进行元件的设计时，从具有振幅分布b ( u ，v ) 的像平面 开始，并假设初始位相分布是九( x ，y ) 。步骤如下： ( 1 ) 将像平面( u ，v ) 的光场f ( u ，v ) 进行逆傅立叶变换，得到元件面( x ，y ) 上的光场 分布f ( x ，y ) 。 ( 2 ) 由于所设计的元件为纯位相型元件，其振幅为l 。因此，用平行光振幅a ( x ，y ) 来代替if ( x ，y ) i ，且制作的是多台阶结构，需要对位相角进行相应的量化。 。 ( 3 ) 将元件面上的光场进行傅立叶变换，得到像面光场分布f ( 1 i ，v ) 。 ( 4 ) 为了使再现像不断逼近目标图像，保持像面光场的位相不变，用目标图像振 幅b ( u ，v ) 来替代再现像的振幅分布l f ( u ，v ) l 。 迭代傅立叶变换算法单个循环有以上4 个步骤，不断迭代上述过程，按照评价函 数一步步逼近目标图像，直到所优化的位相结构满足所设计的要求为止，最终输出元 件的位相分布。 衍射光学元件面( x ，y )像平面( u ，v ) 图3 - 1 迭代傅立叶变换算法的流程图 2 5 输入 兰、直写工艺与成用研究 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 两台阶位相结构的位相角】；c ，被量化为 0 ，冗) ；四台阶位相角y 被量化为 o ，r d 2 ，3 7 t 2 ) ，八台阶位相角 f ，被量化为 o ，r d 4 ，r d 2 ，3 n 4 ，n , 5 r d 4 ，3 吡，7 r d 4 ) a 留么么 k - t 一 ( c ) x 图3 2 多阶相位轮廓光栅( a ) 二台阶：( b ) 四台阶：( c ) 八台阶 二元光学中所关注的衍射效率与台阶数目有关。以多阶相位光栅为例进行分析 ( 图3 2 ) 。设每个台阶的高度相同，台阶总数工= 2 ”( n 是正整数) ，令k 是从左向右 的台阶序号，则相应的相位函数是薹l - i8 1 2 f u t i l r e c t ( 等，其中工：印一1 ) d 2 t 。 的台阶序号，则相应的相位函数是( 三半，其中工= 印一 。 k = 0 ，厶 此光栅的透过率函数r ，( x ) 可写成 “垆e 。6 ( x - r o t ) 十州争掣l - i2 妒耐警) 】 ( 3 - ) m l 1 r z oj 其角谱为 f r 。( x ) = 善j ( 。r 一手) e f 2 f ，( 1 ，) 帮美e 。2 7 7 。 一( 3 2 ) 对m = i ，有f = l t ，则1 级闪耀的衍射效率为 ，7 。：口：l a s i + ： s i n ，u r ，l ) 1 2 ：i s i n c ( 1 l ) 1 2 丌l ( 3 3 ) 新型激光直写系统的优化设计与工艺研究 三、直写工艺与应用研究 表3 - 1 不同台阶深度衍射效率理论值与模拟值 l n ( 理论)q ( 模拟) 24 0 5 3 7 7 48 1 7 3 4 89 4