（光学工程专业论文）并行激光直写关键控制技术与实验研究.pdf

学位论文使用授权声明 1 1 1 11 11i t l lu f lrlr l ii| 、i17 3 3 2 9 3 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 既：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名： 导师签名：一 日期： 日期： 并行激光直写关键控制技术与实验研究 中文摘要 并行激光直写关键控制技术与实验研究 中文摘要 随着光电子器件、平板显示器和激光全息行业的快速发展和技术进步，激光直写 技术已成为了一种先进的光学加工技术，在诸多领域已有了广泛应用。总体来看，激 光直写系统的研究领域主要集中在集成电路制造、微光学元件加工、印刷电路板布线 等。 本课题设计了一种可实现多种工艺的并行激光直写系统，不仅可以进行简单的点 曝光，还可以实现逐面并行拼接曝光和直角坐标、极坐标矢量扫描光刻的功能。拼接 曝光可实现高精度复杂图形的制作，用可变形状的光斑进行扫描光刻可实现具有三维 槽型结构器件的制作。 本系统的原理是把数字微反射镜( d i g i t a lm i c r o - m i r r o rd e v i c e ，d m d ) 上的图像经过 微缩透镜后成像在光刻胶板上，得到一个缩小倍率的、高质量的任意光斑图形，配合 先进的控制系统和程序，实现逐面拼接光刻、扫描光刻的功能，具有高效率、高质量 和高精度的优点。本论文对系统软硬件设计进行了简单介绍，对控制部分进行了分析 研究，并通过光刻实验验证了其性能的优越性。 本课题的具体工作为： 一、参加建立以p m a c 为控制器的控制系统； 二、编写部分子程序，进行了拼接曝光制作数字化全息透镜和变形光斑极坐标扫 描光刻制作菲涅尔透镜的实验，验证了并行激光直写系统的性能。 关键字：并行激光直写技术；p m a c ；数字化全息透镜；菲涅尔透镜 作者：李现胜 指导教n - 陈林森 英文摘要 并行激光直写关键控制技术与实验研究 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lk e y - - t e c h n o l o g ya n de x p e r i m e n t s o fl a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t o - e l e c t r o n i cd e v i c e s ，f l a t - p l a t ed i s p l a y ( f p d ) a n dd i g i t a l h o l o g r a p h i ci n d u s t r i e s ，l a s e rd i r e c tw r i t i n g ( l d w ) t h a th a sb e e nw i d e l yu s e da sa na d v a n c e d o p t i c a lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u ei nm a n ya r e a so fi n d u s t r y a saw h o l e ，t h er e s e a r c hf i e l d so f l d wm a i n l yf o c u so ni cm a n u f a c t u r e ，m i c r o - o p t i c sc o m p o n e n t sm i c r o m a c h i n i n g ，l a s e r w i r i n ge t c t h i st h e s i sd e s i g n e dal d ws y s t e mw i t hm u l t i p r o c e s s i n g s n o to n l yt h es y s t e m a c h i e v e ss i m p l ep o i n te x p o s u r e ，b u ta l s oh a st h ef u n c t i o n so fe x p o s u r eb a s e do nm e r g i n g t e c h n o l o g y , v e c t o rs c a nl i t h g r a p h yi nr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t e sa n dp o l a rc o o r d i n a t e s w ec a n f a b r i c a t eh i g l lp r e c i s e ，c o m p l e xi m a g eb yu s i n gm e r g i n gt e c h n o l o g ya n do p t i c sc o m p o n e n t s w i t h3 dg r o o v es t r u c t u r eb yu s i n gs c a nl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yw i t l lv a r i a b l es h a p e d o p t i c a ls p o t t h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e mi st h a tt h ei m a g ew h i c hi so nt h ed i g i t a lm i c r o m i r r o r d e v i c e ( d m d ) i ss h l u n kb yt h el e n s ，a n dt h es y s t e mg e t sam i n i f i c a t i o na n dh i g hq u a l i t y p a t t e r nw i t ha n yf i g u r ed i r e c t l yo np h o t o r e s i s tp l a t e w i t ha d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m ，i tc a n e x p o s eb a s e do nm e r g i n gt e c h n o l o g yo rs c a nl i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yw i t ht h ea d v a n t a g e s o fh i g he f f i c i e n c y ，q u a l i t ya n dp r e c i s e w i t l lt h ei n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e ma n dt h er e s e a r e ho nr e l a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，t h ea d v a n g t a g e so ft h es y s t e m h a v eb e e ns h o w e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s t h et o p i c sw eh a v et a c k l e da r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 p a r t i c i p a t e di ns e t t i n gu pt h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do np m a c c o n t r o l l e r 2 d e s i g n e dp a r t so ft h ep r o g r a m t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so ff a b r i c a t i n gh o l o g r a p h i c l e n s 诚md i g i t a lm e t h o db yu s i n gm e r g i n gt e c h n o l o g ya n df r e s n e ll e n sw i t hv a r i a b l e i i 并行激光直写关键控制技术与实验研究英文摘要 s h a p e do p t i c a ls p o tb yu s i n gs c a nl i t h g r a p h yi np o l a rc o o r d i n a t e s ，p r o v e dt h es u p e r i o r i t yo f t h ep a r a l l e ll a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p a r a l l e ll a s e rd i r e c tw r i t i n g ；p m a c ；d i g i t a lh o l o g r a p h i cl e n s ；f r e s n e ll e n s i i i w r i t t e n b y ：l ix i a ns h e n g s u p e r v i s e db y ：l i n s e n c h e n 目录 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 国内外激光直写系统的研究现状2 1 2 1 单光束光刻设备的研究现状2 1 2 2 干涉型激光直写技术的研究5 1 3 论文的创新点和主要内容8 第二章激光直写系统基本原理与控制实现 2 1 系统原理1 0 2 1 1 系统基本结构1 0 2 1 2 系统硬件的选择1 1 2 2 系统控制卡( p m a c ) 介绍2 0 2 2 1p m a c 简介2 0 2 2 2p m a c 程序2 3 2 3 并行光刻控制系统的连接2 3 2 3 1p m a c 跳线设置。2 3 2 3 2p m a c 控制系统的连接2 4 2 4 系统运行的安全设计2 5 2 5 高精确拼接曝光的实现2 7 2 5 1p m a c 程序实现2 7 2 5 2p c 程序介绍31 第三章实验研究。3 2 3 1 数字化全息透镜实验制作3 2 3 1 1 理论分析3 2 3 1 2 全息透镜的设计与模拟3 4 3 1 3 实验3 7 3 1 4 结果分析3 8 3 2 极坐标扫描光刻制作菲涅尔透镜4 1 3 2 1 菲涅尔透镜的设计4 1 3 2 2 形状光斑的设计。4 4 3 2 3 实验结果与分析4 7 第四章总结与展望5 1 4 1 论文总结5 l 4 2 论文今后工作51 参考文献5 3 攻读学位期间公开发表的论文5 6 j g c 谢5 7 并行激光直写关键控制技术与实验研究 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 激光直写技术( l a s e rd i r e c tw r i t i n gt e c h n o l o g y , l d w ) 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【l 】。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，利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料( 光刻胶) 进行变剂量 曝光，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，显影后在抗蚀层表面形成所要求 的浮雕轮廓【2 羽。 激光直写主要在下面几个领域中得到了广泛的应用： ( 1 ) 二元光学器件的制作【3 5 】 传统的二元光学器件制作方法只能制作平面衍射元件，无法在曲面上制作，对于 制作旋转对称型的器件制作误差过大，而且只能适于套刻制作，工艺复杂，成品率低， 难以制作高衍射效率的器件。采用激光直写技术可以制造出高精度以及高衍射效率的 二元光学器件，激光直写系统是制作高质量二元光学器件的关键设备之一。 ( 2 ) 激光直写布线技术【6 】 电子工业中在p c b 中采用激光直接成像( l d i ) 和激光光刻线路( l d w ) 来形成精细 导线。以立体塑料作为基板，利用激光直写技术在基板上直接做线路设计，并整合了 机械与电子的功能，这代表了一种新的设计理念，对比传统的p c b 提供了更大的设 计自由度，缩短了传统制作p c b 的流程，而且由于提供了立体的线路载体，明显的 缩小了电子封装的体积，明显提高了成品质量。目前这种技术已经广泛的应用于汽车 电子、电话通信、计算机技术、工业电子器件和医疗等方面。 ( 3 ) 掩模版制作7 8 】 激光直写系统可以用于制作集成电路掩模，也可以用于制作二元光学掩模以及光 栅、码盘、鉴别率板等其他特殊图形掩模。利用激光直写系统进行掩模制作曝光性能 好、分辨率高，不易产生缺陷，可以直写任意几何形状的复杂图形。 ( 4 ) 光变图像制作1 1 第一章引言并行激光直写关键控制技术与实验研究 激光直写技术在防伪标识领域( 防伪与定位激光烫金商标等) ，在证卡、护照、 品牌商品上得到成功的应用和良好的社会效益。随着计算机、运动控制器、信息光学 器件的最新研究成果的出现，激光衍射图像数字化的进程在不断进步，各国也在投入 人力、物力加紧研发性能更好、幅面更大的衍射图像光刻系统，以支持迅速发展的激 光图像材料等行业。激光全息防伪技术有效地实现了包装防伪与包装装潢的完美统 一，是印刷包装领域的新的亮点。除此之外，激光直写技术制作数字光变图像( o p t i c a l v a r i a b l ed e v i c e ，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等方面。 1 2 国内外激光直写系统的研究现状 激光直写技术是将激光技术、机械制造、计算机控制、图形处理等高新技术紧密 结合的技术，目前国内外激光直写系统的研制水平都接近或达到了工业化水平。按照 激光直写的光束形式的不同，可以将激光直写系统分为单光束激光直写和干涉型激光 直写。单光束激光直写可实现复杂图形的制作与三维槽型的光刻，主要应用于掩膜制 作、微光学器件、印刷电路板等；干涉型激光直写可制作具有周期结构的图形，实现 亚波长周期结构的加工制作，主要应用于光变图像等领域。 1 2 1 单光束光刻设备的研究现状 德国h e i d e l b e r g 公司专业研制激光直写系统【1 2 1 ，该公司产品在半导体行业已经得 到应用，用于微米级以及亚微米级的m e m s 、s a w 、a s i c s 等微结构器件的制作， 但是价格相当昂贵。其系统型号有d w l 6 6 f s 、d w l 2 0 0 0 、d w l 4 0 0 0 、d w l 8 0 0 0 等 系列，该系统采用了扫描式的曝光模式，定位精度可达1 0 n m ，最小线宽0 6 u m ，最 大幅面为8 0 0 8 0 0 删n 2 ，直写速度为2 6 m m 2 m i n u t e - 1 6 5 0 m m 2 m i n u t e 。图1 1 是 h e i d e l b e r gd w l s 0 0 0 系列激光直写系统，图1 2 为其灰度光刻制作微结构示意图。 2 并行激光直写关键控制技术与实验研究 第一章引言 图1 - 1h e i d e l b e r gd w l 8 0 0 0 激光直写系统 i| llili 隧! ；ll 飞霉，气羔；薹 一 * 纯蕊甜“ p h o t o r e s i s ta p p l i c a t i o nl a s e rp a t 呛m i n g d e v e l o p m e n t 图1 - 2d w l 8 0 0 0 制作微结构示意图 美国的a n v i k 公司研制的激光直写系统以高分辨率、大光刻面积、高生产效率为 特色【1 3 - 1 4 1 ，目前其技术处于行业领先水平，该系统的核心技术是采用六边形的无缝扫 描方式。该公司的产品主要应用于微电子、光电子、微机械等领域。系统系列的分辨 率在1 5 岬l 岬，直写面积在1 5 0 m m x l 5 0 m m - - - - 6 1 0 m m x 9 1 5 m m 。 实验研究 图1 - 4 a v i k 系统直写的模板 日本的n e o a r k 公司研制出d d b2 0 1 2 0 5 型激光直写系统，该系统设计紧凑， 体积很小，可实现自动聚焦，采用4 0 8 n m 激光束曝光，平台定位精度1 0 n m ，最小线 宽l u m ，幅面为1 0 m m x1 0 m m ，直写速度为5 0 u m s 5 m m s 。图1 5 为d d b 2 0 1 型激 光直写系统及其制作的微结构图。 并行激光直写关键控制技术与实验研究第一章引言 l 丝m w i d t h b r a n c h 图1 - 5d d b 2 0 1 型激光直写系统及其直写的模板 2 0 0 1 年，中科院长春光学精密机械与物理研究所成功研制了二元化光学器件激光 直写设备【1 5 1 ，该设备为四轴( x 、y 、0 、z ) 曲面直写系统，并实现了曲面直角坐标 和极坐标两种直写方式。其x 、y 、z 三个方向的行程分别为2 0 0 m m 、2 0 0 m m 、4 0 m m 并且采用了压电陶瓷与步进电机组合的方式进行传动，定位上使用的是h e i d e n h a 2 0 n m 分辨率光栅尺，激光光源为h e c d 激光器。2 0 0 9 年，中科院上海光学精密机械 研究所利用蓝光激光直写系统和高速旋转方法在多层功能薄膜上实现特征尺寸为 3 0 0n l n 到9 0n l t l 的微纳结构高速大面积激光直写制造【1 6 1 。直写速率可达6m s ，是 传统激光直写方法数百倍以上，最小特征尺寸达到了激光直写系统光斑的l 8 左右。 该技术在世界上处于领先水平，在跨尺度的任意微纳图形结构、微电子光刻领域中的 掩膜板以及超高密度光盘母盘制备等方面具有重要的应用。 1 2 2 干涉型激光直写技术的研究 国内外有关干涉型激光直写的研究工作开始于1 9 9 5 年，初期被称作为点阵全息 系统【1 7 。2 川( d o t - m a t r i xh o l o g r a p h y ) ，由美国l i g h td i m e n s i o na r t 公司提出专利，最初 的系统运行速度仅达到4d o t s s ，图像分辨率仅达到2 0 0 d p i 。该系统仅仅实现了原理 样机，没有真正实现工业化应用，主要缺点是需要极其苛刻的稳定性环境，所以该类 系统不能实现高速光刻运行。 2 0 0 3 年，英国s p a t i a li m a g i n g 公司等研制的l i g h t g a t e v 4d h p ( d i g i t a lh o l o g r a p h i c 第一章引言 并行激光直写关键控制技术与实验研究 p r i n t e r ) 系统，采用l i n e a rm o t o r 驱动，定位精度高，可制作彩虹型、银色型衍射 图像，实现了1 5 2 m m x l 5 2 m m 的光刻面积，采用圆形光点。该系统采用倒置平台方 式，横向光路，光阻剂干版反置，需要隔振台，该系统采用高分辨率光学设计，分辨 率可达7 5 0 3 0 0 0 d p i ，最高速度3 0 d o t g s ，但制作速度极慢，光刻2 ”2 ”的面积至少 2 0 8 小时( 7 5 0 d p i ，3 0 d o 耐s ) 。至2 0 1 0 年，该公司已研制出了l i g h t g a t e b 5 、l i g h t g a t e s l 、 l i g h t g a t e p 2 、v i ps y s t e m 等性能更好的系统，分辨率可达4 0 0 0 d p i ，光刻速度的到了 很大提高，是传统光刻系统的1 0 0 倍。 图1 - 6l i g h t g a t e b 5 激光直写系统 在大面积干涉光刻系统方面，由美国的i t wh o l o g r a p h i e 所研制的i s c a n t e c h n o l o g y 具有2 x a 4 的幅面，圆形光点，制成的h o l o g r a p h i cp a p e r 主要应用于美国 的t v g u i d e 封面( 单元图像达到a 4 规格) ，可口可乐的外包装等，产生了巨大的影 响，展示出巨大的市场前景。但是该系统分辨率太低( 1 0 0 2 0 0 d p i ) ，仅能进行简单动 态衍射图形的制作。 m i t 科研人员提出了一种制作纳米级相位畸变光栅的新方法一干涉光束扫描光 芴j ( s c a n n i n gb e a mi n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y , s b i l ) 。s b i l 类似于传统的干涉光刻方法， 也就是采用双光束干涉方法，只是每次曝光的区域远远小于所要求整个光刻面积。他 们的做法为把光刻胶版置于一水平放置的二维移动平台上，单次曝光很小的区域，然 6 并行激光直写关键控制技术与实验研究第一章引言 后通过精确控制平台的移动来实现大面积的均匀曝光，s b i l 依赖于精密的平台和条 纹锁定干涉仪，其精度可以达到0 i n m 。目前m i t 研究人员已经成功加工出周期 4 0 0 h m ，口径不一( 1 0 0 眦n ，1 5 0 m m ，3 0 0 m m ) 的商用光栅。图1 - 7 ( a ) 为采用s b i l 方法 加工的周期为4 0 0 n m 、直径为3 0 0 m m 的大口径光栅，加工时间约为一个小时，( b ) 为 光栅的微结构图。 ( a )( b ) 图1 7 用s b i l 方法加工的周期为4 0 0 n m 、直径为3 0 0 m m 的大口径光栅 在国内，该领域具有代表性的研究单位是苏州大学伫1 2 6 1 ，从1 9 9 5 年开始研究数 字化激光全息光刻系统与技术，并于1 9 9 7 年研制成功了第一台“数码激光全息制版 系统h o l o m a k e r - i ”，采用光栅分束干涉的方式，对环境的振动不敏感，系统的运行速 度达到3 0 d o t s s ，图像分辨率可以做到6 0 0 d p i ，达到当时的国际领先水平，并在行业 中得到迅速应用，成为激光图像行业、防伪行业的主要技术贡献者。1 9 9 9 2 0 0 2 年， 苏州大学研制成功了h o l o m a k e r - i i 型以及h o l o m a k e r - i i i 型系统，其分辨率达到 1 2 7 0 d p i ，2 5 4 0 d p i 。2 0 0 6 年苏州大学成功研制幅面为6 1 0 m m x 8 0 0 m m ，使用伺服电机 控制，半导体蓝光激光器( 4 0 5 n m ) 作为光源的宽幅干涉激光直写系统 ( h o l o m a k e r - i v a ) ，进入工业化应用。 h o l o m a k e r - i v a ( 4 0 5 n m ) 系统主要技术指标有： 幅面：6 1 0 m m x 8 0 0 m m ； 图像分辨率：1 5 8 d p i 1 2 7 0 d p i ： 光刻微结构：0 6 2 0 微米； 7 第一章引言并行激光直写关键控制技术与实验研究 点型：圆光斑、方光斑； 运行速度：0 8 0 点s ； 控制方式：伺服控制，i o ，g a l i l 运动控制卡。 上述系统的主要性能处于国际领先水平，在激光图像行业中得到成功应用，产生 了巨大的示范作用，促进了行业的技术进步。 图1 2 苏州大学宽幅数字3 d 干涉光刻系统 1 3 论文的创新点和主要内容 本论文从实际应用出发，对并行激光直写系统的关键控制技术、工艺和性能进行 研究，以下体现了本课题的创新之处：以d m d 为空间光调制器的光学平台结合先进 的、可实现多维运动控制的控制技术，实现了可进行点曝光、逐面拼接曝光、直角坐 标扫描光刻和极坐标扫描光刻等多种工艺的并行激光直写系统，特别在高分辨率、具 有复杂条纹结构的图像和光学器件的制作上有着明显的优势，主要体现在光刻的效率 和加工精度上。首先，逐面光刻单元面内含有几十至几百个光刻点，速度是逐点光刻 的几十到几百倍之间，并且比逐点方式支持更高的分辨率，因为是逐面光刻，面内光 8 并行激光直写关键控制技术与实验研究 第一章引言 刻点之间的相对位置不会由于机械的走位误差而发生变化。其次，有形光斑直角坐标 和极坐标扫描光刻相组合的方式，扩大了系统的应用范围。 本文主要内容为：第一章讨论了本论文的研究背景和国内外在该领域内的研究状 况，指明了本课题主要的研究工作。第二章介绍了激光并行直写系统的基本原理及各 部分硬件的选择，分析了其控制方式和关键技术的实现方法。第三章对系统的性能作 了评价，实验上验证了本系统所具有的优缺点。第四章是文章的结论和展望，对本课 题研究的工作做了客观的总结以及本系统现在存在的问题做了阐述，并提出课题下一 步的研究方向和内容。 9 第二章并行激光直写系统原理与实现并行激光直写关键控制技术与实验研究 第二章激光直写系统基本原理与控制实现 本文介绍的并行激光直写系统是一种基于d m d 空间光调制器的有形光斑的光刻 系统，d m d 上的图形经微缩透镜缩微后被直接成像在光刻胶板上，得到高质量的任 意形状的光斑。通过d m d 对光束调制、控制曝光量以及系统的运行模式，并行激光 直写系统实现了高质量、高分辨率光学器件的制作。本章将首先对系统结构和各部分 硬件做基本的介绍，然后对控制部分做详细的介绍和分析。 2 1 系统原理 2 1 1 系统基本结构 激光直写系统按照工作平台结构坐标的方式可以分为：直角坐标方式、极坐标方 式、直角坐标和极坐标组合方式。本并行激光直写系统采用的是直角坐标和极坐标组 合方式，运动平台在x ，y 方向上做二维运动，并且平台可做极坐标旋转运动，光学 镜头在z 方向可做上下运动，实现系统的自动调焦，这样该系统为一个x y - z 0 的四 维运动系统，图2 1 为激光直写系统原理图，半导体激光器发出激光后进入扩束镜， 经过扩束准直后再经反光镜反射到d m d 显示屏上，经显示屏反射的光束带有d m d 显示屏上的图像信息，经分束镜分束后，一束经过微缩透镜后把图像投射到加工平台 上成为曝光光斑，另一束作为加工激光束的共轭光束进入c c d ，通过观察其共轭像 对加工过程进行实时监控。图2 2 为激光直写系统的实物图。 图2 1 基于d m d 的光刻加工系统 1 0 并行激光直写关键控制技术与实验研究第二章并行激光直写系统原理与实现 图2 - 2 并行激光直写系统整体实物图 并行激光直写系统的主要功能包括： ( 1 ) 数字微反射镜( d m d ) 作为空间光调制器接收来自计算机的数字化图像，并在软 件的控制下将图像按特定的顺序显示到显示屏上。 ( 2 ) 软件编程制作了一个数字合成激光加工系统的计算机操作平台，用来控制计算 机图像的输出、曝光平台的运动、半导体激光器的状态，并监控光斑的聚焦状态、工 作进度等，使加工制作完全自动完成。 2 1 2 系统硬件的选择 1 光源 先前我们采用h e c d 激光器( 4 4 1 6 n m ) 做为激光光源，尽管这种激光器的光束具 有光束模式好，单色性高和光斑质量好等优点，但这种激光器在使用上也有着其不可 避免的缺点。h e c d 激光器在打开电源后，至少需要预热3 0 分钟，关闭激光器时， 先要收光，半小时后关闭电源开关。光功率虽然可以通过改变电源控制箱上的电流和 电压调节，但需要专业人员调节，使用较不方便。h e c d 激光光束需要通过声光调制 器( a o m ) 控制通断，将会降低光利用率以及增加光路调节的难度。同时由于其本身庞 大的体积，系统将显得不紧凑，对调节光路也是一个挑战。由于上述原因，我们改用 了4 0 5 n m 的半导体激光器( 图2 3 ) 作为光源，该光源被巧妙地与其他组件安排在同一 平台上，大大减小了系统的体积，整个系统显得非常紧凑，不仅节省了实验室空间， 而且为系统商品化提供了有利的条件。与h e c d 激光器相比，半导体激光器只需打 开电源开关，约5 分钟即可稳定，直接关闭电源即可，半导体激光器不仅使用方便， 第二章并行激光直写系统原理与实现并行激光直写关键控制技术与实验研究 而且能够提高工作效率。半导体激光器可直接由计算机编程控制，无需声光调制器， 提高了光能利用率，同时有利于光路的精密调整。此外，对于目前使用的光刻胶对 4 0 5 n m 激光具有更高的灵敏度，可以缩短曝光和停顿时间，提高光刻速度。并且半导 体激光器性价比更高。h e c d 激光器( 1 2 0 m w ) ：3 万美元左右，工作寿命：4 0 0 0 小时， 而半导体蓝光激光器：8 千美元，工作寿命：1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 小时。 图2 - 34 0 5 n m 半导体激光器 但是半导体激光器光斑质量没有h e c d 激光器好，这也是一个非常致命的弱点， 如果要制作高质量的产品，须对光束进行适当的扩束和整形。此外由于其感光灵敏度 高，光斑内稍有不均匀就会产生条纹深度不均，一般为高斯光斑，中间光强比四周较 强，从而会影响到产品的亮度。所以寻找一款光斑质量好、体积小、重量轻、操作方 便、功率大的激光器将是未来继续努力的方向。 2 空间光调制器【2 7 习o 】 本系统使用d m d 作为空间光调制器，d m d ( d i g i m lm i c r o - m i r r o rd e v i c e ) 又名数字 微镜器件，它是一种新型的微电子、微机械、微光学集成器件。1 9 8 7 年由美国德州 仪器公司首先发明。它是采用微电子机械原理，使用半导体工艺制作的数字开关阵列， 可以用二进制脉宽调制技术精密地控制。由于它具有高亮度、高对比度、像质好、全 迅速地在大屏幕投影显示领域得到推广应用，并在高清晰度数字电视、 挥重要作用。实际上，数字微镜器件作为一种新型空间光调制器，在半 成电路板制作、全息数据存储、合成全息、三维显示、激光直写等领域 应用前景。 1 2 并行激光直写关键控制技术与实验研究第二章并行激光直写系统原理与实现 d m d 是一种微机械半导体器件，它是在c m o ss r a m 阵列上面制作可以偏转的 微细铝反射镜阵列。d m d 可以有6 4 0 x 4 8 0 ( v g a ) 、8 0 0 6 0 0 ( s v g a ) 、1 0 2 4 7 6 8 ( x g a ) 及1 2 8 0 1 0 2 4 ( s x g a ) 等多种解析度规格。图2 _ 4 是1 0 2 4 x 7 6 8 ( x g a ) 的d m d 芯片装置 结构图，a 图装置中间的反射部分由1 0 2 4 x 7 6 8 块可偏转的微镜组成，外面是玻璃窗 口封装以保护里面的微镜阵列。微镜为正方形，边长是1 3 6 8 微米，单元与单元之间 的间隔为l u m ( 如b 图所示) ，c 图为单个像素微结构图。目前最新参数的d m d 微镜 单元边长达到了1 0 u m 左右，单元与单元之间的间隔小于l u m 。图2 5 是微反镜放大 后的照相图。 ( b )( c ) 图2 - 4 d m d 芯片及其微结构 图2 5d m d 像素放大图像 d m d 的单个像素结构如图2 - 6 所示，器件的基底是硅，用大规模集成电路的技 术，在硅片上制出r a m ，每一个存储器有两条寻址电极( a d d r e s s i n ge l e c t r o d e s ) 和两 个搭接电极( l a n d i n ge l e c t r o d e s ) 。通过扭臂梁铰链( t o r s i o nh i n g e ) 在支柱上安装一个微 第二章并行激光直写系统原理与实现并行激光直写关键控制技术与实验研究 型反射镜，形成一个“蹊跷板”的结构。d m d 单元项层的微镜镜片呈正方形，边长 1 3 6 8 u m ，它与下面的扭臂梁相连接，扭臂梁通过两根细薄的铰链悬置在两个支柱上。 微镜寻址电极和两个三角支柱与金属块层和c m o s 基体相连接。对于每一个微镜单 元，一对寻址电极需要连接到其下方r a m 单元c m o s 电路的电压互补端，所以每一 个微镜单元都有两个导电通道。系统依靠r a m 单元对每一个微镜进行寻址，并使用 c m o s 电路提供的静电力驱动微镜绕固定轴转动。首先，根据m e m o r y 单元状态，产 生一个弱的、非均匀的静电场来控制微镜的偏转方向。然后，一个大一点的偏置电压 加在d m d 的上半部( 微镜、扭臂梁) 和下半部( 金属块、c m o s 基体) 之间，从而产生 一个强的、均匀的静电场。使得微镜在静电力的作用下，被吸附到的下面的扭臂梁寻 址电极和微镜寻址电极上。然而，由于d m d 单元上半部分( 微镜、扭臂梁) 与金属层、 c m o s 层平行且很不稳定，当一旦加上偏置电压，微镜和扭臂梁就会以非常快的速度 偏离平衡位置。 倾斜一1 0 度的镜面 层 图2 - 6d m d 微结构放大图像 d m d 像素调制入射光波的原理如图2 7 和2 8 所示。微反射镜共有三个工作状态， 没有寻址信号时，微反射镜处于水平状态( 称为“f l a t 状态) ，入射光以与微反射镜平面 法线成2 0 0 角入射，又以2 0 0 角反射，反射光不会通过投影透镜，因此不会成像；d m d 1 4 并行激光直写关键控制技术与实验研究第二章并行激光直写系统原理与实现 工作时，微反射镜在寻址信号控制下反光镜绕扭臂梁旋转，到达搭接电极，扭转角度 有两个，1 0 0 和1 0 0 。扭转1 0 0 时，出射光将以与原来水平位置夹角为4 0 0 被射出，更 加不能通过投影物镜，此状态成之为“关 态；扭转角度为1 0 0 时，被此微反镜反射 的出射光正好与原水平位置法线重合，恰恰通过d m d 前方的投影物镜，到达了接受 屏，接受屏上就可以接受一定的亮度，此状态我们称之为“开态。这样，所要显示 的图像通过寻址信号把他们的亮度信息传递给d m d 。例如要显示一个完全的白色场， 那么d m d 就受到的控制信号使所有的微反射镜都以1 0 0 角偏转，几乎所有的光线都 通过投影物镜，从而在接受屏上得到一个亮的白场；而显示一个完全黑的场正好相反， 那么d m d 接受到的控制信号使所有的微反射镜都以1 0 0 的角偏转，几乎所有光线都 偏离了投影物镜，从而在接受屏上得到一个黑场。 图2 7 d m d 光转换示意图 1 5 第二章并行激光直写系统原理与实现并行激光直写关键控制技术与实验研究 一1 0 。 气 p r d j e c t ：，e n 8 、 、2 0 0 2 0 。 烀 z 、 、| 、! 一一 图2 - 8 单个像素工作原理 本系统使用的d m d 参数如表2 1 所示。尽管t i 公司自首次研制出第一代d m d 产品以来至今已发展到第五代，在技术上己相当成熟，但它一直没有正式通过分销商 单独销售d m d 及其伺服电路，而只批量供给松下、l g 、三星、惠普、索尼、明基 等大的投影机制作厂商。直到2 0 0 2 的三、四月份，d m d 才单独作为电子元件正式推 向市场，但购买单独销售的d m d 产品的最大问题是其价格过于昂贵，为了降低系统 研制成本，在系统设计中为了获得d m d ，采用的方法是改装了一台使用d m d 做空 间光调制器的投影仪。在改装过程中可以更好的了解d m d 成像性质，从而对接下去 的实验工作有帮助和指导作用，图2 - 9 为改装后的d m d 图片。 表2 - 1d m d 参数 分辨率 像素大小填充因子对比度灰度等级刷新率 ( u m u m ) ( h z ) 10 2 4 x 7 6 81 3 6 8 x1 3 6 89 0 2 0 0 0 ：12 5 66 0 并行激光直写关键控制技术与实验研究 第二章并行激光直写系统原理与实现 图2 - 9 改装后的d m d 在安装d m d 时，d m d 必须放置在反射镜的前方，接收来自计算机的图像信息， 并将激光照明的均匀光调制成带有图像信息的光，经反射镜反射、微缩透镜微缩后投 射到加工平台上。为了避免图像成像畸变，要保证光束经d m d 反射后能够垂直出射。 根据d m d 微镜沿对角线翻转正负1 0 0 的特性，如需垂直出射，入射光线必须在d m d 另一条对角线与法线的平面内，并与法线成2 0 0 角入射，这样的光线有两条( 图2 1 0 所示) ，一条是入射光线从斜上方入射，一条是从斜下方入射。根据实际的操作实验， 当d m d 接收到计算机屏幕白色的信号时，入射光线应当从斜上方入射时，光线才能 垂直出射。考虑到光路搭建的可行性，将原来应当从斜上方入射改为从斜下方入射， 前提是将要光刻的灰度图像做一下反色处理即可。 1 7 第二章并行激光直写系统原理与实现并行激光直写关键控制技术与实验研究 图2 - 1 0 光线入射示意图 3c c d 传感器 由于并行激光直写系统对高分辨率，高成像质量的要求，选择c c d 来采集图像 监控光斑的聚焦情况是必不可少的。图像传感器c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器 芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后可以轻易地把数据传输给计算机。 c c d 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当c c d 表面受到光线照射 时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在 一起，就构成了一幅完整的画面，实现图像的采集，图2 1 1 为c c d 实物图。 图2 1 lc c d 实物图 1 8 并行激光直写关键控制技术与实验研究第二章并行激光直写系统原理与实现 4 运动平台 考虑到减小机械振动以及温度、湿度等外界环境对系统结构的影响，所以系统的 主体机座和运动平台均是采用优质花岗石材料，该材料具有热变形小，耐酸碱，不生 锈，表面光滑，质地坚硬、能够长时间保持其精度等优点。 5 执行电机 本系统选用以色列n a n o m o t i o ns t m 系列压电陶瓷电动机来控制，它是基于压电 现象产生超声驻波的原理而开发的，也称超声波电动机，具有优异的运动平稳特性和 动态特性，满足了运动平台快速、准确、平稳的要求。与直线电机和旋转电动相比， 陶瓷电机工作时没有内在磁场和运动部件，结构紧凑，行程不受限制，能够达n - 者 所不能匹敌的精度。并且同一台电机可直接驱动实现高分辨率的直线运动或旋转运动 控制，实现平台的直角坐标运动定位和极坐标运动定位。 压电陶瓷电动机的运动控制系统具有如下功能和特点： ( 1 ) 定位精确高，分辨率可达1 岬，步进增量1 0 n m ； ( 2 ) 运动速度平稳，最低l l a x n s ，最高2 5 0 m m s ； ( 3 ) 标准应答时间短，为5 0 7 5 p s ； ( 4 ) 整定时间明显优于一般伺服电动机，以0 1 岬的分辨率为例，只需1 - 2 m s ， 为一般伺服电动机的1 1 0 ； ( 5 ) 重量轻，体积小，定位后没有一般伺服电动机存在的晃动问题； ( 6 ) 行程无限制。 图2 - 1 2