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高分辨率激光并行直写系统研究与应用 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，对激光直 写系统的性能提出了更高的要求。从国内外激光直写系统的研究与制造商的情况来 看，其研究及应用领域略有不同，由于国外在光电子、平板显示的先导性和培育情况 良好，国外的研究工作与上述关键行业的接轨良好，主要集中在单光束精密快速激光 光刻技术和设备研制方面，应用于集成电路制造、微光学元件加工、激光直写布线技 术、m e m s 、m o e m s 和光学检测等各个领域。国内也有多家研究机构对激光直写 系统及工艺进行了大量的研究，主要应用在数码光变图像、二元光学元件制作以及各 种掩模板制作等方面，在光电子、平板显示行业的涉及面较少。 本文介绍了一种采用数字微反射镜( d m d ) 输入的激光并行直写系统，适用于 超高分辨率图像光刻制造，并支持多光束干涉光刻( i n t e r f e r e n c el i t h o g r a p h y ) 。通过 智能识别图形的轮廓，实现了对高分辨率图像的高效率的制作，采用d m d 逐面输入 方法，大大提高了光刻系统运行效率，克服了单光束直写和e b e a m 曝光技术，高分 辨率图形与运行效率低的矛盾。通过控制输入图形的结构、刻蚀深度、干涉条纹取向， 激光并行直写光刻系统不仅能够制作精密平面图形，同时也支持光学可变图像 ( o p t i c a lv a r i a b l ed e v i c e ，o v d ) 如2 d 3 d 、3 d 以及超微图形文字、二元光学元件 以及光导板的制造。 图像处理软件和控制软件是基于激光并行直写系统开发的。提出了高分辨率光变 图像处理与输入方法，使得制作高分辨率的衍射图的步骤简便，支持具有复杂结构的 2 d 3 d 、3 d 图像以及各种微图形与文字处理与输入，并采用不同的曝光方式与之匹 配，有效提高了系统的运行效率，。 通过对系统软硬件设计及应用的深入研究，得出了一套高性价比、实用化的实验 研究设备，其部分技术已得到工业化应用( 如新一代驾驶证) 。 关键词：激光并行直写光刻，图像处理软件，数字光变图像，数字微反射镜 作者：吴智华 指导教师：陈林森 高分辨率激光并行直写系统研究与应用英文摘要 r e s e a r c ho nh i g hr e s o l u t i o nl a s e rp a r a l l e ld i r e c tw r i t i n g s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n s a b s t r a c t n o w a d a y s ，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 i a t p l a t ed i s p l a y ( f p d ) a n d d i g i t a lh o l o g r a p h i ci n d u s t r i e s ，n e wa n dh i g hr e q u i r e m e n t sf o rl a s e rd i r e c tw r i t i n g ( l d w ) s y s t e ma p p e a r si n c r e a s i n g l y t h er e c e n ts t u d i e so nl a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e ma le d e s c r i b e do nt h ef o l l o w i n g t h es t u d i e sa b r o a df o c u so nh i g hs p e e dp r e c i s el a s e r l i t h o g r a p h yu s i n gs i n g l el a s e rb e a m ，w h i c h i sw i d e l yu s e di ni cm a n u f a c t u r e ，m i c r o o p t i c s c 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 rw i r i n g ，m e m s ，m o e m sa n do p t i c a ld e t e c t i n ge t c i n o u rc o u n t r y , m a n yr e s e a r c hi n s t i t u t e sa l s op a i da t t e n t i o nt ol d w s y s t e m ，a n da p p l i e dt h i s t e c h n o l o g yt of a b r i c a t eb i n a r yo p t i c a lc o m p o n e n t sa n dv a r i o u sm a s kp l a t e s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，l a s e rp a r a l l e ld i r e c tw r i t i n g ( l p d w ) s y s t e mb yu s i n gd i g i t a l m i c r o m i r r o rd e v i c e ( d m d ) a si n p u td e v i c ei si n t r o d u c e d l p d wi s a p p l i e dt o f a b r i c a t i o no fi n t e r f e r e n c e l i t h o g r a p h yw i t ht h eh i g hr e s o l u t u i o np a t t e r n s t h r o u g h i d e n t i f y i n gt h ep r o f i l e ( c o n t o u oo fp a t t e m si n t e l l i g e n t l y , t h ef a b r i c a t i o n o fh i l g hr e s o l u t i o n o p t i c a l v a r i a b l ed e v i c e ( o v d li s a c c o m p l i s h e dw i t hh i g h e re f f i c i e n t a d d i t i o n a l l y , a c c o r d i n gt ot h em e t h o do fa r r a yb ya r r a yd m di n p u t ，t h es y s t e mo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yi s g r e a t l yi m p r o v e d t h ec o n f l i c t i o no fh i g hr e s o l u t i o na n dl o we f f i c i e n c yf o rt r a d i t i o n a l l d wa n de - b e a me x p o s u r ei so v e r c o m e m e a n w h i l e ，t h eh i g hr e s o l u t i o n2 d 3 d ，k i n e t i c 3 d ，m i c r o t e x t s ，b i n a r yo p t i c a ld e v i c e sa n dl i g h tg u i d ep l a t ec a nb ef a b r i c a t e dw i t ht h e m e n t i o n e ds y s t e mb yc o n t r o l l i n gt h es t r u c t u r eo fi n p u tp a t t e m ，t h ee x p o s u r ea n dt h e d i r e c t i o no fi n t e r f e r e n t i a lf r i n g e s o v dp r o c e s s i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r ea l ea l s ob a s e do nt h el d w s y s t e m ，b y w h i c ho n eh i g hd e f i n i t i o no v dp r o c e s s i n ga n di n p u t t i n gm e t h o di s p r e s e n t e d ， c o r r e s p o n d i n g l yi tw i l ln o to n l ym a k et h es t e po ff a b r i c a t i n gh i g hr e s o l u t i o np h a s ei m a g e e a s i e r , t h es y s t e mf u n c t i o ne f f i c i e n c yh i g h e rb u ta l s os u p p o r tt h ep r o c e s s i n ga n di n p u t t i n g o f2 d 3 d ，3 di m a g e sw i t hc o m p l e xs t r u c t u r e ，v a r i o u st i n yf i g u r e sa n dl e t t e r se t c ，m o r e o v e r i i 高分辨牢并行激光直写系统研究- b - 应f f j 英文摘要 e m p l o yd i f f e r e n te x p l o s i o nm o d et om a t c hi t w i t ht h er e s e a r c ho nh a r d w a r e ，s o f t w a r eo ft h es y s t e ma n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，w e g e tt 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 ed i f f e r e n te l e m e n t s ， w h i c hm a k e sa ne x c e l l e n tp a r a l l e ld i r 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 ea n dl o w e r c 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 tt h ep a r a l l e ld i r e c tw r i t i n gs y s t e mh a se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e e s p e c i a l l y ，s o m ee l e m e n t s ( t a k et h en e wg e n e r a t i o no fd r i v i n gl i c e n c ef o r i n s t a n c e ) f a b r i c a t e db yt h ed i r e c tw r i t i n gs y s t e mh 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 ：l a s e rp a r a l l e ld i r e c tw r i t i n g ，i m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e ，o p t i c a l v a r i a b l ed e v i c e ( o v d ) ，d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) i i i w r i t t e nb yw uz h ih u a s u p e r v i s e db yl i n s e nc h e n 苏州大学学位论文独创性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标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：阵日期：业 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。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。 高分辨率激光并行直写系统研究j 应用第章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 激光直写技术【1 】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，是 利用聚焦的激光光束，由计算机控制声光调制器以及平台的移动，在光刻胶上进行曝 光，经过显影后得到所需要的图形。到目前为止，针对不同用途，己出现多种控制形 式的激光直写系统，大概有以下几种模式：第一种是直角坐标方式：第二种是极坐标方 式的；第三种是直角坐标和极坐标混合的方式；最后一种是基于空间光调制器的方式。 前三种是采用连续曝光或逐点曝光的方式，最后一种是采用逐个图形曝光的方法。然 而逐点光刻是通过采用尺寸更小的点进行光刻来提高图像分辨率，这样导致运行效率 下降，对机械和控制的要求也非常严格，而逐面光刻是通过空间光调制器对光束进行 调制，其图像分辨率是由空间光调制器的物理分辨率决定的，即使对机械和控制要求 不高，也能得到高分辨率的图像。因此研究高效率，高分辨率的并行光刻直写系统是 必要的。 目前激光直写技术主要在以下几个领域得到应用【2 - 2 3 1 。( 1 ) 光刻掩模的制作，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 ) 微光学元件加工如非球面二面镜，非球面二面镜加工成本高和光学表面的高 精度测量比较困难，大大地限制了它的应用与发展，但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，就可以判断出二面镜的表面误差。此测试方法 不受震动和观察的影响，因此具有很高的精度和准确性。( 3 ) 激光直写柔性布线，由 于目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、短时效的趋势发胀。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。然而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。且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。( 4 ) 高分辨率激光并行直写系统研究与应用第一章绪论 二元光学元件制作。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。但采用激 光直写的方法制作二元光学元件，由于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。( 5 ) 作数字光变图像( o v d ) 的制作，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 国内外激光直写的研究现状 目前，从国内外激光直写系统的研究情况来看，其研究及应用领域略有不同，国 外的研究工作主要集中在单光束精密快速激光光刻方面，主要应用在集成电路制造、 微光学元件加工、激光直写布线技术、m e m s 、m o e m s 和光学检测等方面。国内也 有多家研究机构对激光直写系统及工艺进行了大量的研究，主要应用在数码光变图像 制作、二元光学元件制作、以及各种掩模板制作等方面。 国外有关激光干涉直写的研究工作，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 cp 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 mx 1 5 2 m m 的光刻面积， 采用圆形光点。英国的l i g h t g a t e v 4 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 w s ，但制作速度极慢，光刻( 2 ”x 2 ”) ，的面积至少2 0 8 小时( 7 5 0 d p i ，3 0 d o t s s ) 。 美国的i t w h o l o g r a p h i c 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。但该系统存在分 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干涉光束扫描 光刻( 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 2 高分辨率激光并行直写系统研究与应用 第一章绪论 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 1 n m 。如图1 一l 为s b i l 系统的示意图。 u v l a s e r 协 图l 一1 为s b i l 系统的示意图 目前m i t 研究人员已经成功加工周期4 0 0 n m ，口径不一( 1 0 0 m m ，1 5 0 m m ，3 0 0 m m ) 的商用光栅。图1 2 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。 高分辨率激光并行直丐系统研究0 应用第一章绪论 图1 2 利用s b i l 方法加工的周期为4 0 0 r i m 径为3 0 0 m m 的大口径光栅 德国h e i d e l b e r g 公司专业研制激光直写系统，该公司产品在半导体行业已经得 到应用，用于直写微米级以及亚微米级的掩模板的制作，价格相当昂贵。图1 3 ( a ) 是该公司推出的低价的直写系统，在4 5 7 n m 波长下分辨率为4 0 0 n m ，直写速度为 4 2 m r n s ，价格不低于1 0 00 0 0u s $ 。该系统采用了扫描式的曝光模式，图1 3 ( b ) 给 出了在5 0 0 n m 厚的a z l 3 5 0 型光刻胶上制作的测试模型。图1 3 ( c ) 是该系统制作的 用于s t m 校准的光栅结构，单位尺寸为l u m 。 高分辨率激光并行直。弓系统研究。引衄用 第一章绪论 藤繁纛潮搿渤叠隧鬻麓熬鬻鬻霆囊爹。t 够! 懒挣娜嘲， 暑b c 钾睁 嘲 佃0 硅帅，r 锵娜h ；：妻。肇激兽产瓴 t 簇鬟篡：纛妊一。荔澎：7 ，7 静卜p i 彳7 i - o a - f 一 b e d 懈 _ n ， 巧 毪魏鬻麓麓搿黝 一 0 。j o 叫添 羽 j o1 ( a ) 图1 - 3 ( a ) h e i d e l b e r g 低价激光直写系统；( b ) 测试模型；( c ) 校准光栅结构 美国的a n v i k 公司研制的激光直写系统以高分辨率、大面积、高生产效率为特色， 图1 4 ( a ) 是系统的结构原理图。目前技术处于领先水平，系统的核一1 5 、, 技术是采用六边 形的无缝扫描方式，如图i - 4 ( b ) 。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 1s u m 1 u m ， 直写面积为 1 5 0 m m x l 5 0 m m 一6 1 0 m m x 9 1 5 m m 。例如，图1 4 ( c ) 是系统直写的电路板；图i 4 ( d ) 是 a v i k3 0 3 0s x e 系统采用3 0 8 n m 准分子激光器在d u p o u tp y r a l i np 1 2 6 11 d 聚合物上光 刻的线宽8 u m 、深5 6 u m 的模板。 t 商分辨率激光并行直弓系统研究j 心用 第一章绪论 i 龇锄 蝴 警s c a n 髑 3 ；j ；j 鬻蕤霾鬟嚣荔 图1 - 4 ( a ) a v i k 直写系统结构图； ( b ) 六边形无缝扫描原理图；( c ) ，( d ) ：a v i k 系统直写的模板 美国a r i z o n a 光学研制成功的四轴联动曲面极坐标激光直接写入设备，可在球基 面上制作口径3 0 0 m m 波带片，这种波带片可以用于大f i 径凸非球面的检测【2 4 】【2 5 1 。目 前a r i z o n a 已经成功研制了口径达1 8 米的曲面极坐标直写系统，如图1 5 所示。 图1 5 曲面极坐标直写系统 。 刊j蓍霞 高分辨率激光并行直写系统研究j 应用 第一章绪论 美国伊利诺斯州大学研制可以制作精密3 d 微结构2 6 1 的激光直写设备如图1 - 6 所 示；俄罗斯科学院研制了型号为c l w s 3 0 0 曲面极坐标激光直写系统，如图1 7 所示。 区雯兰了雹薹虱 端芝 图1 - 6 曲面极坐标激光直写设备 图1 7 曲面极坐标激光直写系统 目前西班牙圣地亚哥大学( 图1 8 ) 【2 7 】、德国海德堡大学等的研究机构也研制 了平面型激光直写系统。 园 南岁 高分辨率激光并行直t ；系统研究，j 心用第一章绪论 图1 8 平面型激光直写系统 国内在该领域，具有代表性的研究单位是苏州大学，从1 9 9 5 年开始研究数字化 激光全息光刻系统与技术，1 9 9 7 年，成功研制出h o l o m a k e ri 双光束光刻系统，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。2 0 0 1 年开 始，苏州大学开始进行宽幅数字3 d 图像光刻系统的研究，在2 0 0 2 年术，研制成功 以h e c d 激光器为光源的( 6 0 0 m m x 8 0 0 m m ) 的系统，其系统的分辨率可达2 5 0 0 d p i ， 初步解决了系统的运行问题。如图1 9 宽幅数字3 d 图像光刻系统 图1 9 宽幅数字3 d 图像光刻系统 慕；、门u翟 高分辨二钲激光并行直写系统研究j 心用第一章绪论 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，该设备四轴( 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 i n 2 0 n m 分辨率光栅尺，激光光源为h e c d 激光器。系统的照片如图1 1 0 所示。 图1 1 0 二元化光学器件激光直写设备 1 3 本论文主要研究内容及创新点 1 3 1 主要研究内容 本文介绍了一种采用数字微反射镜( d m d ) 作为输入器件的激光并行直写系统， 具有超高分辨率光变图像的光刻性能，由于采用d m d 逐面输入方法，系统运行效果 得到明显提升，克服了单光束直写 2 6 瑚，和e b e a m 曝光 3 1 1 中高分辨率与运行效率低的矛 盾。通过控制输入图形的结构、刻蚀深度、干涉条纹取向，激光直写并行光刻系统能 够制作2 d 3 d 、3 d 光变图像、超微图形文字以及二元光学元件。 9 高分辨率激光并行直写系统研究与应用第一章绪论 本文主要内容为：第一章讨论了本论文的研究背景、国内外在该领域内的研究现 状，指明了本课题主要做的研究工作。第二章讨论分析了激光并行直写系统的基本架 构和系统各组成部分的硬件。第三章分别介绍了图像数据处理软件和系统控制软件。 以及针对于激光直写系统制定了双卡控制模式，p m a c 控制矢量化衍射图像数据的高 速运行，i o 卡控制具有复杂衍射方向变化的数据的精密光刻，既提高了运行速度， 又保证了光刻图像的质量。第四章对系统的性能作了评价，着重对其应用的结果进行 了分析，从实验结果上验证了本系统所具有的优点。第五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，并提出本 课题下一步的研究方向和内容。 1 3 2 主要创新点 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 提出了根据图形特性的智能边界处理，实现了超高分辨率图像的高效激光并行 干涉直写光刻。通过d m d 输入图形与系统干涉控制参数相互匹配处理的方式 对2 5 6 色位图进行了图形格式转换，从而支持2 d 3 d 、3 d 光变图像以及各种微 图形文字的处理，为高效率制作高品质光变图像的提供了新方法。 ( 2 ) 系统中采用双卡控制模式，p m a c 控制矢量化衍射图像数据的高速运行，i o 卡控制具有复杂衍射方向变化的数据的精密光刻，既提高了运行速度，又保证 了光刻图像的质量 ( 3 ) 通过对激光并行直写系统的工艺的研究，技术成果在新一带驾驶证上得到了应 用 1 0 高分辨率激光并行直写系统研究及应用微第二章激光并行直写系统硬件设计与性能分析 第二章激光并行直写系统硬件设计与性能分析 2 1 引言 本章首先将对系统结构做个总体的介绍，然后再对各组成部分的性能做个详细的 分析。整个系统结构紧凑、抗震性好、运行效率高，单双光束光刻转换灵活等优点。 2 2 系统基本结构 图2 1 为d m d m - 3 4 1 并行激光直写系统结构示意图，激光器 1 ( 3 5 1 n m 或4 0 5 n m ) 的光束经过整形与扩束 2 后，入射到d m d 3 上，光束经空间调制后，由一个缩微成 像系统【4 、5 、6 】( 透镜n ，显微物镜f 2 与d m d 构成缩微功能的4 f 系统) 将空间调 制图像投影到光栅型分束元件7 上，图像缩小倍率为# 1 0 。分束元件能将光能衍射到 正负一级光上，零级光被挡住，从而将激光光束分束成二束光，再通过合束光学系统 8 将两束光会聚到记录材料 1 1 】上。分束元件放置在精密转i f 1 2 上，转动转台将改变 干涉条纹在记录材料上的取向。 光机结构中x y 运动控制器件为两维运动分离方式，两维独立运动采用x y 精 密工作平台，行程为6 2 0 m m x 8 1 0 m m ，重复定位精度1 微米。 整个系统由光源，空间光调制器( d m d ) ，4 f 成像系统，分束元件，合束系统， x y 精密工作平台，z 精密转台等主要部分组成。下面将对主要组件做详细的讨论与 分析。 岛分辨二簪激光并行直丐系统研究jj 、v 用第二章激光并行直系统蚀件设汁升k 能分析 图2 1 d m d 并行紫外激光直写系统结构示意图 1 激光器光源( b l u e 、卜导体或d p s s l ) ；2 扩束器与光束整形器( p i s h a p e r ) ：3 d m d ( d i g i t a l m i c r o m i r r o rd e v i c e ) ：4 透镜：5 反射镜；6 显微物镜；7 束元件；8 成像透镜组：9 旋转机构；1 0 水平运动( y 方向) 平台；1 1 记录材料：1 2 水平运动( x 方向) 平台；1 3 t t l0 功率控制的激光 电源；1 4 、1 5 运动控制系统；1 6 计算机 1 2 苛分辨率激光并行直；系统研究。jj 圳f j第二章激光并行直系统硬件设计j j 阽能分析 2 3 硬件设计与性能分析 2 3 1 光源 国内大部分制作光学可变图像( d o v i d ) 光刻采用h e c d 激光器。但是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，而且需要专 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， 这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，不利于光路调节。 根据系统的特点我们采用三倍频二极管泵浦固态激光器( d p s s l ) 。如图2 2 图2 2 半导体泵浦的固态激光器( 3 5 l n m ) 2 3 2 扩束器与光束整形器( p i s h a p e r ) 为了提高激光光束能量的使用效率和均匀光斑的面积，系统将采用p i s h a p e r 光 束整形。 p i s h a p e r 激光光束整形器可以很容易的实现高斯光束的空间整型，将高斯分布 的光束几乎1 0 0 地整行为平台分布。同时，激光能量几乎不损失。如图所示： 岛分辨j 红激光并行直。；系统研究引衄用第二学激光并行直系统硬件设计。j 性能分析 t o p o tl a s e rb e a m 7 xs h a p e r 图2 - - 3 p i s h a p e r 矿 o u t p u tb e a m p i s h a p e r 基本操作原理和性能： p i s h a p e r 是一个望远镜光学系统，可以将激光高斯分和的能量转化为平台分布。 p i s h a p e r 是一个消色差系统，他适应于某一个特定的波长范围采用迦利略设计， 没有变焦过程当输入光斑变化时，输出光斑也同时变化可以通过调整入射光斑外形的 办法米调整输出平台光斑。 2 3 3 数字微镜器件( d m d ) d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 又名数字微镜器件，它是美围德克萨斯州仪器 公司( t i ) 的专利产品。自1 9 9 0 年d m d 的研究走出了实验室，r 始进行生产，至今其产 品己经发展到了第五代了，在分辨率、光反射率、寻址方法、接口电路标准等各项技 术参数上有了很大的进步。作为一项世界领先的以超大规模集成电路技术为基础的技 术，d m d 是t i 公司长期以米致力于研究表面形变窄间光调制器的重大成果，其摹本 的技术思想都米自于对表面形变器件的研究，例如r u t i c o n 反射型空间光调制器、油 膜空间光调制器、薄板镜式器件、矩阵编址薄膜镜式器件等等。当然，d m d 足此类 器件中最出色的，是它们发展到一定程度的结晶。实际上，数字微镜器件作为一种新 型空川光调, i i , i i i ，在半导体制造、集成电路板制作，全息数据存储、合成全息，三维 显示、激光直写等其它领域具有一泛的应用日订景。我们在卜- 而介绍它的结构，工作的 原理和光学特降。 岛分辨率激光并行直写系统研究。j 腑用第一二章激光并行直系统硬件设计f j 性能分析 2 3 3 1d m d 的工艺与结构 d m d 是用超大规模集成电路技术制作的，其制作工艺非常精细，具体的参数t i 公司也没有公御，从t i 公司的资料上可以大体得到d m d 的制作工艺： 1 用标准的c m o s 工艺在硅片上制作记忆单元、寻址电极等： 2 在硅片表面覆盖一层高分子聚合物，其厚度相当于反射镜的高度： 3 用光刻、溅射法刻透聚合物层，制作支撑柱： 4 镀一层薄的铝膜，作为扭臂梁层，镀一层厚的铝膜，作为反射镜层，用光刻法 将扭臂梁和反射镜成形： 5 用离子刻蚀法除去余下的高分子聚合物层，最后形成架空的微镜。 d m d 的结构如图2 4 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 ) 矛n 两个搭接电极 ( 1 a n d i n ge l e c t r o d e s ) 。两个支撑柱上，通过扭臂梁铰链( t o r s i o n h i n g e ) 安装一个微型反射 镜，形成一个“跷跷板”的结构。图2 5 是微反射镜d m d 放大后的照相图 镜片：。1 2 度位置 镜片：1 2 度位置 抛光 金属层弹性j 图2 - - 4 d m d 的结构 圜一 图2 - - 5 d m d 像素放人微结构图 岛分辨率激光并行直。与系统研究1 j 应用第二章激光并行直系统硬件设计! j 性能分析 2 3 2 2 d m d 的工作原理 在比较全面了解d m d 的空间结构后，现在将讨论d m d 单元的工作原理，迸一 步了解d m d 在高分辨率激光直写成像系统中实时掩模图形显示的基本原理。 2 3 2 2 1 d m d 的成像原理 d m d 芯片上是数百力个二维微镜反射镜阵列，它与图形像面的二维解析点一一 对应。当驱动电压信号施加于微镜与对应的电极之问时，微镜上各极板的电压随之变 化，微镜根据偏置电压的不同，可向不同的方向偏转。 图2 6d m d 光开关原理 d m d 成像是靠微镜转动完成的，微镜的位置不同，反射光的出射角度就不同， 因此每个微镜相当于一个光丌关。仅取其中相邻两片进行分析，工作时它能转动两个 方向：其中一个方向能将入射。光反射到投射透镜，投射到银幕上，称为开态；另一 个方向可将入射光反射到吸收平面，由吸收平面把光吸收，称为关态( 如图2 6 所示) 。 d m d 光开关的电气丌关时间约为2 9 s ，机械丌关时间( 包括微镜到位和锁定) 约为 1 5 1 i s 。 反射镜片在数字控制信号的作用下作1 2 。和+ 1 2 0 的偏转。数字控制信号为0 时， 反射镜片为+ 1 2 。偏转，将光源的光线反射到银幕方向，银幕上有亮点呈白色；当数字 控制信号为“1 ”时，反射镜片1 2 。偏转，这时，将光源的光线反射到吸收器方向且被 其吸收，银幕上没有亮点呈黑色( 如图2 7 所示) 。 高分辨率激光并行直写系统形f 究与应用 第二章 激光并行直系统硬件设计与性能分析 一 微反射镜在l 投影透镜 图2 7d m d 成像原理 2 3 2 2 2d m d 的灰度量化 d m d 中镜面的反射能产生白和黑两种状态，不能产生灰度等级。其灰度等级是通 过数字控制信号的脉冲宽度来控制反射镜片反光时间的长短得到的( 如图2 8 所示) 。为 简单起见，以图2 9 为例，取4 位调制信号，数字信息的每一个位代表了光开启或关断 的时间问隔。每一位的权值不同，既脉冲宽度不同，从左往右分别为2 3 ，2 2 ，2 1 ，2 0 ， 视频场的周期被分为4 个时间间隔，即l 1 5 ，2 1 5 ，4 1 5 ，8 1 5 个视频场周期，由4 位数 字信息最多能产生2 4 或1 6 种灰度等级( o ，1 1 5 ，2 1 5 ，1 5 1 5 ) 。用数字脉冲信号0 0 0 0 驱动反射镜片+ 1 0 度偏转，反射到银幕上的时间长，人眼感受到白色亮点，图中 d m d 下端反射镜片反光，经镜头成像倒立至银幕上端。银幕与镜头之间线条的长短 表示脉冲宽度；用数字脉冲信号1 111 驱动反射镜片1 0 度偏转，d m d 上端反射镜片 将光线反射至吸收器被其吸收，而不到银幕方向，人眼感受到黑色点。信号在0 0 0 0 和 1 1 1 1 2 _ 问，银幕上为灰色过渡点。目自仃市场上d m d 产品，是用8 位或者1 0 位脉冲信号 来调制，灰度等级可以达至1 j 2 5 6 或者1 0 2 4 。 哥分辨率激光并行卣4 。；系统研究jj 、v 用第二章激光并行直系统硬件设计与性能分析 p 辫艇s e q u e n c ep a r te r n m s b ti m e l s b 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 00 0 0 1 图2 8d m d - 二元脉冲宽度调制序列图样 1 j 1 ” 1 0 0 i ) o ，o o 0 0 伯) 多量9 藿 图2 - 9d m d 灰度等级示意图 同 孵 髓 取畸感觉的友度 2 3 2 2 3d m d 的图像刷新 d m d 是通过复位电极，寻址电极控制图像的更新。微镜转动至开或关状态时， 由于机械记忆作用，仅改变寻址电极上的电位是不能引起镜面的转动，通过在基准 复位电极上加复位电压使微镜处于准平衡的“平态”，然后再在基准和寻址电压的共同 作用下，使微镜转动到新的状态。 每次图像更新大致可分为以下几个过程： 1 ) 复位阵列中所有的微镜，使之处于准平衡态 2 ) 关掉基准电压，使微镜从“平态”开始转动 3 ) 恢复基准电压和寻址电压，使微镜按照s r a m 的存内容转到开或关态 4 ) 维护基准f 乜压，锁存微镜的开或关态，使其不随寻址电极电压的改变而改变。 5 ) 逐行更新s r a m 的存储内容然后重复1 5 , d m d 进行整帧更新图像。 高分辨率激光并行直写系统研究与应用第二章激光并行直系统硬件设计与性能分析 2 3 2 3 d m d 的光学特性 d m d 微镜阵列是一个微反射镜孔径的二维周期阵列，每一个微镜形成一个复孔 径函数，它包括一个振幅项( 对应微镜的反射范围的变化) 乘以一个相位项( 对应微镜的 旋转角度) 。由于输入光的横向范围远大于多个微镜的几何尺寸，所以d m d 阵列就形 成了一个二元衍射光栅。光栅周期为d = 1 3 微米，缝宽b = 1 2 微米。在一维情况下，对 相干光的调制如图2 1 0 所示。 a r r a y 2 n d 卜| 叫 d 图2 1 0 入射光入射到周期为d 的d m d 阵列情况 法向入射d m d 的光束遵循下面的光栅方程重新分布： d ( s i n o r s i n o i ) = n 2( 2 一1 ) 在上面方程中，。为衍射级次，p 为入射角，b 二为光能出射最大的反射角( 衍射 角) ，当在啡= 一e 的理想情况下，方程( 1 1 ) 简化为布拉格方程： 2 d s i n 秒= n 2 ( 2 - 2 ) 当在d m d 微镜发生偏转的情况下，如夫朗和费衍射角等于某一衍射级次， 衍射光的8 8 以上的光能量将沿此级次闪耀出射。如图2 1 l 所示。衍射光沿第二级 次闪耀出射。 1 9 岛分辨率激光并行直写系统研究1 jj 、砭用 第二章激光并行直系统硬件设计与性能分析 0 h 膨 2 n d f r a u n h o f e r e n v e l o p e 图2 1 1 入射光入射到处于闪耀光栅情况下的d m d 阵列上情况 2 3 4 缩微成像系统 图2 1 2 为4 f 缩微成像系统的示意图，采用的是双远心光路，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主光轴。物体位于透镜1 的前焦距时，其像落在透镜2 的后焦距处。此光学系统在物面或像面有离焦时，光学 系统的放大倍数保持不变，这点在曝光光刻时显得非常重要。 d m d 必须严格调整到物镜的前焦面上，缩微透镜f 2 的焦点必须处在分束元件的 分光面上，这样，光点形状质量将得到保障 图2 1 24 f 缩微成像系统示意图 高分辨率激光并行直写系统研究与应用第二章激光并行直系统硬件设计与性能分析 目前，在本系统中物镜f 1 的焦距为1 8 0 m m ，显微物镜f 2 的焦距为1 8 m m ，d m d 上的图像缩小1 0 倍成像在光栅上。可以通过改变物镜f 1 和物镜f 2 的焦距来改变系 统的缩小倍率，为了不同时影响到原系统机械装配结构，物镜n 和物镜f 2 的焦距之 和还是保持在1 9 8 m m 左右。降低缩小倍率，原则上减小了分辨率，但同时也增大了 制作大图像的能力，比如说缩小5 倍，则分辨率是原来的一半，但制作出来的图形面 积是原来的4 倍。在有些不是要求非常高的图形制作，可以适当的来降低缩小倍率。 2 3 5 分束合束干涉成像系统 所述分束成像光路是