CN102248461A - 一种抑制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种抑制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法包括：确定待抛光光学元件表面的待抛光点和驻留时间分布，用随机轨道算法生成待抛光光学元件表面离散点的抛光顺序和抛光轨迹；用驻留时间补偿方法计算抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布，获得待抛光光学元件表面离散点准确的驻留时间；根据驻留时间的分布，由机床代码转换程序生成随机轨迹数控抛光程序代码，在数控抛光机床执行随机轨迹数控抛光程序代码对待抛光光学元件表面各个点进行抛光。随机轨迹抛光方法根据面形分布，使抛光头和磨粒的运动轨迹近似为随机凌乱分布，待抛光光学元件不会残留规则的轨迹划痕，而且使规则的轨迹间的去除函数迭代误差均匀的分布在整个面形中，提高面形精度。

Description

一种抑制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法

技术领域

本发明属于光刻物镜光学制造技术领域，应用于光刻系统中的光学元件的抛光过程中，涉及一种新型的抛光轨迹运动方法。

背景技术

微电子专用关键设备是微电子技术的重要支撑，光刻物镜是微电子专用设备分布重复投影光刻的关键核心部分，其性能直接决定了光刻微细图形传递能力，与微电子器件超大规模化直接相关。光刻物镜光学元件的质量要求比其他高精度光学元件质量要高一个数量级，例如，曲率半径小于或等于1μm，面形误差小于或等于λ/20～λ/100，rms均方根值小于或等于λ/100～λ/300等，对光学元件外径、中心厚、曲率半径、破坏层、偏心、粗糙度、面形PV值、RMS值等精度方面都提出极为苛刻的要求，对现有光学加工条件和技术提出了极为严峻的挑战。

鉴于对光刻物镜对光学元件的苛刻需求，对光刻物镜的光学加工技术正不断发展和完善。在数控光学抛光中，数控机床的磨头运动具有直线插补和圆弧插补两种方式，磨头抛光整个对称镜面的运动过程中，二维遍历轨迹模式一般设置为螺旋轨迹和光栅轨迹两种方式，由于抛光轨迹是离散间隔分布的，轨迹没有遍历每一个误差点位置，导致卷积描述与实际去除的不一致，从而带来对称的迭代误差。

针对现有光栅形轨迹和螺旋形等对称抛光运动轨迹会带来规则的轨迹间的迭代误差分布，Christina R.Dunn等人提出采用伪随机抛光轨迹运动方式(Christina R.Dunn1，and David D.Walker.Pseudo-random toolpaths for CNC sub-aperture polishing and other applications.OPTICSEXPRESS，2008，16(23)：18942-18949.)，通过这种运动方式，在微观方面，磨粒的运动轨迹可近似为随机凌乱分布的，镜面不会残留规则的轨迹划痕；在宏观方面，规则的轨迹间的去除函数迭代误差也不会出现，而是均匀的分布在整个面形中。实验结果证明，这种伪随机运动轨迹，能提高面形精度和粗糙度分布。但这种伪随机轨迹运动方式对机床性能要求极高，在实际加工中不易实现。

发明内容

本发明目的是针对规则运动轨迹带来规则的误差分布和伪随机轨迹运动方式的缺点，本发明提出一种抑制轨迹误差的随机轨迹抛光运动方法。

为了实现所述目的，本发明的抑制轨迹误差的随机轨迹抛光运动方法解决技术问题的方案包括如下步骤：

步骤S1：确定待抛光光学元件表面的待抛光点和驻留时间分布，通过随机轨道算法随机生成待抛光光学元件表面离散点的抛光顺序和抛光轨迹；

步骤S2：采用随机轨迹驻留时间补偿方法计算抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布，获得待抛光光学元件表面离散点准确的驻留时间；

步骤S3：根据驻留时间的分布，由机床代码转换程序生成随机轨迹数控抛光程序代码，在数控抛光机床执行随机轨迹数控抛光程序代码对待抛光光学元件表面各个点进行抛光。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明针对规则运动轨迹带来规则的误差分布的缺点，提出采用随机轨迹抛光方法应用于光刻系统中光学元件的抛光过程中，随机轨迹方法通过随机轨道算法随机生成镜面离散点的抛光顺序和抛光轨迹，采用随机轨迹驻留时间补偿方法控制镜面离散点的驻留时间对各个点进行相应大小的材料去除。随机轨迹抛光方法使抛光头和磨粒的运动轨迹近似为随机凌乱分布的，镜面不会残留规则的轨迹划痕，而且使规则的轨迹间的去除函数迭代误差均匀的分布在整个面形中，从而提高面形的精度。随机轨迹抛光方法适用于数控抛光，如射流抛光和离子束抛光。

本发明的方法优化了光学加工抛光头的运动轨迹，随机轨迹抛光方法根据面形分布，使抛光头和磨粒的运动轨迹近似为随机凌乱分布，使光学元件被加工面不会残留规则的轨迹划痕，而且使规则的轨迹间的去除函数迭代误差均匀的分布在整个面形中，从而提高面形的精度。

本发明的方法，在电脑程序上实现，不需在抛光设备上增加额外的硬件设施，对抛光机床性能也没有高性能的特殊要求，操作方便。

附图说明

图1为本发明中提到的随机轨迹抛光流程图；

图2为本发明中提到的随机轨迹抛光的轨迹计算的实例分布图；

图3为本发明中提到的随机轨迹驻留时间补偿计算的实例图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

结合图1所示的本发明方法的流程图，下面仅以一块待抛光光学元件为Φ30mm的石英平面玻璃为实例，该实例对实现本发明方法的具体实施步骤如下：

步骤1：对待抛光石英平面玻璃表面的误差分布进行30×30网格数据点离散，离散点均匀分布在待抛光光学元件表面上，离散的数据点为抛光头要运动抛光的点。

步骤2：根据去除函数分布和石英玻璃表面误差分布计算确定石英玻璃表面的驻留时间分布。

步骤3：根据面形权重算法随机生成抛光头在石英玻璃表面离散点的抛光顺序和运动轨迹。通过随机轨迹算法生成离散点的抛光顺序和运动轨迹，随机轨迹算法首先确定抛光初始点，然后根据面形权重算法随机生成下一抛光点，记录初始点与下一点的直线运动轨迹，依此类推，直至面形权重算法生成所有的抛光点和相应的运动轨迹为止，使得抛光点轨迹遍历待抛光光学元件表面N×N个离散点，则得到N×N个离散点的抛光顺序和运动轨迹，如图2所示。

步骤4：计算抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布和石英平面玻璃表面抛光准确的驻留时间分布。所述计算抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布的步骤是在抛光点定位运动过程中，抛光轨迹会经过和覆盖其他一些离散点，轨迹运动会对经过和覆盖的离散点产生停留时间分布和材料去除；通过随机轨迹驻留时间补偿方法计算每条抛光头运动轨迹经历某些抛光点的停留时间分布，最后累计统计获得待抛光光学元件表面N×N个离散点的抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布。在轨迹线生成过程中，求出每一条轨迹线经历的附近离散点，计算该轨迹线在该离散点的偏离情况和停留时间，则在加工程序代码生成过程中该离散点的实际驻留时间为初始的驻留时间分布减去各个轨迹线在该点的停留时间的总和。设D为通过镜面面形误差与去除函数的反卷积计算出的驻留时间分布，则随机轨迹抛光镜面任意一离散点的实际驻留时间分布为：

$D^{\′}(i,j)=D(i,j)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_n{t}_n(i,j)---\left(1\right)$

其中，D′(i，j)为第(i，j)点的实际驻留时间分布；D(i，j)为通过镜面面形误差与去除函数的反卷积计算出的第(i，j)点的驻留时间分布；N为总的离散点数；t_n(i，j)为第n条轨迹线在离散(i，j)点处的驻留时间，α_n为第n条轨迹线在离散(i，j)点处的驻留时间影响因子。驻留时间影响因子α_n的计算以图3为例，如图3所示，假设第n条轨迹线为从(i+3，j-3)点到(i，j+1)点的直线，离散点间距为1mm，去除函数区域为半径为1mm的圆斑，当去除函数从(i+3，j-3)点运动到(i，j+1)点时，去除函数区域覆盖了(i，j)点，表明轨迹运动时对(i，j)点有材料去除影响作用，可以计算在t时刻(i，j)点到轨迹线上去除函数区域中心点的距离为L(t)，则驻留时间影响因子α_n为：

${\mathrm{\α}}_n={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left[L\left(t\right)\right]/\max \left(f\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中f[L(t)]为距中心点L(t)处的去除函数值，max(f)为最大去除值，t₁为去除函数区域初始覆盖(i，j)点的时间，t₂为去除函数区域离开(i，j)点的时间。

步骤5：由机床代码转换程序生成随机轨迹数控抛光代码程序，在数控抛光机床进行随机轨迹抛光待抛光光学元件表面，直至抛光程序结束。数控抛光机床以FJP400射流数控抛光机床为例，对石英玻璃进行随机轨迹法抛光。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种抑制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法，其特征在于：实现所述方法的步骤包括：

步骤S1：确定待抛光光学元件表面的待抛光点和驻留时间分布，通过随机轨道算法随机生成待抛光光学元件表面离散点的抛光顺序和抛光轨迹；

步骤S2：采用随机轨迹驻留时间补偿方法计算抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布，获得待抛光光学元件表面离散点准确的驻留时间；

步骤S3：根据驻留时间的分布，由机床代码转换程序生成随机轨迹数控抛光程序代码，在数控抛光机床执行随机轨迹数控抛光程序代码对待抛光光学元件表面各个点进行抛光。

2.根据权利要求1所述的抑制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法，其特征在于，所述生成离散点的抛光顺序和运动轨迹的步骤是首先确定抛光初始点，然后根据面形权重算法随机生成下一抛光点，记录初始点与下一点的直线运动轨迹，依此类推，直至面形权重算法生成所有的抛光点和相应的运动轨迹为止，使得抛光点轨迹遍历待抛光光学元件表面N×N个离散点，则得到N×N个离散点的抛光顺序和运动轨迹。

3.根据权利要求1所述的抑制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法，其特征在于，所述计算抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布的步骤是在抛光点定位运动过程中，抛光轨迹会经过和覆盖其他一些离散点，轨迹运动会对经过和覆盖的离散点产生停留时间分布和材料去除；通过随机轨迹驻留时间补偿方法计算每条抛光头运动轨迹经历某些抛光点的停留时间分布，最后累计统计获得待抛光光学元件表面N×N个离散点的抛光头运动轨迹经历抛光点的停留时间分布。

4.根据权利要求1所述的制轨迹误差的随机抛光轨迹运动方法，其特征在于，所述随机轨迹驻留时间补偿方法是根据面形权重算法在轨迹线生成过程中，求出每一条轨迹线经历抛光的附近离散点，计算所述轨迹线在所述离散点的偏离情况和驻留时间，则在加工数抛光控程序代码生成过程中所述离散点的实际驻留时间为初始的驻留时间分布减去抛光头运动的各个轨迹线在所述离散点的驻留时间的总和。

Images