CN102331687B - 一种步进式光学加工系统和加工方法 - Google Patents

Abstract

一种步进式光学加工系统和光学加工方法，该系统包括加工平台、光学头、中央控制系统和位置补偿系统，其中位置补偿系统包括空间光调制器、位置检测系统和图形控制器，所述空间光调制器具有位置补偿区，该空间光调制器上显示的加工图形可以在该位置补偿区中偏移，通过加工图形的偏移来补偿由机械运动产生的位置误差，提高了加工的精度和效率。本发明还提供了一种使用上述光学加工系统的光学加工方法。

Description

一种步进式光学加工系统和加工方法

技术领域

本发明涉及步进式光学加工系统和加工方法，尤其是一种具有位置补偿功能的步进式光学加工系统和加工方法。

背景技术

无掩膜光学加工，也被称为激光直写。传统的无掩膜加工方式，通常具体采用单点扫描的形式，与掩膜加工方式相比，其图形处理的灵活性得以提高，但是加工速度明显降低。

随着20世纪80年代末半导体技术的长足发展，特别是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域的突飞猛进，出现了高效的空间光调制器件(Spatial Light Modulator，SLM)。这些器件具有光学传输效率高、图形处理能力强、易于与数字化系统集成的特点。目前，高性能空间光调制器的代表有美国德州仪器公司的DMD和美国Three-Five Systems公司的LCOS。

基于空间光调制器的无掩膜光学加工方式，单次曝光即可实现高分辨率大面积的任意二维图形曝光，相比传统的单点扫描方式，加工速度大幅提高，图形处理能力大大增强。相应的基于空间光调制器的无掩膜光学加工系统，目前已经广泛应用于光刻加工、印刷制版、光固化快速成型、基因芯片原位合成等诸多领域，并已逐渐成为高速高精度光学加工的主流技术。

具体加工方式上，基于空间光调制器的无掩膜光学加工系统的控制方式分为两种。高端场合采用飞行曝光方式。中低端场合采用步进曝光方式。

飞行曝光方式下，光源进行超短脉冲曝光，平台连续运动无需停顿。曝光脉宽一般在几十纳秒至几毫秒，在如此短的时间内，平台移动的距离远小于系统的光学分辨率，不会形成‘拖影’。该方式加工速度极快，位置精度很高，图形均匀性好。采用该方式必须具有以下三个要素：

1、大功率短脉冲光源。功率必须足够大，才能在极短的曝光时间内，进行足够剂量的曝光

2、高速图形发生和高速数据传输系统

3、平台运动位置、DMD图形刷新与超短激光脉冲的三者高速精确同步

由此导致系统成本高，技术难度大，从而限制了该方式的应用。而且在高分辨率、厚胶光刻等应用场合，飞行曝光方式往往难以开展。

相比之下，步进曝光方式，对激光光源和系统控制的要求较低，具有较高的性价比。但是该方式也存在一些缺点，比如加工精度差和加工效率低，其主要原因如下：

一、由于机械平台的惯性，高速的步进运动难以获得。

从控制理论的角度出发，固然可以通过减轻平台的质量、加大电机的功率和提高传动系统的刚性等手段，来提高运动系统的动态性能，从而获得更快的步进运动速度。但是，高刚性情况下平台起停时往往产生震颤，使得传动系统受损，还很容易出现控制系统开环飞车的事故，另外实际情况下，考虑到成本因素、设计和制造的能力以及前后道工艺配套的硬性要求，上述手段只能有限地实施。

二、步进运动必须保证足够的平顺性，这一点限制了步进运动速度的提高。

步进运动的起停冲击直接导致机械震动，由此导致曝光图形拖影，这对高精度的光刻加工十分不利，而且单点曝光时间越长、成像分辨率越高，机械震动对光刻精度的影响越严重。

三、静摩擦是步进运动伺服控制的难点。高精度、微步距的步进定位时间很长，而且不可控。步进运动的伺服控制远比匀速直线运动困难。每一次步进运动都要涉及启动、匀速和停止三个运动段。在停止段之后，曝光之前，通常还要等待一段所谓的“静台时间”，以使得平台的振动幅度慢慢衰减至很低的水平。伺服控制上，通常所说的定位时间(settling time)等于上述的四个时间段之和，定位时间越小，工作频率越高。上述启动和停止段的运动控制都要受到平台静摩擦的影响。

目前，在一些高精度光刻装置中，普遍配备了位置补偿装置，通过微移动或微转动来克服步进式机械运动带来的位置误差。但是这些位置补偿装置本身也是基于机械运动的工作方式，始终没有办法消除机械惯性以及静摩擦带来的误差。

因此寻找一种可以杜绝由机械惯性带来的机械误差的对位方法成为大家研究的一个重要课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种步进式光学加工系统和加工方法。该系统通过移动空间光调制器上的图形位置，以电子补偿的方式取代机械补偿，从而杜绝了在位置补偿过程中产生的机械误差。

根据本发明的一个目的提供的一种步进式光学加工系统，包括加工平台、光学头、中央控制系统和位置补偿系统，其中所述位置补偿系统包括：位置检测系统，用于检测光学头与加工平台的相对位置；空间光调制器，用于产生一加工图形，该加工图形经光学头缩放后，在一位于加工平台上的待加工物表面的预定曝光区曝光，该空间光调制器具有位置补偿区，位于上述加工图形的四周，且该加工图形能动的产生于该位置补偿区中；以及图形控制器，控制该加工图形在该空间光调制器的该位置补偿区中的产生位置，其中当该位置检测系统检测到光学头和加工平台之间的相对位置产生一位置误差时，该图形控制器控制该空间光调制器，使该加工图形在该位置补偿区中产生一位置偏移，该位置偏移满足该加工图形经光学头缩放后，达到预定曝光区。

较佳地，所述图形控制器为一图形处理单元，集成于所述中央控制系统中，该图形处理单元通过软件计算，得到加工图形补偿该位置误差所需的位置偏移量，并向空间光调制器传输一处理后的图像信号，其处理周期为16ms。

较佳地，所述图形控制器为一空间光调制器控制板卡，独立于所述中央控制系统，该空间光调制器控制板卡实时读取由位置检测系统检测到的光学头和加工平台之间的位置误差，计算加工图形补偿该误差所需的位置偏移量，并且实时地对空间光调制器的高速缓存中的原始图像数据进行相应的移位操作，其处理周期为1ms。

进一步地，所述空间光调制器为数字微镜元件、液晶显示器件或硅基液晶器件中的一种。

较佳地，所述位置检测系统包括光栅尺和光栅读数头，所述光栅尺包括X轴光栅尺和Y轴光栅尺，所述光栅读数头读取光学头或加工平台位于该光标尺的X轴坐标和Y轴坐标，并向图形控制器发送一位置信号。

根据本发明的另一目的提供的一种步进式光学加工方法，使用上述的步进式光学加工系统，包括步骤：

(1)、设定加工参数，包括加工图形尺寸、光学头缩放系数、曝光频率、步进距离；

(2)、对待加工物表面的第一预定曝光区进行曝光；

(3)、中央控制系统根据步骤(1)中的加工参数，机械移动光学头或加工平台，使光学头来到待加工物表面的第二预定曝光区上方；

(4)、位置检测系统检测此次机械移动产生的位置误差，并向图形控制器提供一位置信号；

(5)、图形位置器根据上述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并向空间光调制器输出一图形信号；

(6)、空间光调制器根据图形信号，刷新加工图形在位置补偿区的位置，使得该加工图形经光学头缩放后，在第二预定曝光区曝光；

(7)、重复上述步骤3至6，直至对整个待加工物表面曝光完毕。

可选的，所述图形控制器向空间光调制器输出的图形信号是基于软件处理的方式形成的。

可选的，所述图形控制器向空间光调制器输出的图形信号是基于硬件处理的方式形成的。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术特点：

第一：该加工系统采用调整空间光调制器中的图形位置来达到补偿由机械移动产生的位置误差，由于整个补偿过程不发生第二次机械运动，所以避免产生进一步的机械位移误差，从而大大提高了加工精度。

第二：由于电子补偿方式的运算速度快，所以相比现有的机械补偿方法，大大提高了生产效率。

下面结合附图以具体实施例对本发明做详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的第一实施方式的步进式光学加工系统；

图2是第一实施方式的位置补偿系统模块示意图；

图3A至3B是第一实施方式中图形偏移得到位置补偿的简易图；

图4是本发明第二实施方式的步进式光学加工系统结构示意图；

图5是第二实施方式的位置补偿系统模块示意图；

图6是本发明的光学加工方法的流程图。

具体实施方式

请参见图1，图1是本发明的第一实施方式的步进式光学加工系统。如图所示，该光学加工系统100包括光源101、空间光调制器SLM111、中央控制系统120、光学头130和加工平台140。在该第一实施方式中，图形控制器为一种图形处理单元(Graphic Processing Unit，GPU)，该GPU集成于中央控制系统120中，并与空间光调制器111，以及位于加工平台140中的位置检测系统(图中未示出)一起组成了位置补偿系统110。

请参见图2，图2是第一实施方式的位置补偿系统模块示意图。如图所示，该位置补偿系统110包括SLM111、位置检测系统112和图形处理单元113。工作时，位置检测系统112检测到加工平台140在发生机械移动后产生一位置误差，并生成位置误差信号发送给中央控制系统120。中央控制系统通过软件计算，得出补偿该位置误差所需的图像偏移量，并生成新的图形数据，将该些数据通过内置缓存系统发送给GPU113，最后GPU113控制SLM111生成加工图形。

请参见图3A-3B，图3A至3B是第一实施方式中图形偏移得到位置补偿的简易图。如图所示，SLM111的显示界面里具有一加工图形1111，该加工图形1111通过光学头130缩放后，在一设于加工平台140上的待加工物表面进行曝光。在该加工图形1111的周围具有位置补偿区1112，加工图形1111可以能动的生成于该位置补偿区1112的任意位置。工作时，SLM111的第一加工图形1111首先在第一预定曝光区141进行曝光，然后中央控制系统控制光学头130或者加工平台进行移动，使光学头130来到第二预定曝光区142上方，此时位置检测装置检测到由机械位移产生的位置误差，通过GPU使SLM111生成第二加工图形1111’，第二加工图形1111’相对第一加工图形1111具有一位置偏移，然后经过光学头130的缩放后，正好补偿由上述机械位移产生的位置误差，使得第二加工图形1111’能够准确的投放到第二预定曝光区内进行曝光。

在第一实施方式中，由于首先需要在计中央控制系统和加工平台之间进行通信，然后采用基于视频处理的图像处理和图像传输，所以处理的速度相对较低，其处理周期约16ms。

请参见图4，图4是本发明第二实施方式的步进式光学加工系统结构示意图。如图所示，该光学加工系统200包括光源201、空间光调制器SLM211、中央控制系统220、光学头230和加工平台240。在该第二实施方式中，图形控制器213为一种SLM控制板卡，该SLM控制板卡独立于中央控制系统220中，并与空间光调制器211，以及位于加工平台240中的位置检测系统(图中未示出)一起组成了位置补偿系统210。

请参见图5，图5是第二实施方式的位置补偿系统模块示意图。如图所示，该位置补偿系统210包括SLM211、位置检测系统212和SLM控制板卡213。工作时，位置检测系统212检测到加工平台240在发生机械移动后产生一位置误差，并生成位置误差信号直接发送给SLM控制板卡213。SLM控制板卡213根据内置的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)，计算加工图形补偿该误差所需的位置偏移量，并且实时地对板载高速缓存中的原始图像数据进行相应的移位操作，最后将操作结果输出给SLM211生成加工图形。

该方式下，相关通信在硬件板卡之间进行，而且图像处理基于数据移位操作，从而可以获得很快的处理速度，其处理周期小于1ms。

在一种实际应用中，位置检测系统包括光标尺和光标读取器，如图1中所示，该光栅尺114包括X轴光栅尺和Y轴光栅尺，所述光栅读数头(图中未示出)读取光学头或加工平台位于该光栅尺的X轴坐标和Y轴坐标，并向图形控制器发送一位置信号。可选的，本专利所适用的位置检测系统的类型并不局限于光栅尺，也可以是脉冲编码盘、激光干涉仪、磁栅尺等其它类型。

下面再介绍下运用本发明的步进式光学加工系统进行的光学加工方法。请参见图6，图6是本发明的光学加工方法的流程图。如图所示，该光学加工方法包括步骤：

S11：首先设定加工参数，这些加工参数包括加工图形尺寸、光学头缩放系数、曝光频率、步进距离等。

S12：然后对待加工物表面的第一预定曝光区进行曝光，该曝光步骤应当理解为已经校准过位置误差后的曝光，其曝光图形准确落入第一预定曝光区。

S13：接着中央控制系统根据设定的加工参数，机械移动光学头或加工平台，使光学头来到待加工物表面的第二预定曝光区上方。

S14：此时，位置检测系统检测出此次机械移动产生的位置误差，并向图形控制器提供一位置信号。

S15：然后图形位置器根据上述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，即位置补偿数据，并向空间光调制器输出一图形信号。

S16：然后空间光调制器根据图形信号，刷新加工图形在位置补偿区的位置，使得该加工图形经光学头缩放后，在第二预定曝光区曝光，以此完成一个位置补偿处理周期。

S17：最后重复上述步骤，直至对整个待加工物表面曝光完毕。

这里，图形控制器213的处理方式可以分为两种，一种是基于软件的处理方式，该方式是通过工件与中央控制系统进行通信，然后由中央控制系统计算出所需补偿的图形数据，并传输给GPU进行图形操作。第二种是基于硬件的处理方式，该处理方式直接由控制板卡进行通信和计算，并控制SLM进行图形偏移，相对第一种实施方式，硬件级的处理方式更加直接和迅速，可以大大减少对数据的处理周期，提高整个曝光过程的效率。

综上所述，本发明提出了一种可以补偿位置误差的高精度步进式光学加工系统和加工方法。该加工系统采用调整空间光调制器中的图形位置来达到补偿由机械移动产生的位置误差，由于整个补偿过程不发生第二次机械运动，所以避免产生进一步的机械位移误差，从而大大提高了加工精度。另外由于电子补偿方式的运算速度快，所以相比现有的机械补偿方法，大大提高了生产效率。

由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的权利要求范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种步进式光学加工系统，其特征在于：包括加工平台、光学头、中央控制系统和位置补偿系统，所述位置补偿系统包括：

位置检测系统，用于检测光学头与加工平台的相对位置；

空间光调制器，用于产生一加工图形，该加工图形经光学头缩放后，在一位于加工平台上的待加工物表面的预定曝光区曝光，该空间光调制器具有位置补偿区，位于上述加工图形的四周，且该加工图形能动的产生于该位置补偿区中；以及

图形控制器，控制该加工图形在该空间光调制器的该位置补偿区中的产生位置，当该位置检测系统检测到光学头和加工平台之间的相对位置产生一位置误差时，该图形控制器控制该空间光调制器，使该加工图形在该位置补偿区中产生一位置偏移，该位置偏移满足该加工图形经光学头缩放后，达到预定曝光区。

2.如权利要求1所述的步进式光学加工系统，其特征在于：所述图形控制器为一图形处理单元，集成于所述中央控制系统中，该图形处理单元通过软件计算，得到加工图形补偿该位置误差所需的位置偏移量，并向空间光调制器传输一处理后的图像信号。

3.如权利要求2所述的步进式光学加工系统，其特征在于：所述图形处理单元的图像处理周期为16ms。

4.如权利要求1所述的步进式光学加工系统，其特征在于：所述图形控制器为一空间光调制器控制板卡，独立于所述中央控制系统，该空间光调制器控制板卡实时读取由位置检测系统检测到的光学头和加工平台之间的位置误差，计算加工图形补偿该误差所需的位置偏移量，并且实时地对板载高速缓存中的原始图像数据进行相应的移位操作，然后将操作结果输出给空间光调制器。

5.如权利要求4所述的步进式光学加工系统，其特征在于：所述空间光调制器控制板卡控制该空间光调制的移位操作周期为1ms。

6.如权利要求1所述的步进式光学加工系统，其特征在于：所述空间光调制器为数字微镜元件、液晶显示器件或硅基液晶器件中的一种。

7.如权利要求1所述的步进式光学加工系统，其特征在于：所述位置检测系统包括光栅尺和光栅读数头，所述光栅尺包括X轴光栅尺和Y轴光栅尺，所述光栅读数头读取光学头或加工平台位于该光栅尺的X轴坐标和Y轴坐标，并向图形控制器发送一位置信号。

8.一种步进式光学加工方法，使用如权利要求1所述的步进式光学加工系统，其特征在于包括步骤：

(1)、设定加工参数，包括加工图形尺寸、光学头缩放系数、曝光频率、步进距离；

(2)、对待加工物表面的第一预定曝光区进行曝光；

(3)、中央控制系统根据步骤(1)中的加工参数，机械移动光学头或加工平台，使光学头来到待加工物表面的第二预定曝光区上方；

(4)、位置检测系统检测此次机械移动产生的位置误差，并向图形控制器提供一位置信号；

(5)、图形控制器根据上述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并向空间光调制器输出一图形信号；

(6)、空间光调制器根据图形信号，刷新加工图形在位置补偿区的位置，使得该加工图形经光学头缩放后，在第二预定曝光区曝光；

(7)、重复上述步骤3至6，直至对整个待加工物表面曝光完毕。

9.如权利要求8所述的步进式光学加工方法，其特征在于：所述图形控制器向空间光调制器输出的图形信号是基于软件处理的方式形成的。

10.如权利要求8所述的步进式光学加工方法，其特征在于：所述图形控制器向空间光调制器输出的图形信号是基于硬件处理的方式形成的。

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