CN104570619A - 基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，其将2^N次台阶数据文件处理成灰度值从G0＝0开始到G2^N-1＝2^N-1结束的灰度BMP图像，由曝光计量累积公式P＝P1+P2+…+Pn，Pn＝2^n-1*P1(n<＝N)分解灰度BMP图像，通过P1至Pn的单独或者互相累加组合，表示出所有2^N次台阶曝光所需的曝光计量，对于一个2^N次台阶结构，Y步进方向位置区域最多重叠N次曝光(P＝P1+P2+…+Pn)即实现全部台阶所需曝光计量的覆盖。本发明将各台阶的曝光计量分解成XY二维单元计量相叠加。本发明通过扫描同步脉冲触发曝光方式一方面使得曝光计量得到精确控制，另一方面光刻效率得到提高，所有数据全数字表达一次性写入，无需对准套刻，降低了中间环节带来的出错概率。

Description

基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法

技术领域

本发明涉及多台阶微结构制备技术领域，特别是涉及一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法。

背景技术

二元光学器件基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，在基片上或者是传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。一般地，二台阶二元光学元件具有对称的正负一级衍射光，一级衍射光的理论效率40.5％，4个以上的多台阶二元光学元件的理论衍射效率为81％，8台阶二元光学元件的理论衍射效率为96％。二元光学元件具有波面控制特性，可以控制光场的定向扩散和各向异性的扩散，广泛用于学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其他特殊的光电系统中，近几年，二元光学的光场可控特性有望在平板显示、LED照明领域应用。因此，大面积、高品质多台阶二元光学元件及其相关材料的制备具有重大产业价值。

目前，多台阶二元光学元件的制作方法主要有：基于二元掩膜图形经多次对准转印的套刻法，一般地，2台阶只需一片掩膜板，一次光刻和一次离子束蚀刻；4台阶需两套掩膜板，两次对准套刻、两次离子蚀刻，对于对准要求极高，由于掩膜板接触拷贝的分辨率>2微米，并且由图形边缘的衍射效应，因此，二元光学元件的最小台阶结构在2微米以上，对于四台阶元件，单元结构达到8微米。这样，二元位相元件的衍射范围受到掩膜拷贝曝光分辨率的限制，同时，多次套刻的显微对准精度为正负0.5um，因此，也影响最终二元光学元件的衍射效率。同时，受制于掩膜光刻机的幅面限制，很难一次性制备超过6英寸的二元光学结构。另外，金刚石车削法，灰阶掩膜法以及激光直写法。其中，激光直写法由于具有加工灵活，无须套刻，成本相对较低等优势，长期以来一直受关注。中国专利CN1556442A公布了一种二元光学变灰度掩膜制作方法与装置。采用连续波长光源和灰度调制空间光调制器DMD，逐视场步进曝光来实现灰度掩膜制作。中国专利申请CN102323726A公布了一种通过DMD逐像素累积曝光，扫描实现高精度灰度曝光的方法。以上方法前者采用灰度调制DMD，需静台时间累积灰度曝光计量，同时由于平台定位精度问题，影响二元位相结构的对准，从而，二元光学元件将产生大量杂散光。后者表达某一位置的灰度每次只能移动一个微镜成像距离，需移动过整个DMD1024像素，效率极低。上述方法基本不能实现大面积高精度的二元光学结构的制备。

一般地，二元光学元件的单元像素尺寸决定了衍射光场范围，像素值越小，对光的扩散的范围越大，要求各像素(台阶)间的对准精度增大。对准精度直接影响二元光学元件再现光场图形的对比度以及背景杂散光是否能够最大限度的消除。已公开报道的上述方法对于高精度、大面积、多台阶二元光学的实际制备和在曝光效率上均没有优势。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法。

发明内容

有鉴于此，为了解决所述现有技术中的问题，本发明提供了一种基于基于空间光调制、光斑平铺扫描频闪(脉冲)曝光的大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，其定位精度高、无需掩膜套刻、单元像素分辨高、可满足大面积二元光学结构的高效制备的需求。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，所述方法包括：

S1、将2^N次台阶数据文件处理成灰度值从G0＝0开始到G2^N-1＝2^N-1结束的灰度BMP图像，其中0表示不刻蚀的台阶，2^N-1表示刻蚀深度最深的台阶；

S2、由曝光计量累积公式P＝P1+P2+…+Pn，Pn＝2^n-1*P1(n<＝N)分解灰度BMP图像，通过P1至Pn的单独或者互相累加组合，表示出所有2^N次台阶曝光所需的曝光计量，并将灰度BMP图像分为为若干L＝M*N列的二值BMP位图队列B1至Bm；

S3、将B1图像宽度扩充至DMD窗口像素宽度，上载到SLM空间光调制器件内存中，通过FPGA程序设定SLM每接收一次显示信号，B1图像在DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示；

S4、平台沿X方向匀速扫描运动，每当平台移动距离等于DMD上H像素在感光基板X方向成像尺寸大小时，触发一次SLM显示并同步触发激光器曝光，完成一个扫描行的曝光，X轴回到起始位置；

S5、平台在Y方向做步进平移，移动量等于DMD中M列图像成像在感光基板Y方向的成像尺寸大小；

S6、顺序载入二值BMP位图队列，依次降低H＝2^N-1*D中指数值，重复步骤S3至S5，直至DMD窗口移动量H＝2⁰*D即H＝D；

S7、再次设置DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示，重复步骤S3至S7直至二值BMP位图队列全部上载光刻完毕。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体包括：

S21、按Pn＝2^n-1*P1分解为P1至Pn共n个单元曝光计量；

S22、用P1至Pn的单独或者互相累加组合分解灰度BMP图像中每个像素的灰度值；

S23、在灰度BMP图像中沿宽度方向从左向右选取L＝M*N列图像，记为列图像L1，生成一个与L1等像素大小的二值BMP位图记为B1，对列图像L1进行灰度值G1提取，将像素灰度值包含G1对应在二值BMP位图B1中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0；

S24、将灰度BMP图像提取位置向右移动M列，再次选取L＝M*N列灰度BMP图像，记为列图像L2，生成一个与L2等像素大小的二值BMP位图记为B2，对列图像L2进行灰度值G2提取，将像素灰度值包含G2对应在二值BMP位图B2中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0；

S25、将灰度BMP图像提取位置继续向右移动，直至完成列图像L2^N-1进行灰度值包括G2^N-1-1的提取；

S26、将灰度BMP图像分解位置往右移动M列，重复步骤S23与S25完成整个灰度BMP图像分解，得到二值BMP位图队列B1至Bm。

作为本发明的进一步改进，所述DMD窗口高度方向像素成像方向对应平台X方向，DMD窗口宽度方向像素成像方向对应于平台Y方向。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中L＝M*N列图像宽度小于或等于DMD窗口宽度方向像素。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中H＝2^N-1*D小于或等于DMD窗口高度方向像素数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中激光器采用脉冲激光光源，脉冲频率为0-10KHz，脉冲宽度为5ns-100ns。

作为本发明的进一步改进，所述二元光学元件面积在100mmx100mm尺寸以上，单一台阶宽度为0.5微米以上，台阶数量大于或等于4台阶，台阶的深度0.1微米-10微米。

本发明具有以下有益效果：

通过扫描同步脉冲触发曝光方式一方面使得曝光计量得到精确控制，另一方面光刻效率得到提高，所有数据全数字表达一次性写入，无需对准套刻，降低了中间环节带来的出错概率。

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中记载的一些实施例，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为本发明以4台阶为例的曝光刻蚀示意图；

图2为本发明多台阶光刻原理示意图；

图3为本发明一实施例中由4台阶数据量化成灰度数据原理示意图；

图4为本发明一实施例中用灰度G1分解L1的原理示意图；

图5为本发明一实施例中用灰度G2分解L2的原理示意图；

图6为本发明一实施例中4台阶光刻过程工作流程图；

图7为本发明另一实施例中8台阶光刻过程工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明公开了一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，包括：

S1、将2^N次台阶数据文件处理成灰度值从G0＝0开始到G2^N-1＝2^N-1结束的灰度BMP图像，其中0表示不刻蚀的台阶，2^N-1表示刻蚀深度最深的台阶；

S2、由曝光计量累积公式P＝P1+P2+…+Pn，Pn＝2^n-1*P1(n<＝N)分解灰度BMP图像，通过P1至Pn的单独或者互相累加组合，表示出所有2^N次台阶曝光所需的曝光计量，并将灰度BMP图像分为为若干L＝M*N列的二值BMP位图队列B1至Bm；

S3、将B1图像宽度扩充至DMD窗口像素宽度，上载到SLM空间光调制器件内存中，通过FPGA程序设定SLM每接收一次显示信号，B1图像在DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示；

S4、平台沿X方向匀速扫描运动，每当平台移动距离等于DMD上H像素在感光基板X方向成像尺寸大小时，触发一次SLM显示并同步触发激光器曝光，完成一个扫描行的曝光，X轴回到起始位置；

S5、平台在Y方向做步进平移，移动量等于DMD中M列图像成像在感光基板Y方向的成像尺寸大小；

其中，光刻图形在平台X扫描方向的重叠曝光次数决定了每个扫描行的曝光计量Pn，平台Y方向的步进位置区域重叠次数决定了整个幅面曝光计量的累积次数。

S6、顺序载入二值BMP位图队列，依次降低H＝2^N-1*D中指数值，重复步骤S3至S5，直至DMD窗口移动量H＝2⁰*D即H＝D；

S7、再次设置DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示，重复步骤S3至S7直至二值BMP位图队列全部上载光刻完毕。

进一步地，步骤S2具体包括：

S21、按Pn＝2^n-1*P1分解为P1至Pn共n个单元曝光计量；

S22、用P1至Pn的单独或者互相累加组合分解灰度BMP图像中每个像素的灰度值；

S23、在灰度BMP图像中沿宽度方向从左向右选取L＝M*N列图像，记为列图像L1，生成一个与L1等像素大小的二值BMP位图记为B1，对列图像L1进行灰度值G1提取，将像素灰度值包含G1对应在二值BMP位图B1中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0；

S24、将灰度BMP图像提取位置向右移动M列，再次选取L＝M*N列灰度BMP图像，记为列图像L2，生成一个与L2等像素大小的二值BMP位图记为B2，对列图像L2进行灰度值G2提取，将像素灰度值包含G2对应在二值BMP位图B2中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0；

S25、将灰度BMP图像提取位置继续向右移动，直至完成列图像L2^N-1进行灰度值包括G2^N-1-1的提取；

S26、将灰度BMP图像分解位置往右移动M列，重复步骤S23与S25完成整个灰度BMP图像分解，得到二值BMP位图队列B1至Bm。

本发明一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法中，包括有激光光源、SLM空间光调制器、光学成像系统、精密运动平台、曝光控制器、PC机。

在本发明的一具体实施例中，参图1所示为4台阶二元光学元件的曝光刻蚀示意图，图2为本发明多台阶光刻原理示意图，不失一般性，下面以4台阶为例，详细描述叠加扫描曝光的方法。

1、将2^N，其中N＝2，4台阶数据文件处理成灰度值从0开始到2^N-1结束的灰度BMP文件。其中0表示不刻蚀的台阶，2^N-1表示刻蚀深度最深的台阶，如图3所示。

2、由曝光计量累积公式P＝P1+P2+…+Pn，Pn＝2^n-1*P1(n<＝2)分解灰度BMP文件。

a、N＝2(n<＝N)，分解为P1＝2⁰＝1、P2＝2¹*P1＝2*P1两个单元曝光计量，其中P1对应刻蚀深度为1的台阶，P2对应刻蚀深度为2的台阶，刻蚀深度为3的台阶则可以由P1+P2叠加实现。

b、由步骤a可确定灰度BMP文件，需要选择灰度值为G1与灰度值为G2的两个灰度值来分解每个像素的灰度量，G3用G1+G2表达。

c、在灰度BMP图像中沿宽度方向从左向右选取L＝M*N列图像其中N＝2，M设置为2，M*N小于等于DMD宽度方向的像素数。记为列图像L1，生成一个与L1等像素大小的二值BMP位图记为B1。对列图像L1进行灰度值G1提取，将像素灰度值为G1与G3位置对应在二值BMP位图B1中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0，如图4所示。

d、将灰度BMP图像提取位置在c步骤基础上向右移动M列，再次选取L＝M*N列灰度BMP图像，记为列图像L2。生成一个与L2等像素大小的二值BMP位图记为B2。对列图像L2进行灰度值G2提取，将像素灰度值为G2与G3位置对应在二值BMP位图B2中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0，如图5所示。

e、以上步骤c与d完成了一个N＝2，4台阶图形单元周期的灰度分解。将灰度图像分解位置继续往右移动M列，重复步骤c与d完成整个灰度BMP位图分解，得到一二值BMP位图队列文件B1至Bm。

3、将B1宽度扩充至DMD窗口768像素宽度，上载到SLM空间光调制器件内存中。设置DMD显示单元移动量D＝128像素，通过FPGA程序设定SLM每接收一次显示信号，B1图像在DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D＝256像素平移显示。

4、平台沿X方向匀速扫描运动，每当平台移动距离等于DMD上H＝256像素在感光基板X方向成像尺寸大小时，触发一次SLM显示并同步触发激光器曝光，B1图中1的位置成像曝光，0的位置光被DMD反射不曝光，直至B1图像全部显示完毕，完成一个扫描行的曝光，X轴回到起始位置。

5、平台在Y方向做步进平移。移动量等于DMD中M＝2列图像成像在感光基板Y方向的成像尺寸大小。

6、将B2宽度扩充至DMD窗口768像素宽度，上载到SLM空间光调制器件内存中。通过FPGA程序设定SLM每接收一次显示信号，B1图像在DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D＝128像素平移显示。

7、平台沿X方向匀速扫描运动，每当平台移动距离等于DMD上H＝128像素在感光(光刻胶)基板X方向成像尺寸大小时，触发一次SLM显示并同步触发激光器曝光，B2图中1的位置成像曝光，0的位置光被DMD反射不曝光直至B2图像全部显示完毕，完成一个扫描行的曝光,X轴回到起始位置。如图6所示。

8、从图6中可见，灰色阴影部分，同一位置分别得到了两次曝光计量的叠加。由于B2曝光时X方向的像素叠加步距是B1的一半，因此相同位置累计叠加的次数为B1的两倍，曝光计量即为B1的两倍。而台阶最深的位置曝光计量为B1的三倍，在灰度分解时B1与B2都包含此分量，两次曝光叠加正好满足此曝光计量。

9、顺序载入剩余二进制BMP队列，在256与128之间循环设置图像在DMD窗口高度方向移动量H，重复步骤3至7，直至二进制BMP队列全部上载光刻完毕。

上述实施例以N＝2(4台阶)为例进行说明，本发明也适用于N＝3、4…等，如若N＝3，台阶数为8，修改上述步骤对应N值。可见灰度文件有8个值，需3个单元曝光计量来分解灰度文件，需设置3个扫描叠加像素H值，Y轴方向对应3次移动M列成像距离，如图7所示。

当N＝3时，适用G0、G1、G3来分解灰度BMP图像中像素的灰度值，具体为：

曝光计量0：G0＝G0；

曝光计量1：G1＝G1；

曝光计量2：G2＝G2；

曝光计量3：G3＝G1+G2；

曝光计量4：G4＝G4；

曝光计量5：G5＝G1+G4；

曝光计量6：G6＝G2+G4；

曝光计量7：G7＝G1+G2+G4。

在N为其他数值时，同样可以按照本发明的原理进行激光直写，在此不再进行赘述。

以四台阶的实施例为例，来描述本发明的多台阶二元光学元件的激光直写方法的精度和效率：

1、激光直写的SLM像素单元10.68微米，经过双远心投影缩微光学系统，缩微倍率43.2倍，这样，激光直写系统的数据分辨率为0.25um，物镜数值孔径NA0.45-0.9。用四个像素表达1个二元位相台阶，则单一台阶宽度为0.5微米，四台阶宽度为2微米。采用上述脉冲激光触发曝光，台阶间的光刻定位误差仅为单一台阶宽度4％。单元台阶结构为0.5微米，意味着可支持可见光的40度左右的扩散角；

2、一般地，以平台平移速度200mm/s,在触发曝光期间，脉冲宽度20ns为例，在曝光期间光斑内图形的模糊量仅为±4nm。

3、平台触发定位精度为正负一个脉冲信号，定位光栅尺或者激光干涉仪提供定位脉冲信号，以±10nm的定位精度为例，扫描过程中的图形曝光的定位误差小于±20nm；

4、如激光直写系统的曝光光斑尺寸270微米，曝光频率2kHz，按照1/4光斑尺寸平铺叠加扫描曝光，以四台阶为例，考虑到不同台阶的扫描速度不同，则本方法能够实现>1000每秒平方毫米的光刻速率。光刻200mmx200mm寸幅面的二元位相结构，约小于1小时；

从而，本方法实现了高精度大面积的多台阶二元光学元件，通过本发明的叠加扫描曝光模式，无需套刻对准。

由以上技术方案可以看出，本发明将各台阶的曝光计量分解成XY二维单元计量相叠加，光刻图形在平台X扫描方向的重叠曝光次数决定了每个扫描行的曝光计量Pn，平台Y方向的步进位置区域重叠次数决定了整个幅面曝光计量的累积次数。通过扫描同步脉冲触发曝光方式一方面使得曝光计量得到精确控制，另一方面光刻效率得到提高，所有数据全数字表达一次性写入，无需对准套刻，降低了中间环节带来的出错概率。

本发明的各台阶曝光计量和图形控制全部数字化，工作方式为脉冲光斑平铺的扫描曝光模式。因此，光刻二元位相结构图形的精度高、速度快，可为多台阶结构的大面积二元光学元件提供高效光刻方法。应用于LED定向扩散的高光效光学膜、立体投影成像膜和相关光学功能材料。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于大面积多台阶二元光学元件的激光直写方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将2^N次台阶数据文件处理成灰度值从G0＝0开始到G2^N-1＝2^N-1结束的灰度BMP图像，其中0表示不刻蚀的台阶，2^N-1表示刻蚀深度最深的台阶；

S2、由曝光计量累积公式P＝P1+P2+…+Pn，Pn＝2^n-1*P1(n<＝N)分解灰度BMP图像，通过P1至Pn的单独或者互相累加组合，表示出所有2^N次台阶曝光所需的曝光计量，并将灰度BMP图像分为为若干L＝M*N列的二值BMP位图队列B1至Bm；

S3、将B1图像宽度扩充至DMD窗口像素宽度，上载到SLM空间光调制器件内存中，通过FPGA程序设定SLM每接收一次显示信号，B1图像在DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示；

S4、平台沿X方向匀速扫描运动，每当平台移动距离等于DMD上H像素在感光基板X方向成像尺寸大小时，触发一次SLM显示并同步触发激光器曝光，完成一个扫描行的曝光，X轴回到起始位置；

S5、平台在Y方向做步进平移，移动量等于DMD中M列图像成像在感光基板Y方向的成像尺寸大小；

S6、顺序载入二值BMP位图队列，依次降低H＝2^N-1*D中指数值，重复步骤S3至S5，直至DMD窗口移动量H＝2⁰*D即H＝D；

S7、再次设置DMD窗口高度方向做H＝2^N-1*D像素平移显示，重复步骤S3至S7直至二值BMP位图队列全部上载光刻完毕。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、按Pn＝2^n-1*P1分解为P1至Pn共n个单元曝光计量；

S22、用P1至Pn的单独或者互相累加组合分解灰度BMP图像中每个像素的灰度值；

S23、在灰度BMP图像中沿宽度方向从左向右选取L＝M*N列图像，记为列图像L1，生成一个与L1等像素大小的二值BMP位图记为B1，对列图像L1进行灰度值G1提取，将像素灰度值包含G1对应在二值BMP位图B1中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0；

S24、将灰度BMP图像提取位置向右移动M列，再次选取L＝M*N列灰度BMP图像，记为列图像L2，生成一个与L2等像素大小的二值BMP位图记为B2，对列图像L2进行灰度值G2提取，将像素灰度值包含G2对应在二值BMP位图B2中相同位置的像素值置为1，其余位置像素值置为0；

S25、将灰度BMP图像提取位置继续向右移动，直至完成列图像L2^N-1进行灰度值包括G2^N-1-1的提取；

S26、将灰度BMP图像分解位置往右移动M列，重复步骤S23与S25完成整个灰度BMP图像分解，得到二值BMP位图队列B1至Bm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DMD窗口高度方向像素成像方向对应平台X方向，DMD窗口宽度方向像素成像方向对应于平台Y方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中L＝M*N列图像宽度小于或等于DMD窗口宽度方向像素。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中H＝2^N-1*D小于或等于DMD窗口高度方向像素数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中激光器采用脉冲激光光源，脉冲频率为0-10KHz，脉冲宽度为5ns-100ns。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二元光学元件面积在100mmx100mm尺寸以上，单一台阶宽度为0.5微米以上，台阶数量大于或等于4台阶，台阶的深度0.1微米-10微米。