CN105137721A - 扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置，将待加工元件在二维空间上的二值图分割成等大的网状像素点，计算每个像素点对应的曝光时间和曝光强度；规划扫描工作台的速度曲线；根据速度曲线和像素点的大小D_pp确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点，并计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置；对边界全部或部分位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据进行补偿；充分利用了扫描工作台的加、减速段进行直写曝光，这样，在保证直写质量的前提下，最大限度地压缩了扫描工作台非曝光区的长度，节省了直写时间，提高了直写效率。

Description

扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置

技术领域

本发明涉及激光直接写入技术领域，特别涉及一种扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置。

背景技术

为了采用激光直写技术加工任意图案的集成电路掩膜版或光学元件，一般先将待加工图案以单位像素进行离散化，然后对各像素点进行变剂量曝光。基于二维工作平台光栅扫描式逐点曝光是普遍采用的成熟的直写技术。

文献[1]M.Haruna,S.Yoshida,H.Toda,andH.Nishihara,Laser-beamwritingsystemforopticalintegratedcircuits[J].Appl.Opt.26(21):4587-4592介绍了日本大阪大学的M.Haruna等开发的用于加工光学集成电路的激光直写设备，其加工方法是在平台匀速运动情况下直写，聚焦激光束通过声光调制进行开关和光强幅值控制并与二维工作台同步。扫描曝光时，位移传感器对平台瞬时位置信息进行检测，得到的反馈脉冲进入一个计数比较器单元并与来自计算机的24位并行信号进行比较，输出像素强度数据以驱动声光调制器来控制激光束的开关和强度调制。

文献[2]M.T.Gale,M.Rossi,J.Pedersen,andH.Schutz,Fabricationofcontinuous-reliefmicro-opticalelementsbydirectlaserwritinginphotoresists[J].OpticalEngineering33:3556-3566介绍了瑞士苏黎世RCA实验室的M.T.Gale等开发的制作连续浮雕微透镜的激光直写系统，其加工方法是：存储在PC机中线性缓冲器中的像素强度数据驱动声光调制器从而控制激光束的强度，其中像素强度数据是逐行地装载进缓冲器的，并在每一行匀速扫描时被干涉仪脉冲同步实现准确位置上的准确曝光。

文献[3]H.Becker,R.Caspary,C.Toepfer,M.V.Schickfus,andS.Hunklinger,Low-costdirectwritinglithographysystemforthesub-micronrange[J].J.Mod.Opt.vol.44:1715–1723介绍了德国海德尔堡大学的H.Becker等开发的低成本亚微米级分辨力的激光直写系统，其加工方法是：通过移动固定在二维工作台上的基底实现双向扫描，同时采用电光调制器根据像素信息控制光束的开关和强度。其中换向计数器是扫描曝光时的一个核心电子器件，它有两种功能模式：一种是曝光模式，此计数器提供了位置与像素数据的同步信号，使像素数据到达正确的位置而不依赖于工作台的实际速度；另一种是换向模式，当一行写完后，此计数器接到数据终信号，开始由曝光模式进入换向模式。在这个模式下，电光调制器的输入被关闭，扫描方向所有的位置脉冲反馈进入此计数器，在写完线段的终端其初始值为0，然后开始对工作台减速段以及工作台移动到下一条线进行加速时的位置脉冲计数。当此计数器重新变为0时，自动切换到曝光模式。

文献[4]邱传凯,杜春雷,侯德胜.激光直写光刻工艺技术研究[J].光电工程.1997,24,36-40介绍了中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，引进的加拿大ISI-2802型激光直写系统，其加工方法是：工件台在X方向以一定速度连续匀速平动的同时，聚焦光斑在Y方向宽256μm的范围上连续地高频扫描，完成一个窄带的曝光后基片回迹到扫描起点，同时工件台向Y方向移动256μm，开始下一个窄带的扫描曝光。

从以上文献不难看出，上述激光直写设备的共同特点是为了获得均匀的曝光效果，扫描平台只在匀速运动情况下进行曝光直写，加速段和减速段没有利用，虽然这样可以避免在加减速段直写时速度变化引起的光点畸变以及曝光量变化，但同时也降低了直写效率。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置，在保证直写质量的前提下，为了进一步提高直写效率，本发明针对用强度均匀的方形平顶激光束对光刻胶进行直写曝光的情况，提出了一种扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，该方法使得激光直写过程不仅可以在扫描工作台匀速运动时进行，也可以在加速运动或者减速运动时进行，从而大大提高了激光直写的效率。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，包括以下步骤：

将待加工元件在二维空间上的二值图像沿水平和垂直方向上分割成等大的网状像素点，像素点各边长均为D_pp，计算每个像素点对应的曝光时间和曝光强度；

根据扫描工作台扫描行两端各自的非曝光区长度、待加工元件在扫描直写曝光方向上的尺寸以及扫描工作台的加速度大小规划扫描工作台的速度曲线；

根据速度曲线和像素点的大小D_pp确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点，并计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置；

对边界全部或部分位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据进行补偿；

以声光调制器最小分辨力为单位量化各个像素点的曝光强度；分区存放像素点的位置信息和曝光强度，利用曝光强度数据驱动声光调制器调制直写激光强度实现对光刻胶变剂量曝光，在扫描工作台的加速、减速以及匀速运动过程中均对工作台上的光刻胶进行曝光直写。

进一步的，在计算每个像素点对应的曝光时间和曝光强度时所基于的条件是：扫描工作台以速度V_con作匀速直线运动，像素点尺寸大小的强度均匀的方形平顶激光束对光刻胶进行直写曝光，以及根据抗蚀材料的显影特性。

进一步的，分区存放像素点的位置信息和曝光强度时，将待加工元件的每一扫描行上各像素点曝光强度依曝光先后顺序按加速段、匀速段和减速段三个区域分类存放到计算机中,同时存储的还有各区域首位曝光强度对应的像素点的中心坐标位置，以及各区域存放的曝光数据对应的像素点个数。

进一步的，根据扫描工作台运动一个位移分辨力S_pp、扫描工作台工作加速度a、时间Δt来计算扫描工作台扫描行两端各自的非曝光区长度S₀，其中，扫描工作台以匀速V_con运动一个位移分辨力S_pp所需要的时间为ΔT，I_pb是用声光调制器最小分辨力调制的曝光强度，网状像素点对应的光强I_cv，Δt是以光强I_pb曝光光刻胶且曝光效果与光强I_cv曝光光刻胶ΔT时间一样时所需要的时间。

进一步的，速度曲线的规划方法如下：

首先判断与待加工元件在扫描直写曝光方向上的尺寸L之间的大小关系,当时，则扫描工作台工作时以加速度a加速运动，当速度达到V_max时，再以加速度a减速运动直到扫描工作台速度为零，得到对应的速度曲线；

当时，则扫描工作台工作时以加速度a加速运动，当速度达到V_con时再匀速运动距离，然后以加速度a减速运动直到扫描工作台速度为零，得到对应的速度曲线。

当 $2(V_{con}^2/2a-S_0)\≥L$ 时，根据方程 $V_{max}^2=2a(S_0+L/2)$ 得 $V_{max}=\sqrt{2a(S_0+L/2)}.$

进一步的，确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点个数时：

当时，计算的值，设所得商的整数部分为N，如果所得商没有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、减速段的像素个数分别为：N个，N个；如果所得商有小数部分，则扫描行上从曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和减速段、减速段的像素个数分别为：N个，1个，N个。

当时，计算的值，设所得商的整数部分为N，如果所得商没有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、匀速段、减速段的像素个数分别为：N个，(L/D_pp-2N)个，N个；如果所得商有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和匀速段、匀速段、同时处于匀速段和减速段、减速段的像素个数分别为：N个，1个，(L/D_pp-2N-2)个，1个，N个。

进一步的，计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置时，当或者时，扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第i个像素的起始边界坐标值S_{st_i}都按照公式S_{st_i}＝S₀+(i-1)D_pp计算，该像素的中心坐标值S_{cen_i}都按照公式S_{cen_i}＝S_{st_i}+0.5D_pp计算，其中i＝1,2,3…L/D_pp。

进一步的，对边界全部位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：

首先利用公式V_conT/S_pp并将其结果的小数部分进行四舍五入取整来计算扫描工作台以匀速V_con运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对应的位移分辨力的个数n；

其次计算扫描工作台通过上述n个位移分辨力中的每一个位移分辨力所需要的时间Δt_j，j＝1,2,3…n；

最后按照方程I_cv·ΔT＝I_j·Δt_j计算得到扫描工作台通过上述n个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力距离时所需要的曝光强度I_j＝(I_cv·ΔT)/Δt_j。

进一步的，对边界全部位于加速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿时，对应的时间Δt_j由方程S_j＝S₀+(i-1)D_pp+(j-1)S_pp，和联立求解得

${\mathrm{\Δt}}_j=-\sqrt{\frac{2\[S_0+(i-1)D_{pp}+(j-1)S_{pp}\]}{a}}\±\sqrt{\frac{2\[S_0+(i-1)D_{pp}+{\mathrm{jS}}_{pp}\]}{a}}$

由于Δt_j应大于0，所以

${\mathrm{\Δt}}_j=-\sqrt{\frac{2\[S_0+(i-1)D_{pp}+(j-1)S_{pp}\]}{a}}+\sqrt{\frac{2\[S_0+(i-1)D_{pp}+{\mathrm{jS}}_{pp}\]}{a}}.$

其中，S_j表示上述n个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力的起始边界坐标，V_{st_j}表示上述n个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力的起始边界对应的扫描工作台的速度，i＝1,2,3…L/D_pp，表示扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第i个像素。

进一步的，对边界全部位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿时，对应的时间Δt_j可由方程S_j＝S₀+(i-1)D_pp+(j-1)S_pp，和 $V_{st\_j}\·{\mathrm{\Δt}}_j-\frac{1}{2}{{\mathrm{a\Δt}}_j}^2=S_{pp}$ 联立求解得：

${\mathrm{\Δt}}_j=\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(i-1)D_{pp}-(j-1)S_{pp}\]}{a}}\±\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(i-1)D_{pp}-{\mathrm{jS}}_{pp}\]}{a}}$

根据实际情况，Δt_j应为：

${\mathrm{\Δt}}_j=\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(i-1)D_{pp}-(j-1)S_{pp}\]}{a}}-\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(i-1)D_{pp}-{\mathrm{jS}}_{pp}\]}{a}}.$

其中，S_j表示上述n个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力的起始边界坐标，V_{st_j}表示上述n个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力的起始边界对应的扫描工作台的速度，i＝1,2,3…L/D_pp，表示扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第i个像素。

进一步的，对边界的一部分位于加速段另一部分位于匀速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：

边界的一部分位于加速段另一部分位于匀速段的像素点为从扫描行起始曝光像素点开始的第(N+1)个，则此像素点所处加速段部分对应的长度S_acc可由方程S_{st_N+1}＝S₀+N·D_pp， $V_{N+1}^2=2a{S}_{\mathrm{st}\_N+1}$ 和 $V_{\mathrm{con}}^2-V_{N+1}^2=2a{S}_{\mathrm{acc}}$ 联立求得 $S_{\mathrm{acc}}=V_{\mathrm{con}}^2/2a-[S_0+{\mathrm{ND}}_{\mathrm{pp}}],$ 其中，S_{st_N+1}为扫描行上从直写曝光起点开始的第N+1个像素点的起始边界坐标值，V_N+1为扫描行上从直写曝光起点开始的第N+1个像素点的起始边界对应的扫描工作台的速度。如果S_acc/S_pp≥n，则该像素点曝光光强的补偿方法按照对边界全部位于加速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法所述进行。如果S_acc/S_pp＜n，对S_acc/S_pp的结果的小数部分四舍五入取整，设取整后其值为m，则从该像素点起始曝光边界开始的m个位移分辨力对应的曝光光强补偿方法按照对边界全部位于加速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法所述进行，紧接着的(n-m)个位移分辨力对应的曝光强度数据被赋予该像素点未补偿前的曝光强度。

进一步的，对边界的一部分位于加速段另一部分位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：

边界的一部分位于加速段另一部分位于减速段的像素点为从扫描行起始曝光像素点开始的第(N+1)个，则此像素点位于加速段的长度S_acc可由方程S_{st_N+1}＝S₀+N·D_pp， $V_{N+1}^2=2a{S}_{\mathrm{st}\_N+1}$ 和 $V_{\max }^2-V_{N+1}^2=2a{S}_{\mathrm{acc}}$ 联立求得 $S_{\mathrm{acc}}=V_{\max }^2/2a-[S_0+{\mathrm{ND}}_{\mathrm{pp}}],$ 其中，S_{st_N+1}为扫描行上从直写曝光起点开始的第N+1个像素点的起始边界坐标值，V_N+1为扫描行上从直写曝光起点开始的第N+1个像素点的起始边界对应的扫描工作台的速度。V_max为当时，扫描工作台运动时的最大速度。如果S_acc/S_pp≥n，则该像素点曝光光强的补偿方法按照对边界全部位于加速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法所述进行。如果S_acc/S_pp＜n，对S_acc/S_pp的结果的小数部分四舍五入取整，设取整后其值为m，则从该像素点起始曝光边界开始的m个位移分辨力对应的曝光光强补偿方法按照对边界全部位于加速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法所述进行，紧接着的(n-m)个位移分辨力对应的曝光强度补偿方法按照对边界全部位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法所述进行，其中S_j＝S₀+N·D_pp+(j-1)S_pp，j＝(m+1),(m+2),…n。

进一步的，对边界的一部分位于匀速段另一部分位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：

边界的一部分位于匀速段另一部分位于减速段的像素点为从扫描行起始曝光像素点开始的第(L/D_pp-N)个，则此像素点位于减速段的长度S_dec可由方程S_{st_N+1}＝S₀+N·D_pp， $V_{N+1}^2=2a{S}_{\mathrm{st}\_N+1}$ 和 $V_{\mathrm{con}}^2-V_{N+1}^2=2a{S}_{\mathrm{dec}}$ 联立求得 $S_{\mathrm{dec}}=V_{\mathrm{con}}^2/2a-[S_0+{\mathrm{ND}}_{\mathrm{pp}}],$ 其中，S_{st_N+1}和V_N+1的含义如同对边界的一部分位于加速段另一部分位于匀速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法中的含义，则此像素点位于匀速段的长度S_con＝D_pp-S_dec。如果S_con/S_pp≥n，则从该像素点起始曝光边界开始的n个位移分辨力对应的曝光光强被赋予该像素点未补偿前的曝光强度。如果S_con/S_pp＜n，对S_acc/S_pp的结果的小数部分四舍五入取整，设取整后其值为m，则从该像素点起始曝光边界开始的m个位移分辨力对应的曝光光强被赋予该像素点未补偿前的曝光强度，紧接着的(n-m)个位移分辨力对应的曝光强度补偿方法按照对边界全部位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法所述进行，其中S_j＝S₀+(L/D_pp-N-1)D_pp+(j-1)S_pp，j＝(m+1),(m+2),…n。

进一步的，依据速度曲线，将待加工元件的每一扫描行上各像素点曝光强度依曝光先后顺序按加速段、匀速段和减速段三个区域分类都存放到计算机中，其中加速段区域存放边界全部位于加速段、同时位于加速段和匀速段、同时位于加速段和减速段的像素点的相关数据，匀速段区域存放边界全部位于匀速段的像素点的相关数据，减速段区域存放边界全部位于减速段、同时位于匀速段和减速段的像素点的相关数据。

进一步的，按照上述曝光数据补偿方法，加速段和减速段区域存放的每一个像素点对应的曝光数据为n个，此两区域内补偿前曝光强度为零的像素点对应的曝光数据均扩充为n个零，根据像素点所处位置依序存放；匀速段区域存放的每一个像素点对应的曝光数据为1个。

进一步的，除了分区存放曝光数据之外，存放到计算机中的数据还有曝光数据存放在加速段、匀速段和减速段各区域首位的像素点的中心坐标位置，以及各区域存放的曝光数据对应的像素点个数。

扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的装置，包括：依次排列的写入激光器、声光调制器及第一准直扩束系统，第一准直扩束系统将激光传输至第二反射镜，第二反射镜将激光反射至直写物镜会聚，直写物镜的下方设置有基片，基片放置在二维工作平台上，直写物镜的两侧还设置有调焦机构；

检焦激光器、第二准直扩束系统及偏振分光棱镜依次排列，偏振分光棱镜透过的e光作为检焦激光，再经λ/4波片、第一反射镜的反射、直写物镜的会聚聚焦到曝光基片表面；

离焦检测系统放置在偏振分光棱镜的反射光路上，调焦机构、二维工作平台及离焦检测系统均与计算机相连。

进一步的，声光调制器还与声光调制器驱动控制单元相连，声光调制器驱动控制单元包括曝光同步控制单元，曝光同步控制单元分别与曝光位置计数器、计算机、曝光脉冲宽度计数器及数据锁存器相连，数据锁存器依次与D/A转换器及声光调制器相连。

进一步的，写入激光器发出的写入激光，通过声光调制器的调制、经过第一准直扩束系统的准直扩束以及第二反射镜的反射，再经直写物镜会聚，在基片表面形成曝光光点；检焦激光器发出线性偏振检焦激光，经过第二准直扩束系统的准直扩束进入偏振分光棱镜，透过的e光作为检焦激光，再经λ/4波片、第一反射镜的反射、直写物镜的会聚聚焦到曝光基片表面，曝光基片表面将该光束反射，再次透过直写物镜、第一反射镜、λ/4波片、偏振分光棱镜，射向离焦检测系统形成离焦信号，与计算机、调焦机构共同完成伺服调焦；载有基片的二维工作台由行间定位平台和扫描工作台组成，实现对基片的扫描行间定位和扫描行曝光，完成任意二值图形的曝光制作。

进一步的，在直写曝光前曝光同步控制单元向计算机发出请求发送数据信号，计算机将待加工元件的即将曝光的扫描行上处于加速段、匀速段和减速段各存放区域首位的像素点的中心坐标位置，各区域存放的曝光数据对应的像素点个数，以及加速段、匀速段和减速段三个存放区域存放的曝光光强数据按照其曝光先后顺序发送给曝光同步控制单元，曝光同步控制单元按照计算机中存储的数据格式存放各数据。

行间定位平台定位后，曝光位置计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号进行计数，并将当前位置实时传送给曝光同步控制单元，与该扫描行上各存放区域首位的像素点的中心坐标值、以及由此和各区域存放的曝光数据对应的像素点个数推算出的各个像素点的中心坐标值进行比较，判断扫描工作台处于哪个速度段和具体处于哪个像素点中心位置。

如果扫描工作台处于加速段或减速段，曝光同步控制单元启动曝光脉冲宽度计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号开始计数，同时将相应像素点的第一个曝光强度数据送往锁存器并启动锁存器锁存该数据，以供声光调制器的D/A转换器使用；随着扫描工作台的移动，曝光脉冲宽度计数器计数增加，同时将当前计数发给曝光同步控制单元，这样每增加一个计数，曝光同步控制单元将相应像素点的下一个曝光强度数据送往锁存器并启动锁存器锁存该数据，当曝光脉冲宽度计数器所累加的脉冲个数达到设定值n时，该计数器清零，曝光同步控制单元发出复位信号给锁存器进行复位，关断直写激光。

如果扫描工作台处于匀速段，曝光同步控制单元启动曝光脉冲宽度计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号开始计数，同时将相应像素点的唯一一个曝光强度数据送往锁存器并启动锁存器锁存该数据，以供声光调制器的D/A转换器使用，当曝光脉冲宽度计数器所累加的脉冲个数达到设定值n时，曝光同步控制单元发出复位信号给锁存器进行复位，关断直写激光。此外，无论扫描工作台处于哪个速度段，曝光强度数据为零时，直写激光输出的激光强度为零。

本发明的有益效果：

(1)用扫描工作台的位置反馈脉冲同步触发激光束曝光光刻胶，实现了像素点的理想位置曝光；同时通过基于对处于扫描工作台加、减速度段的像素点进行曝光强度补偿，保证了需要曝光的像素点对应的每一个位移分辨力距离上所获的曝光量与匀速运动时相同，从而保证了速度连续变化的情况下激光直写能获得预期的曝光效果；

(2)充分利用了扫描工作台的加、减速段进行直写曝光，这样，在保证直写质量的前提下，最大限度地压缩了扫描工作台非曝光区的长度，节省了直写时间，提高了直写效率。

附图说明

图1为本发明装置配置结构示意图；

图2为本发明用来曝光直写的激光光点的光强分布图；

图3-1为传统的激光直写方式；

图3-2为本发明的激光直写方式；

图4为本发明扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法的流程图；

图5为本发明在加减速段进行激光直写的速度曲线图；

图6-1为曝光数据补偿前的柱状图；

图6-2为加速段曝光数据补偿后的柱状图；

图6-3为减速段曝光数据补偿后的柱状图；

图7为本发明的声光调制器驱动控制单元；

图8为待加工元件的一像素点在光刻胶17相应位置上获得的曝光量分布图。

图中，1写入激光器；2声光调制器；3第一准直扩束系统；4第一反射镜；5λ/4波片；6偏振分光棱镜；7第二准直扩束系统；8检焦激光器；9离焦检测系统；10调焦机构；11计算机、12二维工作平台；13基片；14直写物镜；15第二反射镜；16声光调制器驱动控制单元；17光刻胶；18曝光量分布图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

下面结合附图对本发明的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置实施作详细说明。

如图1所示，本发明的装置包括：写入激光器1、声光调制器2、二维工作平台12、计算机11、声光调制器驱动控制单元16、检焦激光器8、离焦检测系统9及调焦机构10、直写物镜14以及辅助光学元件等。其光的路径如下：

写入激光器1发出的写入激光，通过声光调制器2的调制、经过第一准直扩束系统3的准直扩束以及第二反射镜15的反射，再经直写物镜14会聚，在基片13表面形成曝光光点，该光点的光强分布如图2所示；检焦激光器8发出线性偏振检焦激光，经过第二准直扩束系统7的准直扩束进入偏振分光棱镜6，透过的e光作为检焦激光，再经λ/4波片5、第一反射镜4的反射、直写物镜14的会聚聚焦到曝光基片表面，曝光基片13表面将该光束反射，再次透过直写物镜14、第一反射镜4、λ/4波片5、偏振分光棱镜6，射向离焦检测系统9形成离焦信号，与计算机11、调焦机构10共同完成伺服调焦；载有基片13的二维工作台12实现对基片13的扫描行间定位和扫描行曝光，完成任意二值图形的曝光制作。

本发明中的曝光扫描方式与已有曝光扫描方式不同。已有曝光扫描方式(如图3-1所示)在非曝光区完成扫描工作台的加速(或减速)过程，在加速过程和减速过程中对基片上的光刻胶不曝光，只在匀速段实现扫描曝光。本发明就是通过对扫描工作台匀速段的曝光数据进行补偿从而实现在扫描工作台的加速、减速以及匀速运动过程中都曝光直写，而且可以实现扫描线上的双向曝光，曝光扫描示意图如图3-2所示。

具体的曝光数据补偿方法流程图如图4所示，其中曝光直写系统的相关参数如下：

扫描工作台的性能参数为：其位置传感器分辨力为S_pp＝20nm，加速段和减速段的加速度大小为a＝50mm/s²，匀速曝光直写的速度为V_con＝10mm/s；用来曝光直写的激光点为强度均匀的方形平顶激光束，大小为1μm×1μm，被曝光图案的大小为5mm×5mm，被曝光的光刻胶为MicropositS1805正性光刻胶，曝光阈值为E₀＝82mJ/cm²，声光调制器的D/A转换器位数为16，被声光调制器调制前激光输出的最大光强为I_max＝1.64×10⁷mW/cm²，扫描工作台匀速曝光直写时需要的激光光点光强为I_cv＝8.2×10⁶mW/cm²，曝光时间脉冲宽度为10μs。

根据上述参数，曝光数据补偿方法为：

步骤一：将待加工元件在二维空间上的二值图像沿水平和垂直方向上等间距地分割成网状方形像素点，每个像素点大小为1μm×1μm，即，D_pp＝1μm，相应的曝光数据为：曝光强度为：I_cv＝8.2×10⁶mW/cm²，曝光时间为10μs。

步骤二，非曝光区长度S₀的计算方法如下：首先由I_cv·ΔT＝I_pb·Δt得到Δt＝(I_cv·ΔT)/I_pb，其中，I_pb是用声光调制器最小分辨力调制的曝光强度，ΔT＝S_pp/V_con是扫描工作台以匀速V_con运动一个位移分辨力S_pp所需要的时间，Δt是以光强I_pb曝光光刻胶且曝光效果与光强I_cv曝光光刻胶ΔT时间一样时所需要的时间。再由方程和方程V² _st＝2aS₀联立求解得 $V_{st}=(S_{pp}-\frac{1}{2}a\·{\mathrm{\Δt}}^2)/\mathrm{\Δ}t,S_0={(S_{pp}-\frac{1}{2}a\·{\mathrm{\Δt}}^2)}^2/(2a\·{\mathrm{\Δt}}^2),$ 其中a为扫描工作台加速运动时保持不变的加速度，V_st为直写曝光开始时扫描工作台的速度。当S₀不是扫描工作台位移分辨力的整数倍时，将其不足位移分辨力的部分圆整为一个位移分辨力，使最终的非曝光区长度S₀为扫描工作台位移分辨力的整数倍。

具体的非曝光区的计算及速度曲线的获取：

扫描工作台以匀速V_con运动一个位移分辨力S_pp所需要的时间ΔT＝S_pp/V_con＝20nm/(10mm/s)＝2μs，用声光调制器最小分辨力调制的曝光强度 $I_{pb}=I_{max}\×\frac{1}{2^{16}}=1.64\×{10}^7\×\frac{1}{2^{16}}=250.2441406mW/{\mathrm{cm}}^2,$ 以光强I_pb曝光光刻胶且曝光效果与光强I_cv曝光光刻胶ΔT时间一样时所需要的时间Δt＝(I_cv·ΔT)/I_pb＝(8.2×10⁶×2)/(6.40625×10⁴)＝256μs，非曝光区大小将S₀圆整为扫描工作台位移分辨力的整数倍，即取S₀＝60nm。由于所以扫描工作台工作时以加速度a＝50mm/s²加速运动，当速度达到V_con＝10mm/s时再匀速运动距离，然后以加速度a＝50mm/s²减速运动直到扫描工作台速度为0，对应的速度曲线如图5所示。

步骤三：根据速度曲线和像素点的大小D_pp确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点，并计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置。

由于计算的商的整数部分为999，小数部分为0.94，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和匀速段、匀速段、同时处于匀速段和减速段、减速段的像素个数分别为：999，1，3000，1，999。

扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第i个像素的起始边界坐标值S_{st_i}都按照公式S_{st_i}＝S₀+(i-1)D_pp计算，该像素的中心坐标值S_{cen_i}都按照公式S_{cen_i}＝S_{st_i}+0.5D_pp计算，其中i＝1,2,3…L/D_pp。例如第2个像素的起始边界坐标值S_{st_2}＝S₀+(i-1)D_pp＝60nm+(2-1)×1μm＝1060nm，该像素的中心坐标值S_{cen_2}＝S_{st_2}+0.5D_pp＝1060+0.5×1μm＝1560nm。

步骤四：对边界全部或部分位于加速段、减速段的像素点进行曝光数据的补偿，其中，曝光强度为零或者边界全部位于匀速段的像素点不进行曝光数据的补偿。由于数据量大，下面从每个区域中任选一个像素点为例来说明计算补偿方法。

1)对边界全部位于加速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：以扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第2个像素为例，首先计算扫描工作台以匀速V_con运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对应的位移分辨力的个数n＝V_conT/S_pp＝10mm/s×10μs/20nm＝5。其次计算扫描工作台通过上述5个位移分辨力中的每一个位移分辨力所需要的时间 ${\mathrm{\Δt}}_1=-\sqrt{\frac{2\[S_0+(2-1)D_{pp}+(1-1)S_{pp}\]}{a}}+\sqrt{\frac{2\[S_0+(2-1)D_{pp}+S_{pp}\]}{a}}\≈61.1424516\mathrm{\μ}s,$ 同理得，Δt₂≈60.5788906μs，Δt₃≈60.0306316μs，Δt₄≈59.4969942μs，Δt₅≈58.9773399μs，最后计算得到扫描工作台通过上述5个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力距离时所需要的曝光强度I₁＝(I_cv·ΔT)/Δt₁＝268226.0780343mW/cm²，I₂＝270721.3655508mW/cm²，I₃＝273193.8607562mW/cm²，I₄＝275644.1770839mW/cm²,I₅＝278072.9009329mW/cm²。

2)对边界的一部分位于加速段另一部分位于匀速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：以扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第1000个像素为例，首先计算扫描工作台以匀速V_con运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对应的位移分辨力的个数n＝V_conT/S_pp＝10mm/s×10μs/20nm＝5。

此像素点所处加速段部分对应的长度S_acc/S_pp＝940/20＝47≥n，则该像素点曝光光强的补偿方法和扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第2个像素点曝光光强的补偿方法相同。

3)对边界全部位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：以扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第5000个像素为例，首先计算扫描工作台以匀速V_con运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对应的位移分辨力的个数n＝V_conT/S_pp＝10mm/s×10μs/20nm＝5。

其次计算扫描工作台通过上述5个位移分辨力中的每一个位移分辨力所需要的时间 ${\mathrm{\Δt}}_1=\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(5000-1)D_{pp}-(1-1)S_{pp}\]}{a}}-\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(5000-1)D_{pp}-S_{pp}\]}{a}}\≈61.7220398\mathrm{\μ}s$

同理得：

Δt₂≈62.3184296μs，Δt₃≈62.9324487μs，Δt₄≈63.5649833μs，Δt₅≈64.2169831μs，最后计算得到扫描工作台通过上述5个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力距离时所需要的曝光强度：

I₁＝(I_cv·ΔT)/Δt₁＝265707.3559601mW/cm²；

I₂＝263164.5263380mW/cm²；

I₃＝260596.8833328mW/cm²；

I₄＝258003.6859754mW/cm²；

I₅＝255384.1556641mW/cm²。

4)对边界的一部分位于匀速段另一部分位于减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：以扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第4001个像素为例，首先计算扫描工作台以匀速V_con运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对应的位移分辨力的个数n＝V_conT/S_pp＝10mm/s×10μs/20nm＝5。

此像素点位于减速段的长度则此像素点位于匀速段的长度S_con＝D_pp-S_dec≈1μm-940nm≈60nm，由于S_con/S_pp＝60/20＝3＜n，则从该像素点起始曝光边界开始的3个位移分辨力对应的曝光光强被赋予该像素点未补偿前的曝光强度I₁＝I₂＝I₃＝I_cv＝8.2×10⁶mW/cm²，其次计算扫描工作台通过紧接着的2(n-3＝5-3＝2)个位移分辨力中的每一个位移分辨力所需要的时间

${\mathrm{\Δt}}_4=\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(5000-999-1)D_{pp}-(4-1)S_{pp}\]}{a}}-\sqrt{\frac{2\[L+S_0-(5000-999-1)D_{pp}-4\×S_{pp}\]}{a}}$ $\≈2.0000100\mathrm{\μ}s.$ 同理可得，Δt₅≈2.0000300μs，最后计算得到扫描工作台通过上述2个位移分辨力中的每个位移分辨力距离时所需要的曝光强度I₄＝(I_cv·ΔT)/Δt₄＝8199958.9997735mW/cm²，I₅＝8199876.9989993mW/cm²。

步骤五：以声光调制器的最小分辨力为单位量化各个像素点的曝光强度。以步骤四中的扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第2个像素为例，利用公式D_j＝I_j/I_pb计算各个像素点的曝光强度对应的声光调制器D/A转换器所需的数字量。D₁＝I₁/I_pb＝268226.0780343/250.2441406≈1072，D₂≈1082，D₃≈1092，D₄≈1102，D₅≈1111。经过补偿的曝光数据柱状图如图6所示，图6-1表示曝光数据未补偿时的柱状图，图6-2表示加速段曝光数据补偿后的柱状图，图6-3表示减速段曝光数据补偿后的柱状图。

步骤六：将待加工元件的每一扫描行上各像素点曝光强度依曝光先后顺序按加速段、匀速段和减速段三个区域分类存放到计算机中,同时存储的还有各区域首位曝光强度对应的像素点的中心坐标位置，以及各区域存放的曝光数据对应的像素点个数。

其中加速段区域存放边界全部位于加速段、同时位于加速段和匀速段、同时位于加速段和减速段的像素点的相关数据，匀速段区域存放边界全部位于匀速段的像素点的相关数据，减速段区域存放边界全部位于减速段、同时位于匀速段和减速段的像素点的相关数据。而且按照本发明所提补偿方法，加速段和减速段区域存放的每一个像素点对应的曝光数据为5个，此两区域内补偿前曝光强度为零的像素点对应的曝光数据均扩充为5个零，根据像素点所处位置依序存放；匀速段区域存放的每一个像素点对应的曝光数据为1个。本具体实施中，曝光数据存放格式如下所示：

Yunsuduan:32768

32768

32768

32768

32768

32768

32768

32768

32768

32768

…

上述数据中，每个区域列出了前10个像素的曝光数据，其中，标有“Jiasuduan”的数据为加速段区域数据，每行5个数据代表一个像素相应的曝光数据；标有“Yunsuduan”的数据为匀速段区域数据，每行1个数据代表一个像素相应的曝光数据；标有“Jiansuduan”的数据为减速段区域数据，每行5个数据代表一个像素相应的曝光数据。

除了分区存放曝光数据之外，本具体实施中，存放到计算机中的数据还有曝光数据存放在加速段、匀速段和减速段各区域首位的曝光强度对应的像素点的中心坐标位置,例如第一扫描行三区域对应的起始坐标位置为(0.5，0.56),(0.5，1000.56),(0.5，4000.56)，上述数据单位为μm。同时，各区域存放的曝光数据对应的像素点个数分别为：1000,3000,1000。

步骤七，在计算机和曝光同步控制单元协调配合下利用步骤六存放在计算机中的曝光强度数据驱动声光调制器调制直写激光强度实现对光刻胶变剂量曝光。其中，声光调制器的驱动控制单元如图7所示，工作工程为：在直写曝光前曝光同步控制单元向计算机发出请求发送数据信号，计算机将待加工元件的即将曝光的扫描行上处于加速段、匀速段和减速段各存放区域首位的像素点的中心坐标位置，各区域存放的曝光数据对应的像素点个数，以及加速段、匀速段和减速段三个存放区域存放的曝光光强数据按照其曝光先后顺序发送给曝光同步控制单元，曝光同步控制单元按照计算机中存储的数据格式存放各数据。行间定位平台定位后，曝光位置计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号进行计数，并将当前位置实时传送给曝光同步控制单元，与该扫描行上各存放区域首位的像素点的中心坐标值、以及由此和各区域存放的曝光数据对应的像素点个数推算出的各个像素点的中心坐标值进行比较，判断扫描工作台处于哪个速度段和具体处于哪个像素点中心位置。如果扫描工作台处于加速段或减速段，曝光同步控制单元启动曝光脉冲宽度计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号开始计数，同时将相应像素点的第一个曝光强度数据送往锁存器并启动锁存器锁存该数据，以供声光调制器的D/A转换器使用；随着扫描工作台的移动，曝光脉冲宽度计数器计数增加，同时将当前计数发给曝光同步控制单元，这样每增加一个计数，曝光同步控制单元将相应像素点的下一个曝光强度数据送往锁存器并启动锁存器锁存该数据，当曝光脉冲宽度计数器所累加的脉冲个数达到设定值5时，该计数器清零，曝光同步控制单元发出复位信号给锁存器进行复位，关断直写激光。如果扫描工作台处于匀速段，曝光同步控制单元启动曝光脉冲宽度计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号开始计数，同时将相应像素点的唯一一个曝光强度数据送往锁存器并启动锁存器锁存该数据，以供声光调制器的D/A转换器使用，当曝光脉冲宽度计数器所累加的脉冲个数达到设定值5时，曝光同步控制单元发出复位信号给锁存器进行复位，关断直写激光。此外，无论扫描工作台处于哪个速度段，曝光强度数据为零时，直写激光输出的激光强度为零。

图8为待加工元件的一像素点在光刻胶17相应位置上获得的曝光量分布图18。其中，每一个长方形薄层代表扫描工作台移动一个位移分辨力时直写激光束在光刻胶17上产生的曝光量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，包括以下步骤：

将待加工元件在二维空间上的二值图像沿水平和垂直方向上分割成等大的网状像素点，像素点各边长均为D_pp，计算每个像素点对应的曝光时间和曝光强度；

根据扫描工作台扫描行两端各自的非曝光区长度、待加工元件在扫描直写曝光方向上的尺寸以及扫描工作台的加速度大小规划扫描工作台的速度曲线；

根据速度曲线和像素点的大小D_pp确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点，并计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置；

对边界全部或部分位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据进行补偿；

以声光调制器最小分辨力为单位量化各个像素点的曝光强度；分区存放像素点的位置信息和曝光强度，利用曝光强度数据驱动声光调制器调制直写激光强度实现对光刻胶变剂量曝光，在扫描工作台的加速、减速以及匀速运动过程中均对工作台上的光刻胶进行曝光直写。

2.如权利要求1所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，分区存放像素点的位置信息和曝光强度时，将待加工元件的每一扫描行上各像素点曝光强度依曝光先后顺序按加速段、匀速段和减速段三个区域分类存放到计算机中,同时存储的还有各区域首位曝光强度对应的像素点的中心坐标位置，以及各区域存放的曝光数据对应的像素点个数。

3.如权利要求1所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，根据扫描工作台运动一个位移分辨力S_pp、扫描工作台工作加速度a、时间Δt来计算扫描工作台扫描行两端各自的非曝光区长度S₀，其中，扫描工作台以匀速V_con运动一个位移分辨力S_pp所需要的时间为ΔT，I_pb是用声光调制器最小分辨力调制的曝光强度，网状像素点对应的光强I_cv，Δt是以光强I_pb曝光光刻胶且曝光效果与光强I_cv曝光光刻胶ΔT时间一样时所需要的时间。

4.如权利要求1或3所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，速度曲线的规划方法如下：

首先判断与待加工元件在扫描直写曝光方向上的尺寸L之间的大小关系,当时，则扫描工作台工作时以加速度a加速运动，当速度达到V_max时，再以加速度a减速运动直到扫描工作台速度为零，得到对应的速度曲线；

当时，则扫描工作台工作时以加速度a加速运动，当速度达到V_con时再匀速运动距离，然后以加速度a减速运动直到扫描工作台速度为零，得到对应的速度曲线；

当时，根据方程得

5.如权利要求1所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点个数时：

当时，计算的值，设所得商的整数部分为N，如果所得商没有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、减速段的像素个数分别为：N个，N个；如果所得商有小数部分，则扫描行上从曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和减速段、减速段的像素个数分别为：N个，1个，N个；

当时，计算的值，设所得商的整数部分为N，如果所得商没有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、匀速段、减速段的像素个数分别为：N个，(L/D_pp-2N)个，N个；如果所得商有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和匀速段、匀速段、同时处于匀速段和减速段、减速段的像素个数分别为：N个，1个，(L/D_pp-2N-2)个，1个，N个。

6.如权利要求5所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置时，当或者时，扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上第i个像素的起始边界坐标值S_{st_i}都按照公式S_{st_i}＝S₀+(i-1)D_pp计算，该像素的中心坐标值S_cen 都按照公式S_{cen_i}＝S_{st_i}+0.5D_pp计算，其中i＝1,2,3…L/D_pp。

7.如权利要求1所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，对边界全部位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光数据补偿方法如下：

首先利用公式V_conT/S_pp并将其结果的小数部分进行四舍五入取整来计算扫描工作台以匀速V_con运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对应的位移分辨力的个数n；

其次计算扫描工作台通过上述n个位移分辨力中的每一个位移分辨力所需要的时间Δt_j，j＝1,2,3…n；

最后按照方程I_cv·ΔT＝I_j·Δt_j计算得到扫描工作台通过上述n个位移分辨力中沿扫描方向上的第j个位移分辨力距离时所需要的曝光强度I_j＝(I_cv·ΔT)/Δt_j。

8.如权利要求1所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，其特征是，依据速度曲线，将待加工元件的每一扫描行上各像素点曝光强度依曝光先后顺序按加速段、匀速段和减速段三个区域分类都存放到计算机中，其中加速段区域存放边界全部位于加速段、同时位于加速段和匀速段、同时位于加速段和减速段的像素点的相关数据，匀速段区域存放边界全部位于匀速段的像素点的相关数据，减速段区域存放边界全部位于减速段、同时位于匀速段和减速段的像素点的相关数据。

9.基于上述权利要求1所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法的装置，其特征是，包括：依次排列的写入激光器、声光调制器及第一准直扩束系统，第一准直扩束系统将激光传输至第二反射镜，第二反射镜将激光反射至直写物镜会聚，直写物镜的下方设置有基片，基片放置在二维工作平台上，直写物镜的两侧还设置有调焦机构；

检焦激光器、第二准直扩束系统及偏振分光棱镜依次排列，偏振分光棱镜透过的e光作为检焦激光，再经λ/4波片、第一反射镜的反射、直写物镜的会聚聚焦到曝光基片表面；

离焦检测系统放置在偏振分光棱镜的反射光路上，调焦机构、二维工作平台及离焦检测系统均与计算机相连。

10.如权利要求9所述的扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法的装置，其特征是，声光调制器还与声光调制器驱动控制单元相连，声光调制器驱动控制单元包括曝光同步控制单元，曝光同步控制单元分别与曝光位置计数器、计算机、曝光脉冲宽度计数器及数据锁存器相连，数据锁存器依次与D/A转换器及声光调制器相连；

在直写曝光前曝光同步控制单元向计算机发出请求发送数据信号，计算机将待加工元件的即将曝光的扫描行上处于加速段、匀速段和减速段各存放区域首位的像素点的中心坐标位置，各区域存放的曝光数据对应的像素点个数，以及加速段、匀速段和减速段三个存放区域存放的曝光光强数据按照其曝光先后顺序发送给曝光同步控制单元，曝光同步控制单元按照计算机中存储的数据格式存放各数据；

行间定位平台定位后，曝光位置计数器对扫描工作台位移传感器输出的脉冲信号进行计数，并将当前位置实时传送给曝光同步控制单元，与该扫描行上各存放区域首位的像素点的中心坐标值、以及由此和各区域存放的曝光数据对应的像素点个数推算出的各个像素点的中心坐标值进行比较，判断扫描工作台处于哪个速度段和具体处于哪个像素点中心位置。