CN106200278B - 基于无掩膜光刻机极坐标下刻写大范围任意图形的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于无掩膜光刻机极坐标下刻写大范围任意图形的方法，包括激光与旋转平台的对准，大数据的直角坐标向极坐标的数据转换，数据传输与高精密运动台的实时同步控制等步骤。高速旋转式无掩膜光刻机运动平台由一个旋转电机和一个直线电机组成，通过直线电机的R方向和旋转电机的θ方向构成了一个极坐标系。控制器将刻写数据与电机的位置进行高精度的匹配，控制激光在特定的位置发出相应的脉冲进行刻写，从而实现极坐标下刻写大范围任意图形。本发明实现了光刻机在极坐标下刻写大面积任意图形，在微纳加工，掩模板制造，衍射光学元件制作领域具有很高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微纳加工，衍射光学元件制作，掩膜版制作与加工等领域，是一种基于无掩膜光刻机极坐标下大范围任意图形刻写的方法。
背景技术
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的新型交叉学科领域，并可能在21世纪引领下一次科技革命。纳米技术的发展依赖于微纳米级别的结构功能器件的制作和发展。作为制作微纳结构技术之一的激光直写光刻技术因其结构简单，得成本低，效率高到了广泛重视。相比其他微纳加工技术，激光直写光刻技术采用激光直接照射样品表面进行刻写，具有设备结构简单，工作条件要求低，成本低等特点，在制作微纳光学器件等方面具有优势。20世纪80年代，瑞士苏黎世RCA实验室首次研制成功激光直写光刻装置，之后的30多年，激光直写光刻技术在国际上得到了快速的发展，目前，激光直写技术在半导体集成电路、微纳光学结构制造方面得到了比较广泛的应用。旋转式无掩膜光刻机可以应用于圆光栅，菲涅尔透镜等微纳光学器件的制作和加工和掩膜的制备。由于绝大多数微纳光学器件都是圆对称图形，因此相比于传统的X-Y刻写方式来说，旋转式刻写方式在制作微纳光学器件方面有很大的优势。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室(梁宜勇.全数字化激光直写转台系统[J].光电工程,2004,31(5):1-3.)，中国科学院长春光机所以及俄罗斯科学院都曾研制过极坐标激光直写光刻系统，但是都无法实现大面积的任意图形刻写。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于无掩膜光刻机极坐标下大范围任意图形刻写的方法，实现大数据的直角坐标向极坐标的数据转换，利用旋转式无掩膜光刻机在样品表面实现大面积任意图形的刻写。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于无掩膜光刻机极坐标下刻写大范围任意图形的方法，该方法包括以下步骤：
1)利用螺旋线法使刻写激光的光斑与旋转平台的圆心重合；
2)读取直角坐标下的图形刻写数据A[i0,j0]，i0和j0分别为数组A的行和列大小；
3)将直角坐标下的图形刻写数据转化为极坐标下的刻写数据，具体如下：
设为数据极坐标系下的坐标原点，则
半径弧度最大半径
将圆上分为θ0个点，并设θ0＝2πR0，则其中，i为数组的某一行，j为数组的某一列，A[i,j]表示数组A第i行第j列的数据值；
设极坐标下的刻写数据为B[R0,θ0],计算极坐标下数据B[R,θ]对应的直角坐标系下的数据值，公式如下：θ依次取值0到2πR0之间的整数，R依次取0到R0之间的整数，计算B[R,θ]的值；
将数据B[R,θ]依次存储起来，即得到极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]；
4)将极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]进行数据压缩，具体是：
以遍历极坐标系下的刻写数据方式，读取极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]，当该刻写数据由M个连续相等的数据值A、N个连续相等的数据值B、P个连续相等的数据值C。。。。。组成，则压缩后的刻写数据由数据值A、个数M、数据值B、个数N、数据值C、个数P，。。。构成；
5)将压缩后的刻写数据传入中心控制器进行解压缩，同时将当前旋转电机和直线电机的精确位置传送给中心控制器，中心控制器将电机的当前位置和在当前位置需要刻写的数据进行实时的匹配；
6)中心控制器发送当前位置的数据值给激光器，控制激光器发出相应的脉冲对当前位置进行刻写。
所述螺旋线法具体是指首先在样品上画一条螺旋线，把样品转过90°再画一条螺旋线，以此类推画四条，通过判断四条螺旋线的位置，当四条螺旋线相交于一点时即为重合。
步骤3)中θ先依次取0到之间的整数值，R依次取0到R0之间的整数，计算得到其坐标，其坐标位置的值即为B[R,θ]的值，以此得到第一象限的数据值；第二象限与第一象限对称，与对称的点为由可以直接得到的坐标位置，其坐标位置的值即为第二象限B[R,θ]的值，以此得到第二象限的数据值；第三象限与第一象限对称，与
对称的点为由 可以直接得到的坐标位置，其坐标位置的值即为第三象限B[R,θ]的值，以此得到第三象限的数据值；第四象限与第一象限对称，与对称的点为由
可以直接得到的坐标位置，其坐标位置的值即为第四象限B[R,θ]的值，以此得到第四象限的数据值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)在极坐标无掩膜光刻机系统中，通过将激光与旋转台中心进行对准，设定算法实现大数据的直角坐标向极坐标转换，将运动平台当前位置与刻写数据进行高精度的匹配，实现了大范围任意图形的刻写。
2)在极坐标下实现了大范围任意图形的刻写，刻写速度为传统X-Y光刻机的10～100倍。任意图形刻写最小线宽可以达到700nm。
附图说明
图1是本发明所使用的装置示意图
图2是本发明直角坐标向极坐标转换示意图
图3是本发明转换后的极坐标数据示意图
图4是本发明数据压缩示意图
图5是本发明在极坐标下大面积刻写的样品实物图
图6是实验样品在光学显微镜下的大面积任意图形刻写的图像。
图中：1-光路部分2-反射镜，3-刻写光束(405nm)，4-旋转平台，5-光栅尺，6-旋转电机，7-直线运动平台，8-中心控制器，9-电脑，10-压缩前数据，11-压缩后数据。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明利用无掩膜光刻机(如图1所示)，实现极坐标下大范围任意图形的刻写，具体步骤包括：
1)用磁控溅射的方法在玻璃基底上镀上一层硫化物薄膜作为样品；
2)利用螺旋线法将刻写激光3与旋转平台中心4高度对准，对准步骤包括：首先在样品上画一条螺旋线，把样品转过90°再画一条螺旋线，以此类推画四条，通过判断四条螺旋线的位置来实现对准；
3)在电脑上读取直角坐标下的图形刻写数据A[i0,j0]；
4)将直角坐标下的图形刻写数据转化为极坐标下的刻写数据：
设置为数据极坐标系下的坐标原点，则可以计算半径为 最大半径为将圆上分为θ0个点，并设θ0＝2πR0。反过来得到：设极坐标下的刻写数据为B[R0,θ0],则根据这个公式可以求出极坐标下B[R,θ]的数据值，值为对应的直角坐标系下的值。如图2所示，由于四个象限具有对称性，因此只需要求解出第一象限A1的坐标，则第二象限A2，第三象限A3，第四象限A4的坐标可以根据简单的正负变化即可得到。然后将计算得到的同一半径上四个象限的坐标对应的数据值依次存储起来，即可得到极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]。如图3所示，为转化后的极坐标下的刻写数据。
5)将转化好的极坐标刻写数据进行数据压缩，以减少传递的数据量。压缩方法为遍历极坐标系下的刻写数据，如图4所示，10为压缩前的刻写数据，有M个连续相等的数据值A，有N个连续相等的数据值B，有P个连续相等的数据值C；将M个连续相等的数据值A压缩为数据值A和个数M，将N个连续相等的数据值B压缩为数据值B和个数N，将P个连续相等的数据值C压缩为数据值C和个数P，11为压缩后的刻写数据。由于刻写数据中大量的相邻数据值相等，因此压缩后会大大减少数据量。
6)将压缩好的数据传入中心控制器进行解压缩，同时将当前旋转电机和直线电机的精确位置传送给中心控制器，中心控制器将电机的当前位置和在当前位置需要刻写的数据进行实时的匹配。
7)中心控制器发送当前位置的数据值给激光器，控制激光器发出相应的脉冲对当前位置进行刻写。
图5为在极坐标下大面积刻写的样品实物图，可以从图中看到，利用极坐标无掩膜光刻机，通过将刻写数据从直角坐标转化到极坐标，刻写出了大范围的刻写，并且在旋转平台的极坐标下刻写出了矩形区域。图6为在光学显微镜下刻写样品的图像，可以看到实现了任意图形的刻写，并且刻写效果很好，没有任何变形。在光学显微镜下看刻写样品的图像，刻写的最小线宽可以达到700nm。
Claims (1)
1.一种基于无掩膜光刻机极坐标下刻写大范围任意图形的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)利用螺旋线法使刻写激光的光斑与旋转平台的圆心重合；
2)读取直角坐标下的图形刻写数据A[i0,j0]，i0和j0分别为数组A的行和列大小；
3)将直角坐标下的图形刻写数据转化为极坐标下的刻写数据，具体如下：
设为数据极坐标系下的坐标原点，则
半径弧度最大半径
将圆上分为θ0个点，并设θ0＝2πR0，则其中，i为数组的某一行，j为数组的某一列，A[i,j]表示数组A第i行第j列的数据值；
设极坐标下的刻写数据为B[R0,θ0],计算极坐标下数据B[R,θ]对应的直角坐标系下的数据值，公式如下：θ依次取值0到2πR0之间的整数，R依次取0到R0之间的整数，计算B[R,θ]的值；
将数据B[R,θ]依次存储起来，即得到极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]；
4)将极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]进行数据压缩，具体是：
以遍历极坐标系下的刻写数据方式，读取极坐标下的刻写数据B[R0,θ0]，当该刻写数据由M个连续相等的数据值A、N个连续相等的数据值B、P个连续相等的数据值C…… 组成，则压缩后的刻写数据由数据值A、个数M、数据值B、个数N、数据值C、个数P，…… 构成；
5)将压缩后的刻写数据传入中心控制器进行解压缩，同时将当前旋转电机和直线电机的精确位置传送给中心控制器，中心控制器将电机的当前位置和在当前位置需要刻写的数据进行实时的匹配；
6)中心控制器发送当前位置的数据值给激光器，控制激光器发出相应的脉冲对当前位置进行刻写；
所述螺旋线法具体是指首先在样品上画一条螺旋线，把样品转过90°再画一条螺旋线，以此类推画四条，通过判断四条螺旋线的位置，当四条螺旋线相交于一点时即为重合；
步骤3)中θ先依次取0到之间的整数值，R依次取0到R0之间的整数，计算得到其坐标，其坐标位置的值即为B[R,θ]的值，以此得到第一象限的数据值；第二象限与第一象限对称，与对称的点为由可以直接得到的坐标位置，其坐标位置的值即为第二象限B[R,θ]的值，以此得到第二象限的数据值；第三象限与第一象限对称，与 对称的点为由 可以直接得到的坐标位置，其坐标位置的值即为第三象限B[R,θ]的值，以此得到第三象限的数据值；第四象限与第一象限对称，与对称的点为由可以直接得到的坐标位置，其坐标位置的值即为第四象限B[R,θ]的值，以此得到第四象限的数据值。
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