CN107145038B - 一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，通过将源图形文件进行一定角度顺时针或逆时针旋转，并沿周期性边界裁剪校正，进而输出多个已分割并编号的单帧刻写图形，用以整合扫描方向和步进方向刻写效果的差异，使得最终刻写出的大面积微纳结构在笛卡尔坐标系的X/Y方向均具有良好的均匀性，大幅度提高了光栅扫描步进式激光直写系统在多种材料上的刻写质量和成品率。通过本发明，使得利用激光直写系统进行器件制备、材料研究的成功率和精确性得到显著提升。

Description

一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法
技术领域
本发明涉及激光直写领域，更具体地，涉及一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法。
背景技术
激光直写是利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要求的浮雕轮廓。激光直写的基本工作原理是由计算机控制高精度的激光束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，从而把设计图形直接转移到掩膜上。
激光直写技术在半导体器件、光电子器件以及微电子机械器件的制造过程中有着重要的位置，主流的激光直写微纳加工方法有三种：电子束光刻、聚焦离子束光刻、激光束光刻。由于用于电子束光刻、聚焦离子束光刻的设备都比较昂贵，并且需要在严苛的真空环境下制造，且生产效率较低，不适合大面积批量化的器件制备。因此目前应用最为广泛的还是激光束直写光刻，且日益成为人们关注的重点。
大面积激光直写系统中普遍采用的技术方案是利用振镜或多面旋转棱镜带动光束进行光栅扫描步进式移动，实现单帧或小范围刻写，在此基础上借助直线电机实现大面积拼接。但由于高速扫描的“拖尾效应”、扫描轴与步进轴的速度差异以及帧与帧之间拼接等因素的影响，该方法往往很难在大范围刻写时保持良好的均匀性，故而降低了该方法制备器件、研究材料的成功率和精确性。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，解决了现有技术中由高速扫描的“拖尾效应”、扫描轴与步进轴的速度差异、以及帧间拼接等因素带来的扫描方向和步进方向的刻写效果的差异。
根据本发明的一个方面，提供一种图形刻写方法，包括：
S1、旋转源图形文件并分割成多个可用于单帧刻写的单帧图形文件；
S2、将所有的单帧图形文件导入到大面积超分辨激光直写系统中进行刻写并拼接。
作为优选的，所述步骤S1具体包括：将原图形文件逆时针或顺时针旋转，再进行边缘的剪裁和校正，并分割输出多个可用于单帧刻写的单帧图形文件。
作为优选的，所述步骤S1中，源图形文件旋转角度为-45°～45°。
作为优选的，所述步骤S1中，还包括对分割的单帧图像文件按照位置关系进行对应编号。
作为优选的，所述步骤S1中，进行边缘的剪裁和校正时，针对非周期结构，根据源图形文件的原始尺寸分割；针对周期结构，将图像进行比例缩放，再进行分割。
作为优选的，在步骤S2中，所述激光直写系统的激光脉冲为1～300mW，激光脉宽为10～20000ns。
作为优选的，所述步骤S2具体包括：以二维振镜或多面转镜为扫描模块，通过光栅扫描步进式刻写模式在刻写材料上刻写，并通过气浮式直线电机实现拼接。
作为优选的，所述刻写材料为光刻胶、金属薄膜或无极相变材料制成的，且以玻璃或硅为基底的单层或多层薄膜。
本发明提出一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，通过将源图形文件进行一定角度顺时针或逆时针旋转并沿周期性边界裁剪校正，进而输出多个已分割并编号的单帧刻写图形，用以整合扫描方向和步进方向刻写效果的差异，使得最终刻写出的大面积微纳结构在笛卡尔坐标系的X/Y方向均具有良好的均匀性，大幅度提高了光栅扫描步进式激光直写系统在多种材料上的刻写质量和成品率。
附图说明
图1为根据本发明的基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法流程图；
图2为根据本发明实施例的源图形文件及旋转后的图形文件示例示意图；
图3为根据本发明实施例的已分割并编号的多个单帧刻写图形文件示例示意图；
图4为根据本发明实施例1的现有技术和使用本发明方法刻写的均匀性对比示意图；
图5为根据本发明实施例2的现有技术和使用本发明方法刻写的均匀性对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1示出了本发明的一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，包括：
S1、将源图形文件旋转一定角度并分割成多个可用于单帧刻写的图形文件；
S2、将所有的已分割的单帧图形文件导入到激光直写系统中进行刻写并进行大面积拼接。
在步骤S1中，所述源图形文件为用于激光直写系统光栅扫描步进式刻写的源图形文件，经过一定角度顺时针或逆时针旋转，源图形文件旋转角度为-45°～45°，然后在进行边缘的裁剪和校正，输出多个已分割并编号的可用于单帧刻写的单帧图形文件，单帧图像文件按照位置关系进行对应编号。
在步骤S1中，进行边缘的剪裁和校正时，针对非周期结构，根据源图形文件的原始尺寸分割；针对周期结构，将图像进行比例缩放，使周期结构的边缘的像素相接尽可能少，然后再进行分割。
在步骤S2中，采用光栅扫描步进式激光直写系统进行刻写，激光功率在1～300mW之间，所用激光脉宽在10～20000ns之间；需要将分割后的单帧图形文件进行刻写拼接；具体的，以二维振镜或多面转镜为扫描模块，扫描频率在10～1000Hz之间，通过光栅扫描步进式刻写模式在刻写材料上刻写，步进速度在2～200μm/s，单帧扫描范围在0.01～0.25mm2之间；并通过气浮式直线电机实现拼接，其中，刻写材料为光刻胶、金属薄膜或无极相变材料制成的，且以玻璃或硅为基底的单层或多层薄膜，每层薄膜的厚度为10～500nm。
实施例1
如图2所示，本实施例中示出了一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，通过将用于激光直写系统光栅扫描步进式的源图形文件，经过一定角度的顺时针或逆时针旋转，然后再进行边缘的剪裁和校正，输出多个已分割并编号可用于单帧刻写的图形文件，再进行刻写拼接。
源图形文件可由CorelDraw/Photoshop/Matlab等软件生成，其格式为BMP、PNG或JPG格式，灰度或彩色图像，大小为M x N像素点；M称为行数，N称为列数，二者的取值均在200-200,000之间。在本实施例中，如图2所示，采用CorelDraw X4SP2软件绘制生成源图形文件，图形为大面积二维光栅，尺寸为20,000x 20,000像素，bmp格式，8bit灰度，线条宽度为1像素，线条周期为10像素。
在本实施例中，进一步的，将图形作一定角度顺时针旋转(45°)，并沿单元方框顶点方向分割为10x 10的单帧图形。单帧图形的尺寸为2000x 2000像素，bmp格式，8bit灰度，线条宽度为1像素，线条周期为10像素。
进一步的，如图3所示，单帧图形的编号为1-1,1-2,1-3……2-1,2-2,2-3……10-9,10-10。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括：
将未经处理的源图形文件导入LDW L100激光直写系统，使用光栅扫描步进式刻写模式，选定刻写参数，放入刻写样品1，开始刻写，得到刻写样品1(a)，如图4中所示；再将所有单帧图形导入激光直写系统，使用光栅扫描步进式刻写模式，选定刻写参数，放入样品，开始刻写，得到刻写样品1(b)，如图4中所示；图中a为未使用本发明的刻写均匀性，b为使用本发明实施例的方法后的刻写均匀性。使用的源刻写图片以及本发明实施例处理后的刻写图片，其相邻像素点间距为100nm。
本实施例中，在上述步骤中，所述激光直写系统的激光光源为405nm波长的光源；刻写样品1参数为峰值功率32mW，脉冲宽度2000ns，扫描频率500Hz；刻写样品1为玻璃基底上的20nm厚度Sn薄膜。
从图4刻写样品对比图发现，根据本发明实施例所提出的图形设计方法，可以解决由高速扫描的“拖尾效应”、扫描轴与步进轴的速度差异、以及帧间拼接等因素带来的扫描方向和步进方向的刻写效果的差异，从而提高激光直写系统光栅扫描步进式大面积刻写的整体均匀性。通过本发明，使得利用激光直写系统进行器件制备、材料研究的成功率和精确性得到显著提升。
实施例2
本实施例中示出了一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，通过将用于激光直写系统光栅扫描步进式的源图形文件，经过一定角度的顺时针或逆时针旋转，然后再进行边缘的剪裁和校正，输出多个已分割并编号可用于单帧刻写的图形文件，再进行刻写拼接。
源图形文件可由CorelDraw/Photoshop/Matlab等软件生成，其格式为BMP、PNG或JPG格式，灰度或彩色图像，大小为M x N像素点；M称为行数，N称为列数，二者的取值均在200-200,000之间。在本实施例中，如图2所示，采用CorelDraw X4SP2软件绘制生成源图形文件，图形为大面积二维光栅，尺寸为20,000x 20,000像素，bmp格式，8bit灰度，线条宽度为1像素，线条周期为10像素。
在本实施例中，进一步的，将图形作一定角度顺时针旋转，并沿单元方框顶点方向分割为10x 10的单帧图形。单帧图形的尺寸为2000x 2000像素，bmp格式，8bit灰度，线条宽度为1像素，线条周期为10像素。
进一步的，如图3所示，单帧图形的编号为1-1,1-2,1-3……2-1,2-2,2-3……10-9,10-10。
在本实施例中，所述步骤S2具体包括：
更换样品2，将未经处理的源图形文件导入LDW L100激光直写系统，使用光栅扫描步进式刻写模式，选定刻写参数，开始刻写，得到刻写样品2(a)；再将所有单帧图形导入激光直写系统，使用光栅扫描步进式刻写模式，选定刻写参数，放入样品，开始刻写，得到刻写样品2(b)；其对比效果如图5，图中a为未使用本发明实施例的方法的刻写均匀性，b为使用本发明实施例的方法后的刻写均匀性。
本实施例中，在上述步骤中，所述激光直写系统的激光光源为405nm波长的光源；刻写样品2参数为峰值功率26mW，脉冲宽度400ns，扫描频率500Hz；刻写样品2为玻璃基底上的100nm厚度Ge2Sb2Te5薄膜。
从图5刻写样品对比图发现，根据本发明实施例所提出的图形设计方法，可以解决由高速扫描的“拖尾效应”、扫描轴与步进轴的速度差异、以及帧间拼接等因素带来的扫描方向和步进方向的刻写效果的差异，从而提高激光直写系统光栅扫描步进式大面积刻写的整体均匀性。通过本发明，使得利用激光直写系统进行器件制备、材料研究的成功率和精确性得到显著提升。
综上所述，本发明提出一种基于大面积超分辨激光直写系统的图形刻写方法，通过将源图形文件进行一定角度顺时针或逆时针旋转并沿周期性边界裁剪校正，进而输出多个已分割并编号的单帧刻写图形，用以整合扫描方向和步进方向刻写效果的差异，使得最终刻写出的大面积微纳结构在笛卡尔坐标系的X/Y方向均具有良好的均匀性，大幅度提高了光栅扫描步进式激光直写系统在多种材料上的刻写质量和成品率。通过本发明，使得利用激光直写系统进行器件制备、材料研究的成功率和精确性得到显著提升。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种图形刻写方法，其特征在于，包括：
S1、旋转源图形文件并分割成多个可用于单帧刻写的单帧图形文件；
将原图形文件逆时针或顺时针旋转，再进行边缘的剪裁和校正，并分割输出多个可用于单帧刻写的单帧图形文件；
进行边缘的剪裁和校正时，针对非周期结构，根据源图形文件的原始尺寸分割；针对周期结构，将图像进行比例缩放，再进行分割；
S2、将所有的单帧图形文件导入到激光直写系统中进行刻写并拼接。
2.根据权利要求1所述的图形刻写方法，其特征在于，所述步骤S1中，源图形文件旋转角度为-45°～45°。
3.根据权利要求1所述的图形刻写方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括对分割的单帧图像文件按照位置关系进行对应编号。
4.根据权利要求1所述的图形刻写方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光直写系统的激光脉冲为1～300mW，激光脉宽为10～20000ns。
5.根据权利要求1所述的图形刻写方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：以二维振镜或多面转镜为扫描模块，通过光栅扫描步进式刻写模式在刻写材料上刻写，并通过气浮式直线电机实现拼接。
6.根据权利要求5所述的图形刻写方法，其特征在于，所述刻写材料为光刻胶、金属薄膜或无极相变材料制成的，且以玻璃或硅为基底的单层或多层薄膜。
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