CN1073719C - 用于制作圆光栅码盘的逐点光刻划方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种制作圆光栅码盘的逐点光刻划方法及其系统，该系统包括：使待刻划码盘匀速旋转的回转台装置；产生与待刻划码盘角位置锁定且与待刻划码盘所需的编码图形相应的编码信号的编码信号产生装置；受所述编码信号控制、在码盘的待刻划区域中形成直径为微米级或亚微米级光斑的刻划光斑产生装置；使所述刻划光斑与待刻划码盘产生相对位移的径向直线给装置。本发明具有刻划速度快、精度高及可刻划图案复杂的光栅码盘的优点。
Description
本发明涉及光栅制作技术，尤其涉及一种制作圆光栅码盘的逐点光刻划方法及其系统。
圆光栅码盘是精确测定角位移的传感元件。通常采用码盘形成的莫尔效应仅能测到角位移的相对变化量，若在码盘上增加一组零光栅，才可测定角位置的绝对值。但使用很不方便，尤其是在测量过程中如遇电子控制器电源被切断后重新启动，或受到外部干扰使电子控制器内部状态记忆触发器发生错误翻转，则只有在测量头通过零光栅参考点后，才能继续正确地进行绝对位置的测量。为了克服上述缺点，在现代仪器设备中使用了绝对编码的圆光栅码盘。绝对编码圆光栅上的栅线宽度是变化的。
目前，有二种刻划圆光栅码盘的系统。一种是金刚刀机刻系统，另一种是掩膜光刻系统。金刚刀机刻系统不适宜刻划栅线宽度变化的图案，尤其不适宜刻划在同一角度不同半径位置处栅线宽度变化的线条，而且因为在刻划过程中，金刚刀有停止状态，因而刻划速度慢；掩膜光刻系统对光栅宽度变化的适应能力虽然比金刚刀机刻系统要强，但也不适宜制作图案复杂的特殊编码的圆光栅码盘。
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能制作具有同一半径不同角度或同一角度不同半径处栅线宽度不相同的复杂编码的圆光栅码盘的逐点光刻划方法及其系统。
本发明的逐点光刻划方法包括：使待刻划码盘匀速旋转并产生角度位置脉冲信号；受所述角度位置脉冲信号控制产生与待刻划码盘角位置锁定且与该待刻划码盘要求的编码图形相应的编码信号；产生受所述编码信号控制的、直径为微米级或亚微米级的刻划光斑；使刻划光斑会聚于待刻划码盘的待刻划区域并使所述刻划光斑在所述待刻划码盘旋转过程中沿该码盘径向直线进给，从而形成平面螺旋线的刻划轨迹。
待刻划码盘每旋转一周，刻划光斑沿该码盘径向进结距离最好为刻划光斑直径的四分之一至四分之三。
本发明的光刻划系统包括：用于使待刻划码盘匀速旋转并产生角度位置脉冲信号的回转台装置；受所述回转台装置输出的角位置信号控制、用于产生与所述待刻划码盘角位置锁定且与待刻划码盘要求的编码图形相应的编码信号的编码信号产生装置；受所述编码信号控制、用于在所述码盘的待刻划区域形成直径为微米级或亚微米级光斑的刻划光斑产生装置；用于在回转台旋转过程中，使所述刻划光斑产生装置的刻划光斑和回转台装置在回转台径向作相对移动的径向直线进给装置。
本发明的逐点光刻划方法及其系统，由于是连续动态刻划，因而具有刻划速度快，刻划精度高的优点；尤其是，通过选择不同的编码信号可以在码盘上形成与之相应的编码图形，因而本发明完满地解决了现有技术在刻划栅线宽度变化、图案复杂的圆光栅码盘时所存在的困难。
本发明除可用于刻划圆光栅码盘，特别是刻划例如码盘格值为1(角)分的绝对编码圆光栅码盘外，还可能应用于制作特大象素的图案。
下面参照附图叙述本发明的实施例，通过叙述，本发明所具有的优点和效果将会更加清楚，但这种叙述不限定本发明的范围。
图1是本发明的逐点光刻划系统的框图；
图2是刻划光斑产生装置的构成示意图；
图3是调焦伺服环路的组成框图；
图4是回转台装置的构成示意图；
图5是径向直线进给装置组成示意图；
图6是编码信号产生装置的组成框图；
图7是说明栅线图案与编码信号之间关系的图；
图8是说明刻划途径的图。
参见图1，本发明的逐点光刻划系统包括：刻划光斑产生装置(1)，回转台装置(2)、径向直线进给装置(3)和编码信号产生装置(4)。刻划光斑产生装置(1)在置于回转台装置(2)上的待刻划码盘上形成直径为微米级或亚微米级的刻划光斑，但该刻划光斑输出与否受编码信号产生装置(4)产生的编码信号控制；回转台装置(2)使置于其上的待刻划码盘匀速旋转，且由径向直线进给装置(3)使之在旋转过程中与刻划光斑产生装置(1)在径向发生相对位移。当回转台旋转一圈时。刻划光斑就完成对待刻划码盘某一半径位置处的刻划，在径向直线进给装置(3)的作用下，刻划光斑沿着回转台半径方向匀速移动并使同一角度位置不同半径处的记录光点精密连接，从而形成码盘栅线图案；回转台装置(2)向编码信号发生装置(4)输出高精度角度位置电脉冲信号，以使编码装置(4)产生的编码信号与待刻划盘的角位置相关；编码信号产生装置(4)产生与待刻划码盘角位置锁定且与待刻划编码图形相应的编码信号，该编码信号用于控制刻划光斑产生装置(1)产生刻划光斑。
参见图2，图2是图1所示的刻划光斑产生装置(1)的构成示意图，激光器(5)发出的激光光束经光调制器(6)、光扩束器(7)后被物镜(8)会聚，形成直径为微米级或亚微米级的刻划光斑，该刻划光斑输出到置于回转台装置(2)的待刻划码盘，对其进行逐点刻划。由编码信号产生装置(4)产生的编码信号输入至光调制器(6)，用于控制刻划光斑输出与否。(10)是调焦伺服环路，物镜(8)安装在音圈电机(9)上，它们的作用将在下面结合图3叙述。
激光器(5)例如是λ为457.9nm的氩离子激光或λ为441.6nm的氦镉激光，其输出功率一般在几十毫瓦至几瓦范围内，激光的波长与输出功率根据待刻划码盘上的光记录材料的响应光谱来选定，该激光器是连续激光器。光调制器(6)可以是电光调制器也可以是声光调制器，它在编码信号控制下，使激光通过或阻止激光束通过。光扩束器(7)是为了使激光束充满物镜(8)的通光口径以提高光斑质量。
参见图3，图3是调焦伺服环路(10)的组成框图。由于会聚激光束的物镜(8)的焦深小于5μm，而在回转台旋转过程中，待刻划码盘的轴向跳动量一般远大于焦深范围，故需要对物镜(8)进行自动调焦。物镜(8)的失焦量即调焦误差信号通常可采用激光视盘放送机或CD唱机中所使用的光学方法检测。检测出的调焦误差信号由图3所示的调焦伺服环路(10)处理后，驱动音圈电机(9)，使刻划过程中刻划光斑始终会聚在待刻划码盘的光记录层表面。
物镜(8)的失焦信号输入到前置放大器(11)，再经比例积分微分(PID)校正器(12)和功率放大器(13)，以驱动与聚焦物镜(8)一体设置的音圈电机(9)，由音圈电机(9)带动聚焦物镜(8)跟随待刻划码盘表面上下运动，进行闭环控制，从而实现自动调焦的目的。比例积分微分校正器(12)主要是根据音圈电机(9)的频率特性，用适当的网络参数进行校正。它使闭环系统在开环增益较高的情况下能稳定地工作。
图4是回转台装置(2)的构成示意图。参见图4，待刻划码盘(14)安置在回转台(16)上。码盘(14)表面涂复一层光记录材料层(17)，它可以是感光材料如光刻胶等，也可以是其它记录材料如金属薄膜。前者被刻划光斑曝光后，还需经显影、定影处理后才能显现出图案；后者在刻划光斑作用下或者被烧蚀，或者发生相变等，可直接形成码盘图案。
在回转合(16)上安装一付高精度的标准光栅码盘(15)，其栅线误差例如为1(角)秒。标准光栅码盘(15)和多光学头读出处理器(29)组成光栅发讯单元(30)。光栅发讯单元(30)、鉴相电路(18)、功率放大单元(19)、回转电机(21)和晶体谐振器(20)构成稳速控制环路。二块高精度的标准光栅码盘(15)，其中一块是动光栅，跟随主轴转动，在转动时与另一块定光栅发生相对位移，产生角位移基准信号，该角位移基准信号由多光学头读出处理器(29)读出，读出处理器(29)的设置是为了提高角位移基准信号的精度，由读出处理器(29)输出的角度位置电脉冲信号送到鉴相电路(18)中与来自晶体谐振器(20)的高精度标准频率脉冲进行相位比较，所得的相位误差信号经低通滤波后在功率放大单元(19)中进行功率放大，然后驱动回转电机(21)，形成锁相环(PLL)闭环控制。由于回转电机(21)、高精度标准光栅码盘(15)和待刻划码盘(14)是安装在同一精密主轴上，故只要锁相环环路锁定，就可以获得与晶体谐振器同精度的角度位置电脉冲信号，使得角空间均匀分布的光栅发讯单元(30)发出的光栅电脉冲信号在时问上也是均匀分布的；因而，当锁相环环路锁定时，待刻划码盘的瞬时转速是稳定的，其速度值由晶体谐振器(20)确定，光栅发讯单元(30)在回转台每旋转一圈时，还给出一个零位脉冲信号，随同上述高精度角度位置电脉冲信号一起输到编码信号发生装置(4)中。回转台的旋转速度的设计应考虑到光记录介质的响应时间。例如选取60转/分～600转/分。
图5是径向直线进给装置组成示意图。参见图5，直线进给装置(3)是高精度一维进给工作台，它由工作台(26)、螺母(22)、丝杆(23)、蜗轮蜗杆(24)和驱动电机(25)组成。当丝杆(23)和蜗轮蜗杆(24)的参数选定之后，工作台的直线进给量就取决于回转电机(21)与驱动电机(25)的转速比。驱动电机(25)可以采用力矩电机、步进电机或同步电机等，驱动电机(25)以某一速度旋转，经减速机构蜗轮蜗杆(24)带动丝杆(23)转动，丝杆带动螺母(22)推动进给工作台(26)。螺母(22)、丝杆(23)、蜗轮蜗杆(24)可用熟知的其它减速机构来代替。如下所述，进给工作台(26)移动将使刻划光斑沿回转台(16)半径方向移动，这种径向直线进给与回转台(16)的旋转平面的运转相结合，使刻划光斑在待刻划码盘上形成平面螺旋线轨迹。如前所述，在回转台(16)旋转过程中，刻划光斑需沿回转台(16)半径方向匀速移动。这可有二种实施方法：其一，固定刻划光斑产生装置(1)，由直线进给工作台(26)驱动回转台装置(2)作匀速移动。其二，固定回转台装置(2)，而在工作台(26)上安装刻划光斑产生装置的部分光学部件。通常都采用后者，这是由于后一方式负荷较轻的缘故。
在回转台(16)旋转过程中，径向直线进给装置(3)使刻划光斑与刻划码盘(14)沿回转台(16)半径方向发生相对匀速移动。其进给量的选定要考虑到最终形成的码盘栅线图案的质量和刻划码盘所需的时间，回转台(16)每旋转一圈，刻划光斑沿半径方向最好移动约为1/4～3/4光斑直径的距离，这样就可以获得较好的栅线图案。
图6是编码信号产生装置的组成框图。参见图6，由回转台装置(2)输出的高精度角位置电脉冲信号输入到数字频率合成电路(27)，该电路产生满足待刻划码盘(14)特定图案要求的时钟信号，其频率符合编码要求的时间分辨率(即对应图案精度)，其相位与高精度标准光栅角位移基准信号严格相关。数字频率合成电路(27)输出的时钟信号被输到节拍编码电路(28)。节拍编码电路(28)通常可由微机、单板机或单片机实现，主要是根据待刻划图案的复杂程度而定。
将数字化了的待刻划图案信息预先存入节拍编码电路(28)的计算机内，刻划时，计算机根据回转台装置(2)输出的高精度角位置电脉冲信号以及零位脉冲信号，计算出当前刻划光斑点的位置，即该点的半径和角度值。然后输出存贮的图案信息中对应该点的信号，控制光调制器(6)，即控制刻划光斑输出与否。对于刻划二进制编码光栅码盘，通常使用格雷(Gray)码。节拍编码电路(28)也可以用通用逻辑电路设计完成。这种节拍编码电路的构成是本领域技术人员所熟知的。由于编码信号产生装置(4)输出的编码信号是与高精度标准光栅(15)的角位移基准信号严格相关，因而编码信号的产生(即对刻划光斑的控制)与待刻划码盘(14)预定刻划该图案的角位置精确对应；又由于该编码信号相应于待刻划栅线图案，因而该编码信号可以控制光斑在待刻划码盘(14)的预定位置上产生预期的精确的栅线图案。
图7是说明待刻划栅线图案与编码信号关系的图。参见图7，码盘上需要的栅线图案例如如图7A所示，其中，纵轴是径向距离r，横轴是角位置θ，则在刻划光斑移动到r1～r2、r2～r3、r3-r4、及r4～r5之间时的编码信号分别如图7B～图7E所示。图7B～图7E的纵轴是编码信号电压幅值，横轴是时间轴。
图8是说明刻划途径的图。参见图8A。S为回转台旋转方向，这里假定是逆时针方向旋转。D是进给方向。因此刻划光班由外向圆心方向匀速移动，刻划轨迹是如图示的螺旋线。图中P0为刻划起始点，Pt为正在刻划的点。图8B是图8A的局部W的放大图。r为直径方向，虚线为刻划轨迹，n,n+1,n+2,…为相继的轨迹编号。图中k1为n+2轨迹上形成的栅线线条；k2为编号为n+6至n+14区域中形成的长度为5个光班大小的栅线线条。这些栅线线条构成了光栅码盘图案的一部分。
以上对本发明的实施例作了详细叙述，显然，本领域的技术人员可以根据本发明的构思作出种种变换，但这些变换仍应认为落
在本发明的权利要求所限定的范围之中。
Claims (5)
1．一种用于制作圆光栅码盘的逐点光刻划方法，其特征在于包括下述步骤：
使待刻划码盘匀速旋转并产生角度位置脉冲信号；
受所述角度位置脉冲信号控制，产生与待刻划码盘角位置锁定且与该待刻划码盘要求的编码图形相应的编码信号；
产生受所述编码信号控制的、直径为微米级或亚微米级的刻划光斑；
使刻划光斑会聚于待刻划码盘的待刻划区域并使所述刻划光斑在所述待刻划码盘旋转过程中沿该码盘径向直线进给，从而形成平面螺旋线的刻划轨迹。
2．如权利要求1所述的逐点光刻划方法，其特征在于，所述待刻划码盘每旋转一周，所述刻划光斑沿该码盘径向进给距离为刻划光斑直径的四分之一至四分之三。
3．一种用于制作圆光栅码盘的逐点光刻划系统，其特征在于包括：用于使待刻划码盘匀速旋转并产生角度位置脉冲信号的回转台装置(2)；受所述回转台装置(2)输出的角位置信号控制、用于产生与所述待刻划码盘角位置锁定且与待刻划码盘要求的编码图形相应的编码信号的编码信号产生装置(4)；受所述编码信号控制、用于在所述码盘的待刻划区域形成直径为微米级或亚微米级光斑的刻划光斑产生装置(1)；用于在回转台旋转过程中，使所述刻划光斑产生装置(1)的刻划光斑和回转台装置(2)在回转台径向作相对移动的径向直线进给装置(3)。
4．如权利要求3所述的光刻划系统，其特征在于所述的回转台装置(2)包括：待刻划码盘设置在其上的回转台(16)和对该回转台进行旋转控制的稳速控制环路，所述稳速控制环路包含：由安装在所述回转台主轴上的一对标准光栅码盘(15)和对所述一对标准光栅码盘间的角位移进行读出处理并产生角位移基准信号的多光学头读出处理器(29)组成的光栅发讯单元(30)、晶体谐振器(20)、接收所述晶体谐振器与光栅发讯单元的输出信号并产生两者相位误差信号的鉴相电路(18)、接收所述鉴相电路的相位误差信号的功率放大电路(19)、与所述回转台共轴且受所述功率放大电路(19)的输出信号驱动，使回转台旋转的回转电机(21)；所述编码信号产生装置(4)包括：接收所述回转台装置输出的角位置脉冲信号并产生与待刻划码盘的特定图案相关的时钟信号的数字频率合成电路(27)、接收所述数字频率合成电路输出的时钟信号并产生与内存的待刻划图案信息相关的编码信号的节拍编码电路(28)；所述刻划光斑产生装置(1)包括：发生激光束的激光器(5)、受所述编码信号产生装置的编码信号控制，对所述激光束通过进行控制的光调制器(6)、对通过所述光调制器的激光进行扩束的光扩束器(7)、把经光扩束器的激光会聚在待刻划码盘上的聚焦物镜(8)、使所述物镜自动调焦的调焦伺服环路(10)；所述径向直线进给装置(3)包括：一维进给工作台(26)、驱动电机(25)和使所述驱动电机旋转减速并直线驱动所述工作台的减速机构。
5．如权利要求3或4所述的光刻划系统，其特征在于，所述回转台装置每旋转一周，径向直线进给装置使刻划光斑在回转台径向移动约为四分之一至四分之三光斑直径的距离。
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