CN107908077A - 基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统及方法，系统包括：执行机构包括：旋转运动机构和直线进给机构；旋转运动机构设置在直线进给机构上，旋转运动机构上设有能安装辊压模具毛坯的刚性柱面基底的承接单元；控制系统与执行机构通信连接，能控制执行机构运动；光学系统包括：计算机、DMD数字掩膜、照明子系统、调焦子系统和投影成像子系统；其中，计算机分别与DMD数字掩膜和调焦子系统通信连接，DMD数字掩膜、调焦子系统和投影成像子系统依次设在照明子系统的光路上，投影成像子系统的曝光输出端对应照射于执行机构的刚性柱面基底上所需曝光区域上。经过后续电铸处理能实现辊压模具上微结构的低成本制造。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种基于数字微镜器件DMD无掩膜光刻的旋转式曝光系统及方法。
背景技术
光刻技术是近年的研究热点，是半导体加工领域的核心技术之一。随着掩膜尺寸的缩小，如何降低光学掩膜制作和加工成本一直困扰着研究人员，无掩膜光刻技术开始进入人们视野。
无掩膜光刻技术如电子束直写、激光直写等精度高但设备昂贵，基于数字微镜器件(DMD)的无掩膜光刻技术受到微纳加工及相关领域的普遍关注。DMD具有灵活、并行和高速等优点，它替代传统的光学掩膜，降低了传统掩膜在制作和加工方面的困难和成本，简化了传统光刻技术的繁琐工艺流程，提高了光刻系统的加工效率。
现有基于DMD无掩膜光刻技术一次加工面积有限。采用辊压的方法虽然可以实现大面积连续压印，但是作为辊压过程中核心部件的辊压模具，往往采用超精密机床直接加工，工艺复杂且成本昂贵。因此，发明人发现如何低成本制造出符合要求的辊压模具是需要解决的问题。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统及方法，能以较低的成本，实现辊压模具的低成本制造。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式通过一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，包括：
执行机构、控制系统和光学系统；其中，
所述执行机构包括：旋转运动机构和直线进给机构；所述旋转运动机构设置在所述直线进给机构上，所述旋转运动机构上设有能安装辊压模具毛坯及刚性柱面基底的承接单元，所述执行机构能带动所安装的辊压模具进行旋转分运动和直线进给分运动；
所述控制系统与所述执行机构通信连接，能控制所述执行机构带动所安装的辊压模具进行旋转分运动和直线进给分运动；
所述光学系统包括：计算机、DMD数字掩膜、照明子系统、调焦子系统和投影成像子系统；其中，所述计算机分别与所述DMD数字掩膜和调焦子系统通信连接，所述DMD数字掩膜、调焦子系统和投影成像子系统依次设在所述照明子系统的光路上，所述投影成像子系统的曝光输出端对应照射于所述执行机构的刚性柱面基底所需曝光区域上。
本发明实施方式还提供一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光方法，用于在辊压模具毛坯的刚性柱面基底上加工棱条微结构，采用本发明的旋转式曝光系统，包括以下步骤：
先在所述系统的执行机构的刚性柱面基底上涂覆一层光刻胶，进行烘干操作后在刚性柱面基底表面形成一层干膜，完成辊压模具毛坯制作；
前准备阶段：将所述辊压模具毛坯安装在所述执行机构的旋转运动机构上，将所述系统的光学系统的DMD数字掩膜设为一帧图形，图形只允许正中间有一条狭缝透过UV紫外光；
驱动所述执行机构的直线进给机构使得刚性柱面基底边缘运动到狭缝正下方，刚性柱面基底运动方向应与狭缝方向保持平行，完成辊压模具加工前准备工作；
加工阶段：所述执行机构的直线进给机构带动刚性柱面基底按照所述控制系统程序设定的速度V缓慢前进，同时，UV紫外光透过狭缝均匀照射在刚性柱面基底的棱线L1上，在经过一个行程后，棱线L1上所有区域均被曝光，此时，所述执行机构的旋转运动机构按照所述控制系统程序设定转动相应的角度，同时，直线进给机构按照程序设定反转，带动刚性柱面基底做速度相同的回程运动，开始棱线L2的加工；
按照上述流程循环至棱线Ln，则在刚性柱面基底的上均匀曝光n条棱线区域，经过显影、后烘处理，在刚性柱面基底表面会出现均匀分布的棱条微结构，即完成辊压模具上微结构的制作。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其有益效果为：
该旋转式曝光装置能以较低的成本，通过精确控制刚性柱面基底做分运动为旋转和平移的组合运动，配合输入DMD掩膜图形的同步变换，在柱面上加工出一系列微结构(不同的分运动参数组合得到的微结构型面也不相同)，经过后续显影，后烘，电铸工艺处理，从而实现辊压模具上微结构的低成本制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的旋转式曝光系统整体示意图；
图2为本发明实施例提供的旋转式曝光原理示意图；
图3为本发明实施例提供的旋转式曝光系统在刚性柱面基底上加工棱条微结构的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的旋转式曝光系统的光学系统中为4f双远心结构投影成像系统原理示意图；
图5为本发明实施例提供的旋转式曝光系统上位机控制界面示意图；
图中：1.刚性柱面基底；2.辊压模具毛坯；3.高精度双轴承；4.轴承座；5.轴承座安装板；6.精密升降台；7.联轴器；8.基座安装板；9.电机支架；10.高精度重载电控位移台；11.伺服电机；12.电机驱动器；13.电机控制模块；14.投影物镜；15.通讯模块；16.反射镜；17.电脑；18.CCD；19.分光棱镜；20.消色差双胶合透镜；21.DMD数字掩膜；22.准直调节器；23.光导管；24.光源。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，包括：
执行机构、控制系统和光学系统；其中，
所述执行机构包括：旋转运动机构和直线进给机构；所述旋转运动机构设置在所述直线进给机构上，所述旋转运动机构上设有能安装辊压模具毛坯的刚性柱面基底的承接单元，所述执行机构能带动所安装的辊压模具进行旋转分运动和直线进给分运动；
所述控制系统与所述执行机构通信连接，能控制所述执行机构带动所安装的辊压模具进行旋转分运动和直线进给分运动；
所述光学系统包括：计算机、DMD数字掩膜、照明子系统、调焦子系统和投影成像子系统；其中，所述计算机分别与所述DMD数字掩膜和调焦子系统通信连接，所述DMD数字掩膜、调焦子系统和投影成像子系统依次设在所述照明子系统的光路上，所述投影成像子系统的曝光输出端对应照射于所述执行机构的刚性柱面基底所需曝光区域上。
上述旋转式曝光系统中，执行机构具体包括：所述旋转运动机构、微调机构、所述直线进给机构、基座安装板和平台；其中，
所述旋转运动机构和微调机构通过所述基座安装板连接在所述直线进给机构上；
所述直线进给机构安装在所述平台上；
所述旋转运动机构包括：伺服电机，设在电机支架上，设在所述微调机构上的轴承座，设在所述伺服电机和所述轴承座之间的联轴器，所述轴承座里设置轴承，所述轴承上设置安装辊压模具毛坯的所述刚性柱面基底。
上述旋转式曝光系统中，微调机构采用精密升降台，设在所述基座安装板上；
所述直线进给机构采用高精度重载电控位移台，设在所述平台上。
上述执行机构中，
所述刚性柱面基底为黄铜材质制成的刚性柱面基底；
所述联轴器为具有偏心补偿的一体成型的金属弹性联轴器；
所述轴承为高精度双轴承；
所述轴承座设在轴承座安装板上，所述轴承座安装板设在所述高精度重载电控位移台与轴承座之间；
所述辊压模具毛坯安装在所述轴承座中跟所述轴承呈过渡配合。
上述旋转式曝光系统中，控制系统包括：
上位机模块、下位机模块和通讯模块；其中，
所述上位机模块与下位机模块通信连接；
所述下位机模块经所述通讯模块与所述执行机构的旋转运动机构和直线进给机构电气连接。
上述旋转式曝光系统中，上位机模块包括：运行于电脑端的设有用户界面的控制软件(参见图5)；
所述下位机模块包括：电机控制模块和电机驱动器；
所述通讯模块包括：USART串口通讯协议。
上述旋转式曝光系统中，光学系统的照明子系统包括：
光源、光导管和准直调节器；其中，
所述光源的光输出端经光导管与准直调节器连接，所述准直调节器的输出端朝向所述DMD数字掩膜；
所述光学系统的投影成像子系统包括：
消色差双胶合透镜、反射镜和投影物镜；其中，
所述消色差双胶合透镜与投影物镜之间设置反射镜组成4f双远心光路(参见图4)，所述消色差双胶合透镜的光路经反射镜反射90度后传输至投影物镜；
所述光学系统的投影调焦子系统包括：
分光棱镜和CCD；其中，
所述分光棱镜设在所述投影成像子系统的消色差双胶合透镜与反射镜之间；所述CCD设在所述分光棱镜的光输出通路上。
本发明实施例还提供一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光方法，用于在辊压模具毛坯的刚性柱面基底上加工棱条微结构，采用本发明的旋转式曝光系统，包括以下步骤：
先在所述系统的执行机构的刚性柱面基底上涂覆一层光刻胶，进行烘干操作后在刚性柱面基底表面形成一层干膜，完成辊压模具毛坯制作；
前准备阶段：将所述辊压模具毛坯安装在所述执行机构的旋转运动机构上，将所述系统的光学系统的DMD数字掩膜设为一帧图形，图形只允许正中间有一条狭缝透过UV紫外光；
驱动所述执行机构的直线进给机构使得刚性柱面基底边缘运动到狭缝正下方，刚性柱面基底运动方向应与狭缝方向保持平行，完成辊压模具加工前准备工作；
加工阶段：所述执行机构的直线进给机构带动刚性柱面基底按照所述控制系统程序设定的速度V缓慢前进，同时，UV紫外光透过狭缝均匀照射在刚性柱面基底的棱线L1上，在经过一个行程后，棱线L1上所有区域均被曝光，此时，所述执行机构的旋转运动机构按照所述控制系统程序设定转动相应的角度，同时，直线进给机构按照程序设定反转，带动刚性柱面基底做速度相同的回程运动，开始棱线L2的加工；
按照上述流程循环至棱线Ln，则在刚性柱面基底上均匀曝光n条棱线区域，经过显影，后烘处理，在刚性柱面基底表面会出现均匀分布的棱条微结构，即完成辊压模具上微结构的制作。
上述旋转式曝光装置，能以较低的成本，通过精确控制刚性柱面基底做分运动为旋转和平移的组合运动，配合输入DMD掩膜图形的同步变换，在柱面上加工出一系列微结构(不同的分运动参数组合得到的微结构型面也不相同)，经过后续显影，电铸工艺，从而实现辊压模具上微结构的低成本制造。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于无掩膜光刻技术的旋转式曝光系统，包括：
执行机构、控制系统和光学系统；其中，
执行机构包括：旋转运动机构、微调机构、直线进给机构和平台；其中，旋转运动机构和微调机构通过基座安装板8连接在直线进给机构上，直线进给机构安装在平台上；旋转运动机构包括：设置在电机支架上的伺服电机11，设置在微调机构上的轴承座4，设置在伺服电机11和轴承座4之间的联轴器7，设置在轴承座7里的辊压模具毛坯2；微调机构包括：设置在基座安装板8上的精密升降台6；直线进给机构包括：设置在平台上的高精度重载电控位移台10。
控制系统包括：上位机模块，下位机模块和通讯模块；其中，上位机模块包括：设置在电脑17端的用户界面；下位机模块包括：电机控制模块13，电机驱动器12；通讯模块包括：USART串口通讯协议15。
光学系统包括：计算机17、DMD数字掩膜21、照明子系统、调焦子系统和投影成像子系统；计算机17分别与DMD数字掩膜21和调焦子系统通信连接，DMD数字掩膜21、调焦子系统和投影成像子系统依次设在照明子系统的光通路上，投影成像子系统的曝光输出端对应照射于执行机构的刚性柱面基底1所需曝光区域上。
上述旋转式曝光系统的执行机构中，包括：
旋转和平动两个分运动，分别由旋转运动机构和直线进给机构来实现。旋转运动机构通过基座安装板8安装在直线进给机构上。其中，旋转运动机构动力由伺服电机11提供，通过联轴器7带动辊压模具毛坯2做旋转运动。
伺服电机11内部设有编码器，能对辊压模具毛坯2的旋转运动进行反馈控制编码，精度为编码器1000线，即1个脉冲Plus对应的旋转角度是0.09度。例如，转动90度，控制系统需要捕获1000个脉冲。
刚性柱面基底1材质为黄铜，为光学系统照射的曝光部位。
联轴器7为一体成型的金属弹性联轴器，具有偏心补偿功能。
轴承3为高精度双轴承，转动平稳，旋转精度较高。
轴承座安装板5设在精密升降台6跟轴承座4之间，辊压模具毛坯2安装在轴承座4中跟高精度双轴承3呈过渡配合。
直线进给机构包括：高精度重载电控位移台10，是整个执行机构的承接单元，为执行机构提供直线运动的动力和精度。
上述旋转式曝光系统的控制系统中，
用户只需在电脑17端上位机模块中的用户界面上进行简单直观的参数设置，便可控制执行机构的运动。
上位机模块包括：设置在电脑17端的用户界面，主要是在Visual Studio开发环境中通过C++编写，实现电脑17端向下位机模块发送“数据包”的功能。数据包中的参数通过“合并字符串”算法，将上位机模块中需要发送的6个功能参数字符串合并成1个字符串，通过通讯协议打包发送给下位机模块，6个功能字符串分别对应执行机构的6个运动参数。
通讯模块包括：USART串口通讯协议15，集成在STM32F103单片机中的功能串口模块，可以实现上位机模块和下位机模块之间的通讯。
下位机模块包括：电机控制模块13和电机驱动器12；其中，电机控制模块13主要是基于STM32F103单片机，在Keil MDK开发环境中编写下位机运动控制代码，并烧写至单片机中。下位机模块接收来自上位机模块的“数据包”并进行解析，通过“分割字符串”算法，将接收到的字符串分割还原成6个功能字符串，分别对应执行机构的6个运动参数。通过电机驱动器12，控制执行机构的运动。
上述旋转式曝光系统的光学系统中，
照明子系统包括：光源24，其光输出端经光导管23与准直调节器22连接；
投影成像系统包括：消色差双胶合透镜20、反射镜16和投影物镜14，消色差双胶合透镜20与投影物镜14之间设置反射镜16组成4f双远心光路，消色差双胶合透镜20的光路经反射镜16反射90度后传输至投影物镜14；
调焦子系统包括：分光棱镜19和CCD18，分光棱镜19设在投影成像系统的消色差双胶合透镜20与反射镜16之间，CCD18设在分光棱镜19的光输出通路上；
照明子系统的光路经DMD数字掩膜21反射后经投影成像系统的消色差双胶合透镜20和调焦子系统、反射镜16和投影物镜14输出至执行机构的刚性柱面基底1所需曝光区域上。
参见图2、3所示，本发明实施例还提供一种旋转式曝光工艺流程，在刚性柱面基底上加工棱条微结构，采用上述的旋转式曝光系统，包括以下步骤：
先在刚性柱面基底上涂覆一层光刻胶(负胶)，进行烘干操作后在刚性柱面基底表面形成一层干膜，此时辊压模具毛坯制作完成；
将辊压模具毛坯安装在旋转运动机构上，通过联轴器与伺服电机进行动力连接，将旋转式曝光系统的光学系统的DMD数字掩膜设为一帧图形，图形只允许正中间有一条狭缝可以透过UV紫外光；
驱动直线进给机构使得刚性柱面基底边缘运动到狭缝正下方，刚性柱面基底运动方向应与狭缝方向保持平行，此时，辊压模具加工前准备工作完成；
加工阶段，直线进给机构带动刚性柱面基底按照程序设定的速度V缓慢前进，同时，UV紫外光透过狭缝均匀照射在刚性基底的棱线L1上，在经过一个行程后，棱线L1上所有区域均被曝光，此时，旋转运动机构按照程序设定转动相应的角度，与此同时，按照程序设定，直线进给机构电机反转，带动刚性柱面基底做速度相同的回程运动，开始棱线L2的加工；
按照这种工艺流程循环至棱线Ln，此时在刚性柱面基底上已经均匀曝光n条棱线区域，经过显影处理，在刚性柱面基底表面会出现均匀分布的棱条微结构(参见图3)。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，包括：
执行机构、控制系统和光学系统；其中，
所述执行机构包括：旋转运动机构和直线进给机构；所述旋转运动机构设置在所述直线进给机构上，所述旋转运动机构上设有能安装辊压模具毛坯的刚性柱面基底的承接单元，所述执行机构能带动所安装的辊压模具进行旋转分运动和直线进给分运动；
所述控制系统与所述执行机构通信连接，能控制所述执行机构带动所安装的辊压模具进行旋转分运动和直线进给分运动；
所述光学系统包括：计算机、DMD数字掩膜、照明子系统、调焦子系统和投影成像子系统；其中，所述计算机分别与所述DMD数字掩膜和调焦子系统通信连接，所述DMD数字掩膜、调焦子系统和投影成像子系统依次设在所述照明子系统的光路上，所述投影成像子系统的曝光输出端对应照射于所述执行机构的刚性柱面基底所需曝光区域上。
2.根据权利要求1所述的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，所述执行机构具体包括：所述转运动机构、微调机构、所述直线进给机构、基座安装板和平台；其中，
所述旋转运动机构和微调机构通过所述基座安装板连接在所述直线进给机构上；
所述直线进给机构安装在所述平台上；
所述旋转运动机构包括：伺服电机，设在电机支架上，设在所述微调机构上的轴承座，设在所述伺服电机和所述轴承座之间的联轴器，所述轴承座里设置轴承，所述轴承上安装所述辊压模具毛坯。
3.根据权利要求2所述的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，所述微调机构采用精密升降台，设在所述基座安装板上；
所述直线进给机构采用高精度重载电控位移台，设在所述平台上。
4.根据权利要求2至3任一项所述的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，所述执行机构中，
所述刚性柱面基底为黄铜材质制成的刚性柱面基底；
所述联轴器为具有偏心补偿的一体成型的金属弹性联轴器；
所述轴承为高精度双轴承；
所述轴承座设在轴承座安装板上，所述轴承座安装板设在所述高精度重载电控位移台与轴承座之间；
所述辊压模具毛坯安装在所述轴承座中跟所述轴承呈过渡配合。
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，所述控制系统包括：
上位机模块、下位机模块和通讯模块；其中，
所述上位机模块与下位机模块通信连接；
所述下位机模块经所述通讯模块与所述执行机构的旋转运动机构和直线进给机构电气连接。
6.根据权利要求4所述的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，所述上位机模块包括：运行于电脑端的设有用户界面的控制软件；
所述下位机模块包括：电机控制模块和电机驱动器；
所述通讯模块包括：USART串口通讯协议。
7.根据权利要求1至3任一项所述的基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光系统，其特征在于，所述光学系统的照明子系统包括：
光源、光导管和准直调节器；其中，
所述光源的光输出端经光导管与准直调节器22连接，所述准直调节器的出输出端朝向所述DMD数字掩膜；
所述光学系统的投影成像子系统包括：
消色差双胶合透镜、反射镜和投影物镜；其中，
所述消色差双胶合透镜与投影物镜之间设置反射镜组成4f双远心光路，所述消色差双胶合透镜的光路经反射镜反射90度后传输至投影物镜；
所述光学系统的调焦子系统包括：
分光棱镜和CCD；其中，
所述分光棱镜设在所述投影成像子系统的消色差双胶合透镜与反射镜之间；所述CCD设在所述分光棱镜的光输出通路上。
8.一种基于数字微镜器件无掩膜光刻的旋转式曝光方法，用于在刚性柱面基底的辊压模具毛坯上加工棱条微结构，其特征在于，采用上述权利要求1至6任一项的旋转式曝光系统，包括以下步骤：
先在所述系统的执行机构的刚性柱面基底上涂覆一层光刻胶，进行烘干操作后在刚性柱面基底表面形成一层干膜，完成辊压模具毛坯制作；
前准备阶段：将所述辊压模具毛坯安装在所述执行机构的旋转运动机构上，将所述系统的光学系统的DMD数字掩膜设为一帧图形，图形只允许正中间有一条狭缝透过UV紫外光；
驱动所述执行机构的直线进给机构使得刚性柱面基底边缘运动到狭缝正下方，刚性柱面基底运动方向应与狭缝方向保持平行，完成辊压模具加工前准备工作；
加工阶段：所述执行机构的直线进给机构带动刚性柱面基底按照所述控制系统程序设定的速度V缓慢前进，同时，UV紫外光透过狭缝均匀照射在刚性柱面基底的棱线L1上，在经过一个行程后，棱线L1上所有区域均被曝光，此时，所述执行机构的旋转运动机构按照所述控制系统程序设定转动相应的角度，同时，直线进给机构按照程序设定反转，带动刚性柱面基底做速度相同的回程运动，开始棱线L2的加工；
按照上述流程循环至棱线Ln，则在刚性柱面基底上均匀曝光n条棱线区域，经过显影处理，在刚性柱面基底表面会出现均匀分布的棱条微结构，即完成辊压模具上微结构的制作。
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2017
- 2017-10-30 CN CN201711041925.0A patent/CN107908077A/zh active Pending
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