CN118057242A - 激光直写方法、控制设备及激光直写系统 - Google Patents
激光直写方法、控制设备及激光直写系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118057242A CN118057242A CN202211445687.0A CN202211445687A CN118057242A CN 118057242 A CN118057242 A CN 118057242A CN 202211445687 A CN202211445687 A CN 202211445687A CN 118057242 A CN118057242 A CN 118057242A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gray
- scale
- image
- exposure
- gray scale
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 122
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 36
- 241001270131 Agaricus moelleri Species 0.000 claims abstract description 15
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 claims 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 abstract description 18
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000013075 data extraction Methods 0.000 description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
本申请涉及一种激光直写方法、控制设备及激光直写系统，属于激光直写光刻技术领域，该方法包括：设定光刻的灰阶等级N、扫描像素步距M、灰阶曝光循环次数Q；将待加工的灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带；设定曝光时滑动提取窗口的大小；对于每个图像条带，根据N、M和Q进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，移动步距XStep为图像条带宽度W与光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，X方向与Y方向正交；可以提高扫描速度、激光直写效率，实现灰阶的额外灰阶曝光循环次数。
Description
【技术领域】
本申请涉及一种激光直写方法、控制设备及激光直写系统，属于激光直写光刻技术领域。
【背景技术】
激光直写技术是制作衍射光学元件的主要技术之一，它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，显影后便在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓。激光直写技术是一种无需掩模、适用面广、性价比高的微纳米加工手段，由于其具有低成本与便利性，目前已经广泛应用于掩模板、微机电系统、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)器件、微纳光学器件等微纳米制造领域。
目前常用的激光直写方法包括基于数字微镜(Digtial Micromirror Devices，DMD)器件建立的激光直写系统进行微镜制作。其中，DMD是一种由多个高速数字式光反射开关组成的微镜阵列，微镜大小从几个微米到十几微米。DMD可与用于显示的可见LED、激光或灯照明配对，还可支持用于光控制应用的紫外或红外波长，在激光直写领域被广泛采用。
在基于DMD的激光直写系统中对于灰阶图形的曝光通常有以下技术方案。
第一种：固定DMD每帧图形的翻转时间，通过调节照明光源的强度来实现不同深度的灰阶曝光。上述技术方案需要调节透射光功率密度。而照明光源功率的调节需要有一定的稳定时间，该稳定时间远远落后于DMD微秒级的微镜翻转时间。因此，该技术方案往往需要秒级的静台等待时间，不能实现高速化扫描直写光刻。
第二种：固定光源强度，通过精确调制DMD每帧图形显示的占空比进而实现不同灰度值的曝光能量。例如：设定DMD显示一帧图形的总时间256毫秒，灰度值为1时微镜打开显示1毫秒关闭255毫秒，灰度值为2时微镜打开显示2毫秒关闭254毫秒，依此类推实现256等级的灰阶曝光能量。
然而，第二种技术方案依然需要一定的静台时间来确保显示周期内的曝光计量累积，无法实现高速化的扫描直写光刻。
第三种：对曝光图形进行像素化，根据灰阶设定得到每个像素的灰阶权值，并使之与微镜的打开次数对应。光刻时每次移动一个微镜距离并通过灰阶权值决定当前微镜是打开还是关闭。这样通过至少灰阶次数的叠加曝光实现了灰阶光刻。
然而，第三种技术方案虽然可以解决高速扫描下的灰阶光刻问题，但是光刻过程中每次只能移动一个DMD像素距离，导致直写扫描速度较低的问题，并且不能在扫描维度调节满足最小灰阶曝光叠加次数之外的额外灰阶曝光循环次数。以行业普遍采用的0.95英寸1920像素×1080像素的DMD为例，假设DMD中每个微镜像素的尺寸为10.8um、光学系统微缩20倍、且满帧刷新频率15000帧，则像素成像分辨率为10.8/20＝0.54um，扫描速度0.54×15000＝8.1mm/s，这对于大幅面的灰阶直写效率远远不够。
【发明内容】
本申请提供了一种激光直写方法、控制设备及激光直写系统，可以解决现有的基于DMD作为空间光调制器的直写光刻系统，在进行灰阶扫描时每次移动一个像素步距，导致扫描速度低、直写效率低的问题；还可以解决不能在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数，导致只能单方面通过增加光源功率来实现更深微结构的制作的问题。本申请提出的一种新的灰阶直写光刻方法，该方法通过设定滑动提取窗口对灰阶图形进行像素阈值提取，结合匹配对应的DMD显示窗口，实现了多像素步距下的灰阶滚动直写光刻，并且能灵活调节灰阶扫描的额外灰阶曝光循环次数，可以提高光刻效率。本申请提供如下技术方案：
第一方面，提供一种激光直写方法，所述方法包括：
根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像；
设定光刻的灰阶等级N，设定扫描像素步距M，设定灰阶曝光循环次数Q，满足M*(N-1)*Q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；
将所述灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，所述图像条带宽度W小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；
设定曝光时滑动提取窗口的大小；
对于每个所述图像条带，根据所述灰阶等级N，所述扫描像素步距M和所述灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；
运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，所述移动步距XStep为所述图形条带宽度W与所述光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，X方向和Y方向正交。
可选地，所述设定曝光时滑动提取窗口的大小，包括：
设定所述滑动提取窗口的高度为M*(N-1)*Q，宽度为所述图像条带宽度W。
可选地，所述对于每个所述图像条带，根据所述灰阶等级N，所述扫描像素步距M和所述灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带，包括：
对灰阶进行划分，得到N-1个灰阶阈值，灰阶阈值Gi＝i*Gin，1≤i≤N-1，其中Gin为灰阶区间的大小，Gin＝总灰阶数G/灰阶等级N；
从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口依次进行周期性灰阶提取，得到二值数据，并将所述二值数据从底部开始依次放入新的图像条带，具体步骤包括：
从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口进行灰阶阈值判断，将大于或等于第1灰阶阈值G1的数据置位，将小于第一灰阶阈值G1的数据置零，得到新的宽度为W，高度为M*(N-1)*Q二值数据；将所述二值数据放入新的图像条带底部；
控制滑动提取窗口向上移动M像素进行灰阶阈值判断，将大于或等于第2灰阶阈值G2的数据置位，将小于第2灰阶阈值G2的数据置零，得到新的宽度为W，高度为M*(N-1)*Q二值数据；将所述二值数据从依次放入新的图像条带；
重复N-1次，完成一个周期灰阶提取；
滑动提取窗口向上移动M像素，并进行下一个周期灰阶提取，直至当前条带数据全部提取完毕，并得到所述新的图像条带。
可选地，所述从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口进行灰阶阈值判断之前，还包括：
在所述图像条带的头部添加M*(N-1)*Q行空白数据。
可选地，所述重复上述灰阶提取的步骤直至当前条带数据全部提取完毕，包括：
在所述图像条带的末尾不满足所述滑动提取窗口的高度的情况下，按照M*(N-1)*Q凑整填充空白数据。
可选地，所述置位数据对应DMD空间光调制器打开，置零数据对应DMD空间光调制器关闭。
可选地，所述方法还包括：
对于每个所述新的图像条带，控制运动平台在Y方向上进行扫描运动，运动平台在Y方向上的扫描步距YStep为扫描像素步距M与光学分辨率R的乘积，每移动扫描步距YStep，触发一次同步信号，以按照所述新的图形条带从下往上的顺序提取与所述滑动提取窗口大小相同的图像，并触发所述空间光调制器上显示所述图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。
可选地，所述根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像，包括：
按照所述光学分辨率R对加工图像进行灰阶化处理，得到所述灰阶图像。
第二方面，提供一种控制设备，所述控制设备包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序，所述程序由所述处理器加载并执行以实现第一方面提供的激光直写方法。
第三方面，提供一种激光直写系统，所述激光直写系统采用第一方面提供的激光直写方法。
本申请的有益效果至少包括：通过根据直写设备的光学分辨率R获取待加工的灰阶图像；设定光刻的灰阶等级N，设定扫描像素步距M，设定灰阶曝光循环次数Q，满足M*(N-1)*Q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；将灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，图像条带宽度W小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；设定曝光时滑动提取窗口的大小；对于每个图像条带，根据灰阶等级N，扫描像素步距M和灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，所述移动步距XStep为所述图形条带宽度W与所述光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，所述X方向与所述Y方向正交；可以解决现有的基于DMD作为空间光调制器的直写光刻系统，在进行灰阶扫描时每次移动一个像素步距，导致扫描速度低、直写效率低的问题；由于滑动提取窗口可以基于用户需要的像素步距滑动，因此，可以提高扫描速度，从而提高激光直写效率。
同时，还可以解决不能在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数，导致只能单方面通过增加光源功率来实现更深微结构的制作的问题；由于滑动提取窗口可以基于灰阶曝光循环次数对各个像素重复曝光，因此，可以实现在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数。
另外，通过在图像条带的像素高度无法满足最后一次滑动时的窗口高度的情况下，对图像条带的扫描结束位置添加空白数据，可以保证最后一个图像条带的数据完整性。
另外，通过在图像条带的扫描起始位置按照窗口高度添加空白数据，可以使得每个有效的像素行都能满足灰阶曝光循环次数的要求。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
图1是本申请一个实施例提供的激光直写系统的结构示意图；
图2是本申请一个实施例提供的激光直写方法的流程图；
图3是本申请一个实施例提供的灰阶图像的示意图；
图4是本申请一个实施例提供的像素点阵文件的示意图；
图5是本申请一个实施例提供的灰阶曝光循环次数为1时单位位图曝光过程的示意图；
图6是本申请一个实施例提供的灰阶曝光循环次数为Q(Q>1)时单位位图曝光过程的示意图
图7是本申请一个实施例提供的灰度数据提取的示意图；
图8是本申请另一个实施例提供的灰度数据提取的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
本申请提供的激光直接方法用于无掩膜曝光系统。其中，无掩膜曝光系统可以使用DMD或者LCD作为图形发生器(或称空间光调制器)，由于DMD的每个微镜的有效反射率远高于LCD，且DMD控制像素灰度的精度也高于LCD，因此，本申请中以DMD作为虚拟掩膜的图形发生器为例进行说明。
图1是本申请一个实施例提供的激光直写系统的结构示意图，该系统至少包括：曝光光源110、空间光调制器120、光学成像系统130、运动平台140、和控制设备150。
曝光光源110用于向空间光调制器120投射光源。
可选地，曝光光源110可以为激光器，该激光器发射的激光还可以经过滤波和/或准直等处理照射至空间光调制器120。
曝光光源110出射的光经过空间光调制器120调制后通过光学成像系统130照射在成像面上。
空间光调制器120可以为DMD图形发生器包括多个微镜，每个微镜可以停留在开启状态的位置或者关闭状态的位置上。微镜处于开启状态时，反射光经光学成像系统130到成像面上；微镜处于关闭状态时，反射光不进入光学成像系统130。
光学成像系统130由一组光学镜头组成，光学成像系统130用于将空间光调制器120调制后的光投射至成像面。
运动平台140设置有成像面，比如：光刻胶版等。控制设备150分别与空间光调制器120和运动平台140通信相连，以控制空间光调制器120的工作状态、以及运动平台140的工作状态。比如：控制设备150控制空间光调制器120中各个微镜处于开启状态或关闭状态，控制运动平台140的运动方向和运动距离。
可选地，用于控制空间光调制器120的控制设备、和用于控制运动平台140的控制设备可以实现在同一设备中，或者也可以实现在不同设备中，比如：用于控制空间光调制器120的控制设备为数据处理工作站、用于控制运动平台140的控制设备为工控机，本实施例不对控制设备的实现方式作限定。
本实施例中，控制设备用于：根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像；设定光刻的灰阶等级N，设定扫描像素步距M，设定灰阶曝光循环次数Q，满足M*(N-1)*Q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；将灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，图像条带宽度W小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；设定曝光时滑动提取窗口的大小；对于每个图像条带，根据灰阶等级N，扫描像素步距M和灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，移动步距XStep为图形条带宽度W与光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，X方向与Y方向正交。
本实施例中，可以实现多像素步距下的灰阶滚动直写光刻，并且能灵活调节灰阶扫描的灰阶曝光循环次数，以提高目前使用空间光调制器进行灰阶扫描光刻的效率及光刻的深度。
下面对上述控制设备实现的激光直写方法进行详细介绍。另外，值得注意的是，上述激光直写系统仅是示意性的，在实际实现时，激光直写系统还可以包括其它组件，本实施例在此不再一一列举。
图2是本申请一个实施例提供的激光直写方法的流程图，本实施例以该方法用于图1所示的激光直接系统中的控制设备中为例进行说明，该方法至少包括以下几个步骤：
步骤201，根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像。
灰阶图像(或称灰度图)，一般地，灰度分为256阶，在其它实施例中，也可以是其他灰阶数。图3所示的灰度的阶数为256阶的灰阶图像。
在一个示例中，根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像，包括：按照光学分辨率R对加工图像进行灰阶化处理，得到灰阶图像。
具体地，控制设备获取空间光调制器的微镜尺寸、光学成像系统的微缩倍数和加工图像的图像尺寸；基于微镜尺寸和微缩倍数确定光学分辨率R；使用图像尺寸和光学分辨率确定灰阶图像的像素宽度和像素高度，将加工图像按照预设阶数转换为灰阶图像，得到像素点阵文件。像素点阵文件如图4所示。
其中，光学分辨率为微镜尺寸除以微缩倍数的值。像素宽度为图像宽度除以光学分辨率的整数值。像素高度为图像高度除以光学分辨率的整数值。
比如：0.95英寸的空间光调制器，显示窗口的宽度为1920像素，显示窗口的高度为1080像素，每个像素大小为10.8um。假设系统光学微缩率为20倍，即空间光调制器中每个微镜反射的光经过光学成像系统130调整后微缩20倍。此时，系统光学分辨率为10.8um/20＝0.54um。若加工图像的图像尺寸为10mm×10mm，根据系统的光学分辨率，得到位图(Bitmap，BMP)的像素宽度为10mm/0.54um＝18519像素，像素高度为10mm/0.54um＝18519像素。将加工图像转换为灰阶图像时，灰阶图像的灰阶值255对应10um高度，灰阶图像的灰阶值0对应0um高度，其他灰阶值依据高度线性计算对应。
步骤202，设定光刻的灰阶等级N，设定扫描像素步距M，设定灰阶曝光循环次数Q，满足M*(N-1)*Q小于等于空间光调制器显示窗口的高度。
其中，N、M和Q均为正整数。
步骤203，将灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，图像条带宽度W小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度。
在一个示例中，将灰阶图像在像素宽度方向上每隔条带宽度W划分一个图像条带，得到至少一个图像条带。在最后一个图像条带的像素宽度无法满足条带宽度的情况下，在灰阶图像的宽度方向的结束位置添加空白数据，以使最后一个图像条带的像素宽度满足条带宽度。
比如：灰阶图形的像素宽度为18519像素，显示窗口的宽度为1920像素，此时，每隔1920像素对灰阶图像划分一次，由于18519/1920＝9*1920+1239，即，可以得到10个图像条带，最后一个图像条带需要添加1920-1239＝681列空白数据，以使最后一个图像条带的像素宽度满足条带宽度。
在另一个示例中，图像条带的条带宽度不固定，满足图像条带的条带宽度小于或等于显示窗口的宽度即可。
步骤204，设定曝光时滑动提取窗口的大小。
具体地，本实施例中，基于本次光刻的灰阶等级N、扫描时的像素步距M、和本次光刻的灰阶曝光循环次数Q，确定图像条带的滑动提取窗口的窗口高度M*(N-1)*Q；滑动提取窗口的窗口宽度为条带宽度W。
滑动提取窗口用于在每个图像条带中每隔像素步距M滑动提取灰阶值，进行二值化处理。
本实施例中，灰阶等级、像素步距和灰阶曝光循环次数可以基于用户需求设置，比如：在对需要光刻的灰阶图像精度要求较高的情况下，可以设置较多的灰阶等级，需要较高的光刻速度的情况下，可以设置较大的像素步距，需要较深的光刻的深度的情况下，可以设置较多的灰阶曝光循环次数。
在其它实施例中，灰阶等级、像素步距和灰阶曝光循环次数也可以是固定值，本实施例不对灰阶等级、像素步距和灰阶曝光循环次数的设置方式作限定。
步骤205，对于每个图像条带，根据灰阶等级N，扫描像素步距M和灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带。
对于每个图像条带，根据灰阶等级N，扫描像素步距M和灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带，包括以下几个步骤：
步骤1，对灰阶进行划分，得到N-1个灰阶阈值，灰阶阈值Gi＝i*Gin，1≤i≤N-1，其中Gin为灰阶区间的大小，Gin＝总灰阶数G/灰阶等级N。
在一个示例中，对灰阶进行区域划分，包括：确定灰阶阈值Gi。
比如：灰阶数为256，灰阶等级为4，则Gin的值为256/4＝64，则第1个灰阶阈值为64、第2个灰阶阈值为128、第3个灰阶阈值为192。
步骤2，从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口依次进行周期性灰阶提取，得到二值数据，并将所述二值数据从底部开始依次放入新的图像条带，具体步骤包括：
a.从图像条带底部开始按滑动提取窗口进行灰阶阈值判断，将大于或等于第1灰阶阈值G1的数据置位，将小于第1灰阶阈值G1的数据置零，得到新的宽度为W，高度为M*(N-1)*Q二值数据；将所述二值数据放入新的图像条带底部。
此时，生成第1次提取得到的一帧像素宽度为W，像素高度为M*(N-1)*Q的二值化数据。其中，置位数据对应DMD空间光调制器打开，具体是对应位置的DMD微镜打开，置零数据对应DMD空间光调制器关闭，具体是对应位置的DMD微镜关闭。
b.控制滑动提取窗口向上移动M像素进行灰阶阈值判断，将大于或等于第2灰阶阈值G2的数据置位，将小于第2灰阶阈值G2的数据置零，得到新的宽度为W，高度为M*(N-1)*Q二值数据；将二值数据依次放入新的图像条带。
c.重复N-1次，完成一个周期灰阶提取。
步骤3，滑动提取窗口向上移动M像素，并进行下一个周期灰阶提取，直至当前条带数据全部提取完毕，并得到新的图像条带。
即，在第N次灰阶提取时，控制滑动提取窗口向上移动M像素并再次以第一灰阶阈值开始提取，重复上述灰阶提取的步骤直至当前条带数据全部提取完毕，得到新的图像条带。
一张灰阶图像中每个图像条带均按照上述过程进行提取，得到各个图像条带对应的二值化数据。
灰阶曝光循环次数Q，是指在图像同一位置进行多次周期性的灰阶计量曝光，若是进行一个周期的灰阶计量曝光，即灰阶曝光循环次数Q＝1；若是进行了两个周期的灰阶计量曝光，即灰阶曝光循环次数Q＝2；依次类推。灰阶曝光循环的次数，次数越大，光刻的深度越深。如图5所示，当灰阶曝光循环次数Q为1时，提取窗口的高度为(N-1)*M，以其中一个单元位图(图中灰色区域)为例，在Y轴扫描方向上，图中灰色区域进行第1阈值的灰度值提取，滑动窗口向上移动一个像素扫描步距M，然后进行第2阈值的灰度值提取，再向上移动一个像素扫描步距M，直至第N-1阈值的灰度值提取完成，也就是单元位图(图中灰色区域)完成了一个周期的灰度值的提取，对应在光刻时该单元位图进行了一个周期的灰阶计量曝光，即一次灰阶曝光。
在如图6所示，当灰阶曝光循环次数为Q(Q>1)时,提取窗口的高度为(N-1)*M*Q，以其中一个单元位图(图中灰色区域)为例，在Y轴扫描方向上，图中灰色区域进行第1阈值的灰度值提取，滑动窗口向上移动一个像素扫描步距M，然后进行第2阈值的灰度值提取，再向上移动一个像素扫描步距M，直至第N-1阈值的灰度值提取完成，也就是单元位图(图中灰色区域)完成了一个周期的灰度值的提取；单元位图(图中灰色区域)重新进行第1阈值的灰度值…，直至第N-1阈值的灰度值提取，完成了第二个周期的灰度值提取；重复提取步骤，直至进行了Q次周期性的灰度提取，对应在光刻时该单元位图进行了Q个周期的灰阶计量曝光，即Q次灰阶曝光。
可选地，在图像条带的像素高度无法满足最后一次滑动时的窗口高度的情况下，控制设备可以对图像条带的扫描结束位置添加空白数据，以使图像条带的像素高度满足最后一次滑动时的窗口高度。
步骤206，运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，所述移动步距XStep为所述图形条带宽度W与所述光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，所述X方向与所述Y方向正交。
具体地，对于每个新的图像条带，控制运动平台在Y方向上进行扫描运动，运动平台在Y方向上的扫描步距YStep为扫描像素步距M与光学分辨率R的乘积，每移动扫描步距YStep，触发一次同步信号，以按照新的图形条带从下往上的顺序提取与滑动提取窗口大小相同的图像，并触发空间光调制器上显示图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。
综上所述，本实施例提供的激光直写方法，通过根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像；设定光刻的灰阶等级N，设定扫描像素步距M，设定灰阶曝光循环次数Q，满足M*(N-1)*Q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；将灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，图像条带宽度W小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；设定曝光时滑动提取窗口的大小；对于每个图像条带，根据灰阶等级N，扫描像素步距M和灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，所述移动步距XStep为所述图形条带宽度W与所述光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，所述X方向与所述Y方向正交；可以解决现有的基于DMD作为空间光调制器的直写光刻系统，在进行灰阶扫描时每次移动一个像素步距，导致扫描速度低、直写效率低的问题；由于滑动提取窗口可以基于用户需要的像素步距滑动，因此，可以提高扫描速度，从而提高激光直写效率。
同时，还可以解决不能在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数，导致只能单方面通过增加光源功率来实现更深微结构的制作的问题；由于滑动提取窗口可以基于灰阶曝光循环次数对各个像素重复曝光，因此，可以实现在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数。
另外，通过在图像条带的像素高度无法满足最后一次滑动时的窗口高度的情况下，对图像条带的扫描结束位置添加空白数据，可以保证最后一个图像条带的数据完整性。
为了更清楚地理解本申请提供的激光直写方法，下面对该方法举几个例子进行说明，下述示例中以采用0.95英寸的DMD图形发生器，DMD显示窗口的宽度为1920像素、DMD显示窗口的高度为1080像素、像素大小10.8um，系统光学微缩倍率20倍，得到光学分辨率R为10.8um/20＝0.54um，系统光源为355nm波长紫外脉冲激光器，运动平台包含XY高精密直线运动平台，以及Z轴调焦模块为例进行说明。
示例1：假设原始的加工图像大小为10mm×10mm，最深结构10um，文件格式stl，实现灰阶等级N＝4，像素步距M＝3，灰阶曝光循环次数Q＝1次。图7以BMP中的一列作为示意，激光直写方法至少包括以下几个步骤：
步骤1，将stl的文件转换成256灰阶的灰阶图像(BMP图像)，如图3所示。
灰阶图像的像素宽度10mm/0.54um＝18519像素，像素高度10mm/0.54um＝18519像素。此时，BMP灰阶值255对应10um高度，BMP灰阶值0对应0um高度，其他灰阶值依据高度线性计算对应。
步骤2，将灰阶图像裁切成宽度为1920像素的图像条带，图像条带数量＝18519/1920＝10。
本示例中以按照显示窗口的宽度裁切为例，在实际实现时，也可以是小于显示窗口的宽度的值，本实施例不对裁切的尺寸作限定。
步骤3，设定滑动提取窗口的窗口宽度为1920像素，窗口高度为M*(N-1)*Q＝9像素。
步骤4，将灰阶进行划分，每256/4＝64个灰阶划分得到一个灰阶阈值，得到3个灰阶阈值，分布为第1灰阶阈值64，第2灰阶阈值128，第3灰阶阈值192。
步骤5，从第一条图像条带的底部开始按滑动提取窗口进行灰阶阈值判断提取。其中，滑动提取窗口范围内的灰阶值小于第1灰阶阈值64的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×9的二值化数据。
步骤6，滑动提取窗口向上移动3像素，再次进行灰阶阈值判断提取。其中窗口范围内灰阶值小于第2灰阶阈值128的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×9的二值化数据。
步骤7，滑动提取窗口再次向上移动3像素，再次进行灰阶阈值判断提取。其中窗口范围内灰阶值小于第3灰阶阈值192的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×9二值化数据。完成一个周期的灰阶提取。
步骤8，滑动提取窗口再次向上移动3像素，再次按照第1灰阶阈值开始提取。
步骤9，重复上述步骤直至完成整个图像条带的数据提取完成。将提取的数据按序重新组合形成最终的DMD显示数据，如图7。
步骤10，重复同样的步骤完成所有条带的提取。
步骤11，在DMD图像发生器上设置每帧显示窗口区域大小，即像素宽度W＝1920像素，像素高度＝M*(N-1)*Q＝9像素。
步骤12，运动平台在Y方向上的扫描步距YStep＝M×R＝3×0.54um＝1.62um，每移动扫描步距YStep发出一次同步信号，以按照新的图形条带从下往上的顺序提取与滑动提取窗口大小相同的图像，并触发空间光调制器上显示图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。
步骤13，在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，运动平台回到底部并在X方向移动一个移动步距XStep，XStep＝W×R＝1920×0.54＝1036.8um，并对下一个新的图像条带按照步骤12的方式进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光。
示例2：假设原始的加工图像大小为10mm×10mm，最深结构10um，文件格式stl，实现灰阶等级N＝4，像素步距M＝3，灰阶曝光循环次数Q＝2次。图8以BMP图中的一列来进行示意，激光直写方法至少包括以下几个步骤：
步骤1，将stl的文件转换成256灰阶的灰阶图像(BMP图像)。
本步骤的相关描述详见示例1的步骤1，本实施例在此不再赘述。
步骤2，将灰阶图像裁切成宽度为1920像素的图像条带，条带数量＝18519/1920＝10。
步骤3，设定滑动提取窗口的窗口宽度为1920像素，窗口高度为M*(N-1)*Q＝18像素。
步骤4，将灰阶进行区域划分，每256/4＝64个灰阶划分得到一个灰阶阈值，得到3个灰阶阈值，分布为第1灰阶阈值64，第2灰阶阈值128，第3灰阶阈值192。
步骤5，从第一条图像条带的底部开始按滑动提取窗口进行灰阶阈值判断提取。其中，滑动提取窗口范围内的灰阶值小于第1灰阶阈值64的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×18的二值化数据。
步骤6，滑动提取窗口向上移动3像素，再次进行灰阶阈值判断提取。其中窗口范围内灰阶值小于第2灰阶阈值128的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×18的二值化数据。
步骤7，滑动提取窗口再次向上移动3像素，再次进行灰阶阈值判断提取。其中窗口范围内灰阶值小于第3灰阶阈值192的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×18二值化数据。完成了一个周期的灰阶提取。
步骤8，滑动提取窗口再次向上移动3像素，再次按照第1灰阶阈值开始提取。
步骤9，重复上述步骤直至完成整个图像条带的数据提取完成。将提取的数据按序重新组合形成最终的DMD显示数据。
步骤10，重复同样的步骤完成所有条带的提取。
步骤11，在DMD图像发生器上设置每帧显示窗口区域大小，即像素宽度W＝1920像素，像素高度＝M*(N-1)*Q＝18像素。
步骤12，运动平台在Y方向上的扫描步距YStep＝M×R＝3×0.54um＝1.62um，每移动扫描步距YStep发出一次同步信号，以按照新的图形条带从下往上的顺序提取与滑动提取窗口大小相同的图像，并触发空间光调制器上显示图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。
步骤13，在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，运动平台回到底部并在X方向移动一个移动步距XStep，XStep＝W×R＝1920×0.54＝1036.8um，并对下一个新的图像条带按照步骤12的方式进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光。
根据示例2的过程可知，对于同一行像素，该行像素进行了两个周期的灰阶的提取，在光刻时进行了个周期的灰阶计量曝光，即灰阶曝光循环次数为2次。
另外，根据示例2可知，某些像素行可能无法满足灰阶曝光循环次数的要求，基于此，本实施例中，对于每个图像条带，从图像条带底部开始按滑动提取窗口进行灰阶阈值判断之前，还包括：在图像条带的头部添加M*(N-1)*Q行空白数据。这样，可以满足每个有效的像素行都能满足灰阶曝光循环次数的要求。
示例3：假设原始的加工图像大小为30000像素×30000像素，最大灰阶256，文件格式BMP，灰阶等级N＝64灰阶，像素步距M＝4像素扫描步距，灰阶曝光循环次数Q＝3次叠加曝光。激光直写方法至少包括以下几个步骤：
步骤1，将BMP图像裁切成宽度为1920像素的图像条带，条带数量＝30000/1920＝16。
步骤2，设置滑动提取窗口的窗口宽度为1920像素，窗口高度为M*(N-1)*Q＝756像素。
步骤3，对灰阶进行划分，即每256/64＝4个灰阶划分得到一个灰阶阈值，得到63个灰阶阈值，分布为第1灰阶阈值4，第2灰阶阈值8，第3灰阶阈值12，…，第63灰阶阈值为252。
步骤4，从第一条BMP图像条带的底部开始按滑动提取窗口进行灰阶阈值判断提取。其中窗口范围内灰阶值小于第1灰阶阈值4的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×756的二值化数据。
步骤5，滑动提取窗口向上移动4个像素，再次进行灰阶阈值判断提取。其中窗口范围内灰阶值小于第2灰阶阈值8的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×756的二值化数据。
步骤6，重复上述步骤，移动滑动提取窗口，直至窗口范围内灰阶值小于第63灰阶阈值252的像素点置于0，其余置1，得到新的归一化后的1920×756的二值化数据。完成一个周期的灰阶提取。
步骤7，滑动提取窗口向上移动4像素，再次按照第1灰阶阈值开始提取。
步骤8，重复上述步骤直至完成整个图像条带的数据提取。将提取的数据按序重新组合形成最终DMD显示数据。
步骤9，同样的步骤完成所有图像条带的提取。
步骤10，在DMD上设置每帧显示窗口区域大小，即像素宽度为W＝1920像素，像素高度为M*(N-1)*Q＝756像素。
步骤11，运动平台在Y方向上的扫描步距YStep＝M×R＝4×0.54um＝2.16um，每移动扫描步距YStep发出一次同步信号，以按照新的图形条带从下往上的顺序提取与滑动提取窗口大小相同的图像，并触发空间光调制器上显示图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。
步骤12，在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，运动平台回到底部并在X方向移动一个移动步距XStep，XStep＝W×R＝1920×0.54＝1036.8um，并对下一个新的图像条带按照步骤12的方式进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光。
在该实施例中，对于同一行像素，该行像素进行了3个周期的灰阶的提取，在光刻时进行了两个周期的灰阶计量曝光，即灰阶曝光循环次数为3次。
在实际实现时，M、N和Q的取值还可以是其它数值，本实施例在此不再一一列举。
可选地，本申请还提供有一种控制设备，所述控制设备包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序，所述程序由所述处理器加载并执行以实现本申请提供的激光直写方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光直写方法，其特征在于，所述方法包括：
根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像；
设定光刻的灰阶等级N，设定扫描像素步距M，设定灰阶曝光循环次数Q，满足M*(N-1)*Q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；
将所述灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，所述图像条带宽度W小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；
设定曝光时滑动提取窗口的大小；
对于每个所述图像条带，根据所述灰阶等级N，所述扫描像素步距M和所述灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；
运动平台在Y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在X方向移动一个移动步距XStep，所述移动步距XStep为所述图形条带宽度W与所述光学分辨率R的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，所述X方向与所述Y方向正交。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定曝光时滑动提取窗口的大小，包括：
设定所述滑动提取窗口的高度为M*(N-1)*Q，宽度为所述图像条带宽度W。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对于每个所述图像条带，根据所述灰阶等级N，所述扫描像素步距M和所述灰阶曝光循环次数Q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带，包括：
对灰阶进行划分，得到N-1个灰阶阈值，灰阶阈值Gi＝i*Gin，1≤i≤N-1，其中Gin为灰阶区间的大小，Gin＝总灰阶数G/灰阶等级N；
从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口依次进行周期性灰阶提取，得到二值数据，并将所述二值数据从底部开始依次放入新的图像条带，具体步骤包括：
从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口进行灰阶阈值判断，将大于或等于第1灰阶阈值G1的数据置位，将小于第1灰阶阈值G1的数据置零，得到新的宽度为W，高度为M*(N-1)*Q二值数据；将所述二值数据放入新的图像条带底部；
控制滑动提取窗口向上移动M像素进行灰阶阈值判断，将大于或等于第2灰阶阈值G2的数据置位，将小于第2灰阶阈值G2的数据置零，得到新的宽度为W，高度为M*(N-1)*Q二值数据；将所述二值数据从依次放入新的图像条带；
重复N-1次，完成一个周期灰阶提取；
滑动提取窗口向上移动M像素，并进行下一个周期灰阶提取，直至当前条带数据全部提取完毕，并得到所述新的图像条带。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口进行灰阶阈值判断之前，还包括：
在所述图像条带的头部添加M*(N-1)*Q行空白数据。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述重复上述灰阶提取的步骤直至当前条带数据全部提取完毕，包括：
在所述图像条带的末尾不满足所述滑动提取窗口的高度的情况下，按照M*(N-1)*Q凑整填充空白数据。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述置位数据对应DMD空间光调制器打开，置零数据对应DMD空间光调制器关闭。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对于每个所述新的图像条带，控制运动平台在Y方向上进行扫描运动，运动平台在Y方向上的扫描步距YStep为扫描像素步距M与光学分辨率R的乘积，每移动扫描步距YStep，触发一次同步信号，以按照所述新的图形条带从下往上的顺序提取与所述滑动提取窗口大小相同的图像，并触发所述空间光调制器上显示所述图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。
8.根据权利要求1至7任一所述的方法，其特征在于，所述根据直写设备的光学分辨率R，获取待加工的灰阶图像，包括：
按照所述光学分辨率R对加工图像进行灰阶化处理，得到所述灰阶图像。
9.一种控制设备，其特征在于，所述控制设备包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序，所述程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至8任一项所述的激光直写方法。
10.一种激光直写系统，其特征在于，所述激光直写系统采用如权利要求1至8任一项所述的激光直写方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211445687.0A CN118057242A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 激光直写方法、控制设备及激光直写系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211445687.0A CN118057242A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 激光直写方法、控制设备及激光直写系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118057242A true CN118057242A (zh) | 2024-05-21 |
Family
ID=91068626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211445687.0A Pending CN118057242A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 激光直写方法、控制设备及激光直写系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118057242A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5699168A (en) * | 1995-06-22 | 1997-12-16 | Texas Instruments Incorporated | Grayscale printing with sliding window memory |
| US20100127431A1 (en) * | 2008-11-26 | 2010-05-27 | Micronic Laser Systems Ab | Image reading and writing using a complex two-dimensional interlace scheme |
| CN106886132A (zh) * | 2017-04-25 | 2017-06-23 | 电子科技大学 | 一种基于dmd的扫描式光刻机灰度图像曝光方法 |
| TW202223547A (zh) * | 2020-10-22 | 2022-06-16 | 美商Ｄ２Ｓ公司 | 決定半導體或平板顯示器製造之形狀的方法與系統 |
-
2022
- 2022-11-18 CN CN202211445687.0A patent/CN118057242A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5699168A (en) * | 1995-06-22 | 1997-12-16 | Texas Instruments Incorporated | Grayscale printing with sliding window memory |
| US20100127431A1 (en) * | 2008-11-26 | 2010-05-27 | Micronic Laser Systems Ab | Image reading and writing using a complex two-dimensional interlace scheme |
| CN106886132A (zh) * | 2017-04-25 | 2017-06-23 | 电子科技大学 | 一种基于dmd的扫描式光刻机灰度图像曝光方法 |
| TW202223547A (zh) * | 2020-10-22 | 2022-06-16 | 美商Ｄ２Ｓ公司 | 決定半導體或平板顯示器製造之形狀的方法與系統 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6833908B2 (en) | Computer architecture for and method of high-resolution imaging using a low-resolution image transducer | |
| JP5596067B2 (ja) | 画像データ圧縮に２ｄランレングス符号化を使用するリソグラフィ装置及びデバイス製造方法 | |
| EP2359194B1 (en) | Image reading and writing using a complex two-dimensional interlace scheme | |
| KR100660501B1 (ko) | 리소그래피 장치 및 디바이스 제조방법 | |
| KR100459813B1 (ko) | 집속된 레이저 광선에 의해 감광 물질로 코팅된 기판상에 구조체를 형성시키는 방법 및 장치 | |
| US7508491B2 (en) | Lithographic apparatus and device manufacturing method utilized to reduce quantization influence of datapath SLM interface to dose uniformity | |
| US7728956B2 (en) | Lithographic apparatus and device manufacturing method utilizing multiple die designs on a substrate using a data buffer that stores pattern variation data | |
| KR20190072573A (ko) | 다이렉트 이미징 노광 장치 및 다이렉트 이미징 노광 방법 | |
| JP2006165547A (ja) | 光パターニング方法および光パターニングシステム | |
| US8264667B2 (en) | Lithographic apparatus and device manufacturing method using interferometric and other exposure | |
| US20090219500A1 (en) | Lithographic Apparatus and Device Manufacturing Method with Radiation Beam Inspection | |
| US8634064B2 (en) | Optical system for increasing illumination efficiency of a patterning device by producing a plurality of beams | |
| EP1485763B1 (en) | Method and apparatus for printing large data flows | |
| CN104375384A (zh) | 一种曝光方法及其曝光装置 | |
| JP5210333B2 (ja) | ピクセルグリッド描画と組み合わせた連続光ビームを使用するリソグラフィ装置およびデバイス製造方法 | |
| CN118057242A (zh) | 激光直写方法、控制设备及激光直写系统 | |
| KR101341676B1 (ko) | Ｓｌｍ 직접 기록 장치 | |
| KR101653213B1 (ko) | 디지털 노광 방법 및 이를 수행하기 위한 디지털 노광 장치 | |
| US7253881B2 (en) | Methods and systems for lithographic gray scaling | |
| CN110431486A (zh) | 控制装置及控制方法、曝光装置及曝光方法、元件制造方法、数据生成方法和程序 | |
| KR20040064712A (ko) | 이미지 형성을 위한 방법 및 장치 | |
| JP2010021409A (ja) | 露光方法、露光装置および基板製造方法。 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |