CN201035320Y - 微光学器件高速并行直写制作系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微光学器件高速并行直写制作系统，旨在提供一种可采用逐个图形进行曝光的面曝光方式，使其具有内在的并行特性，大大提高微光学器件的制作速度和精度，缩短生产周期，微光学器件特征尺寸可达到微米及亚微米量级，结构简单可靠，生产成本低的微光学器件并行直写制作系统，它包括按下列顺序在光轴线上依次排列的由光源发出的光垂直照射的电寻址空间光调制器、傅里叶变换透镜、空间滤波器、物镜和二维精密位移平台，还包括机内设有图形生成软件的计算机，空间滤波器置于傅里叶变换透镜的后焦面上，空间光调制器通过导线与计算机的显示视频扩展输出口连接。

Description

微光学器件高速并行直写制作系统

技术领域

本实用新型涉及微光学器件制作领域，具体涉及一种微光学器件的高速并行直写制作系统。

背景技术

激光直写技术是随着大规模集成电路的发展而于20世纪80年代中期提出的，虽然历史并不很长，但却取得了长足的进步。在90年代初，激光直写系统开始广泛应用于微光学器件的制作，大大提高了微光学器件的性能，为微光学技术的推广应用打下了良好的基础。

现有的较为成熟的激光直写系统大都是逐点曝光式的，其直写焦斑大小为微米级，所能实现的最小特征尺寸亦只能达到微米级。由于激光束横截面光强的高斯分布特性，使得加工出的微光学器件表面比较粗糙。再者，其扫描线间距的典型值为1μm左右，写入速度通常为10mm/s左右，完成一个10mm圆片的曝光需要1～2小时，写入速度很慢。此外，准分子激光烧蚀法、激光淀积和刻蚀法虽可归入激光直写系列，但前者制作光学器件时分辨率较低，后者制作工艺复杂、成本较高，二者均未得到广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可采用逐个图形进行曝光的面曝光方式，使其具有内在的并行特性，大大提高了微光学器件的制作速度和精度，缩短生产周期，使微光学器件特征尺寸可达到微米及亚微米量级，结构简单可靠，生产成本低的微光学器件高速并行直写制作系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案。

本实用新型的微光学器件高速并行直写制作系统，其特征在于它包括按下列顺序在光轴线上依次排列的由光源发出的光垂直照射的电寻址空间光调制器、傅里叶变换透镜、空间滤波器、物镜和二维精密位移平台，还包括机内设有图形生成软件的计算机，空间滤波器置于傅里叶变换透镜的后焦面上，空间光调制器通过导线与计算机的显示视频扩展输出口连接。

所述电寻址空间光调制器为透射型电寻址空间光调制器，在光轴线上于透射型电寻址空间光调制器前设有依次排列的光源和扩束准直器。

所述电寻址空间光调制器为反射型电寻址空间光调制器，所述光轴线分为第一光轴线和第二光轴线，反射型电寻址空间光调制器、傅里叶变换透镜、空间滤波器、物镜和二维精密位移平台按以上顺序在第一光轴线上依次排列，在反射型电寻址空间光调制器和傅里叶变换透镜之间设有分束器，在第二光轴线上设有依次排列的光源和扩束准直器，第一光轴线和第二光轴线在分束器处垂直相交，分束器的法线与两光轴线的夹角均为45°。

所述二维精密位移平台与所述计算机相连，或与另一台计算机相连。

所述光源是紫外光源或是He-Cd激光器。

本实用新型采用电寻址空间光调制器，通过导线与计算机的显示视频扩展输出口连接，并由计算机控制和输入调制信号，对垂直照射的光束进行强度调制，以形成高质量的灰阶图形。再利用基于傅里叶变换透镜和物镜组合的高精缩倍率光学系统，对微光学器件进行面曝光，且曝光面上各点曝光强度数字量化可控。

空间光调制器对光束进行强度调制和时间细分调制；对时间进行细分的方法为：

(1).将单次曝光时间T细分为M(M为时间细分倍数，为大于等于2的整数)个间隔ΔT，ΔT＝T/M；

(2).由计算机控制不同像元显示预定灰阶值的时间为t₁，且t₁为ΔT的整数倍，即t₁＝m×ΔT；m为时间细分数，m为大于等于1、小于等于M的整数；

(3).由计算机控制不同像元显示0灰阶值的时间为t₂，且t₂＝(M-m)×ΔT；光强调制倍数增大M倍，相当于空间光调制器显示的灰阶值扩展M倍。

本实用新型适当选择傅里叶变换透镜的焦距、物镜的焦距、空间光调制器到傅里叶变换透镜之间的距离、空间滤波器到物镜之间的距离，可实现系统的高精缩倍率要求，使所制作微光学器件的最小特征尺寸达到微米及亚微米量级。经理论推导，可知光学系统的横向放大倍数为：

$\mathrm{\β}=\left|\frac{f_1{f}_2}{f_1^2+f_1{d}_2+f_2{d}_1-f_1{f}_2-d_1{d}_2}\right|$

上式中，f₁为傅里叶变换透镜的焦距，f₂为物镜的焦距，d₁是空间光调制器到傅里叶变换透镜之间的距离，d₂是空间滤波器到物镜之间的距离。为减少光学系统的尺寸，让d₁＜＜f₁。适当选择f₁、f₂、d₁、d₂的数值，可实现光学系统的高精缩倍率要求。比如令f₁＝500mm、f₂＝5mm、d₁＝30mm、d₂＝5mm，经计算可知β＝0.01，即光学系统的缩放倍率为100∶1；又如令f₁＝185mm、f₂＝4.64mm、d₁＝18.5mm、d₂＝6mm，经计算可知β＝0.025，即光学系统的缩放倍率为40∶1。一般空间光调制器单个像元的大小为20μm～30μm，经该光学系统精缩40倍后，其像的大小为0.5μm～0.75μm，故该并行直写系统可制作最小特征尺寸达到微米及亚微米量级的微光学器件。

本实用新型以拼接方式制作大尺寸微光学器件。一般而言，单次曝光的面积为0.1mm²～1mm²数量级，对于具有较大尺寸的微光学器件，需要经过多次曝光。利用图形拼接技术，通过移动二维精密位移平台，并由计算机控制同步切换空间光调制器上的显示图形，以拼接的方式对整块基片进行曝光，从而制作大尺寸的微光学器件。

本实用新型的微光学器件的面曝光强度分布，可认为是空间光调制器上的原始图形和一个点扩散函数发生卷积作用所形成的结果，该点扩散函数描述了微光学器件并行直写制作系统的光学特性。由于卷积具有滤波、平滑细微结构的作用，因此可获得非常光滑的表面光洁度。另一方面，也正是由于这种卷积效应，较好地克服了空间光调制器的“黑栅”效应。

本实用新型采用逐个图形曝光方式使其具有内在的并行特性，每一次曝光面积相当于逐点曝光式激光直写系统在数十分钟内才能完成的工作量，可大大提高直写速度，缩短生产周期，降低加工成本；采用高精缩倍率的投影光学系统，选择像元尺寸小(比如像元间距为20μm)的空间光调制器可使所加工的微光学器件的最小特征尺寸达到微米甚至亚微米量级；采用时间细分法扩展曝光量的动态范围、实现光强调制细分，获得曝光剂量的高分辨率量化控制，并减小微光学器件深度加工误差，可生产超精细复杂结构的、连续轮廓的高性能微光学器件；利用图形拼接技术，可制作大尺寸的微光学器件；该系统所需的电寻址空间光调制器目前已大量商品化，其它器件购买或研制的成本均较低，可实现并行直写设备的廉价化，且结构简单可靠。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型的系统控制流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例并对照附图对本实用新型做进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，本微光学器件高速并行直写制作系统包括按下列顺序在光轴线10上依次排列的光源1、扩束准直器2、透射型电寻址空间光调制器3、傅里叶变换透镜4、空间滤波器5、物镜6和二维精密位移平台7。还包括机内设有图形生成软件的计算机9，空间滤波器5置于傅里叶变换透镜4的后焦面上，空间光调制器3通过导线与计算机9的显示视频扩展输出口连接，并由计算机9控制和输入图形信号。光源1为紫外光源，也可以是He-Cd激光器。二维精密位移平台7与计算机9相连，二维精密位移平台7也可由另一台计算机控制。工作时涂有光刻胶的基片8置于二维精密位移平台7上。

选择相应的系统参数为：单次曝光时间T＝0.05秒，时间细分倍数M＝10，则时间间隔ΔT＝0.005秒，可见采用时间细分法实现光强调制细分，使光强调制倍数增大10倍，相当于空间光调制器3显示的灰阶值扩展10倍；令傅里叶变换透镜4的焦距f₁＝185mm、物镜6的焦距f₂＝4.64mm、空间光调制器3到傅里叶变换透镜4之间的距离d₁＝18.5mm、空间滤波器5到物镜6之间的距离d₂＝6mm，经计算可知β＝0.025，即本光学系统的缩放倍率为40∶1，空间光调制器采用透射型液晶显示器LCD，型号为SVGA1。

本实施例制作微光学器件的并行直写制作过程为：

(1).根据微光学器件的位相要求，换算出基片8上各点的曝光强度，由各点的曝光强度确定透射型电寻址空间光调制器3上各像元的调制灰阶值以及时间细分数m；根据基片8上某一点的曝光强度和光学系统中的光束强度，确定空间光调制器3上对应像元显示预定灰阶值的时间t₁＝0.015秒，而时间间隔ΔT＝0.005秒，故该像元的时间细分数m＝3；接着该像元显示0灰阶值的时间t₂＝(M-m)×ΔT＝(10-3)×0.005＝0.035秒。基片8上所有点均按同样方法处理。

(2).计算机9内的图形生成软件根据所需制作的微光学器件类型和光学系统的相关参数，自动生成系列图形，并经显示视频扩展输出口将该系列图形依次显示在空间光调制器3上；

(3).光源1发出的光经扩束准直器2后成为平行光束，垂直射向空间光调制器3；

(4).空间光调制器3对光束进行强度调制和时间细分调制；

(5).透过空间光调制器3的调制光束，经傅里叶变换透镜4、空间滤波器5和物镜6后，精缩成像于基片8上，并对基片8上的光刻胶涂层进行曝光；

(6).移动二维精密位移平台7，并由计算机9控制同步切换空间光调制器3上的显示图形，当空间光调制器3上每切换显示一幅图形时，二维精密位移平台7依据计算机9给出的相应指令，进行x、y两方向的平移运动，并根据x、y向测量单元得到的位移信号，形成闭环控制，使二维精密位移平台7在较短时间内运动到下一个合适的位置，接着对一小块面积的光刻胶进行曝光。如此往复，依次将空间光调制器3上显示的系列图形记录于光刻胶的不同位置，从而以拼接的方式对整块基片8进行曝光。根据生成系列图形、空间光调制器3本身和系统中各部件的相关参数，可得到二维精密工作台7在x、y两方向每次的位移量。系统的控制流程如图3所示。

(7).对基片8进行显影、清洗及坚膜等处理。

如图3所示，本实用新型的系统控制流程如下，上电后，系统自检，若各子系统工作不正常，就在计算机9上显示错误信息，系统停止工作。各子系统工作正常后，计算机预先设定各子系统的基本工作参数。根据需要制作的微光学器件类型和要求，设置微光学器件的相关参数。同时对基片8进行预处理，在基片8上实施涂布光刻胶和烘干等曝光前期处理过程。计算机9内图形生成软件根据所需制作的微光学器件类型和光学系统的相关参数，自动生成系列图形，并经显示视频扩展输出口将该系列图形依次显示在空间光调制器(SLM)3上。当空间光调制器3上每切换显示一幅图形时，二维精密位移平台7依据计算机9给出的相应指令，进行x、y两方向的平移运动，并根据x、y向测量单元得到的位移信号，形成闭环控制，使二维精密位移平台7在较短时间内运动到下一个合适的位置，接着对一小块面积的光刻胶进行曝光，并由计算机9定时控制曝光时间。如此往复，依次将空间光调制器3上显示的系列图形记录于光刻胶的不同位置。根据生成系列图形、空间光调制器3本身和系统中各部件的相关参数，可得到二维精密位移平台7在x、y两方向每次的位移量，从而以拼接的方式对整块基片8进行曝光。曝光完成后，对基片8进行显影、清洗及坚膜等曝光后期处理过程。

实施例2：

如图2所示，本微光学器件高速并行直写制作系统，包括按下列顺序在第一光轴线12上依次排列的反射型电寻址空间光调制器3、分束器11、傅里叶变换透镜4、空间滤波器5、物镜6和二维精密位移平台7，还包括在第二光轴线13上的光源1和扩束准直器2，还包括机内设有图形生成软件的计算机9，第一光轴线12和第二光轴线13在分束器11处垂直相交，分束器11的法线与两光轴线的夹角均为45°，空间滤波器5置于傅里叶变换透镜4的后焦面上，空间光调制器3通过导线与计算机9的显示视频扩展输出口连接，并由计算机9控制和输入图形信号。光源1为紫外光源，也可以是He-Cd激光器。二维精密位移平台7与计算机9相连，二维精密位移平台7也可由另一台计算机控制。工作时涂有光刻胶的基片8置于二维精密位移平台7上。

选择相应的系统参数为：单次曝光时间T＝0.05秒，时间细分倍数M＝10，且时间间隔ΔT＝0.005秒，可见采用时间细分法实现光强调制细分，使光强调制倍数增大10倍，相当于空间光调制器显示的灰阶值扩展10倍；令f₁＝185mm、f₂＝4.64mm、d₁＝18.5mm、d₂＝6mm，经计算可知β＝0.025，即光学系统的缩放倍率为40∶1。空间光调制器采用数字微镜装置DMD，型号为XGA2。

本实施例制作微光学器件的并行直写制作过程为：

(1).根据微光学器件的位相要求，换算出基片8上各点的曝光强度，由各点的曝光强度确定空间光调制器上各像元的调制灰阶值以及时间细分数m；根据基片8上某一点的曝光强度和光学系统中的光束强度，确定了空间光调制器3上对应像元显示预定灰阶值的时间t₁＝0.015秒，而时间间隔ΔT＝0.005秒，故该像元的时间细分数m＝3；接着该像元显示0灰阶值的时间t₂＝(M-m)×ΔT＝(10-3)×0.005＝0.035秒。基片8上所有点均按同样方法处理。

(2).计算机9内的图形生成软件根据所需制作的微光学器件类型和光学系统的相关参数，自动生成系列图形，并经显示视频扩展输出口将该系列图形依次显示在空间光调制器3上；

(3).光源1发出的光经扩束准直器2后成为平行光束，射向分束器11，由分束器11反射后垂直射向空间光调制器3；

(4).空间光调制器3对光束进行强度调制和时间细分调制；

(5).由空间光调制器3反射的调制光束，经分束器11、傅里叶变换透镜4、空间滤波器5和物镜6后，精缩成像于基片8上，并对基片8上的光刻胶涂层进行曝光；

(6).移动二维精密位移平台7，并由计算机9控制同步切换空间光调制器3上的显示图形，以拼接的方式对整块基片8进行曝光；

(7).对基片8进行显影、清洗及坚膜等处理。

Claims (5)

1.一种微光学器件高速并行直写制作系统，其特征在于它包括按下列顺序在光轴线上依次排列的由光源发出的光垂直照射的电寻址空间光调制器、傅里叶变换透镜、空间滤波器、物镜和二维精密位移平台，还包括机内设有图形生成软件的计算机，空间滤波器置于傅里叶变换透镜的后焦面上，空间光调制器通过导线与计算机的显示视频扩展输出口连接。

2.根据权利要求1所述的微光学器件高速并行直写制作系统，其特征在于所述电寻址空间光调制器为透射型电寻址空间光调制器，在光轴线上于透射型电寻址空间光调制器前设有依次排列的光源和扩束准直器。

3.根据权利要求1所述的微光学器件高速并行直写制作系统，其特征在于所述电寻址空间光调制器为反射型电寻址空间光调制器，所述光轴线分为第一光轴线和第二光轴线，反射型电寻址空间光调制器、傅里叶变换透镜、空间滤波器、物镜和二维精密位移平台按以上顺序在第一光轴线上依次排列，在反射型电寻址空间光调制器和傅里叶变换透镜之间设有分束器，在第二光轴线上设有依次排列的光源和扩束准直器，第一光轴线和第二光轴线在分束器处垂直相交，分束器的法线与两光轴线的夹角均为45°。

4.根据权利要求1或2或3所述的微光学器件高速并行直写制作系统，其特征在于所述二维精密位移平台与所述计算机相连，或与另一台计算机相连。

5.根据权利要求1或2或3所述的微光学器件高速并行直写制作系统，其特征在于所述光源是紫外光源或是He-Cd激光器。

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