高速旋轉(zhuǎn)激光直寫任意圖形的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光直寫，特別是一種高速旋轉(zhuǎn)激光直寫任意圖形的方法，主要適用于微納加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]激光直寫是一種先進(jìn)的微納加工技術(shù)，具有無(wú)需掩模、成本低、加工周期短、使用靈活、環(huán)境要求低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在二元光學(xué)、集成光學(xué)(DOEs)、微流控等器件的生產(chǎn)加工方面獲得廣泛應(yīng)用，是一種具有廣闊發(fā)展前景的實(shí)用技術(shù)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，激光直寫系統(tǒng)可分直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系兩種。直角坐標(biāo)系直寫系統(tǒng)適合于加工直角正交型器件(如半導(dǎo)體芯片)，但在加工具有圓形圖案分布的微納器件的具有很大劣勢(shì)，只能采取逐塊拼接的方式，精度難以得到保證；極坐標(biāo)系直寫系統(tǒng)在加工圓形微納元件(比如圓形光柵、菲涅爾透鏡)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需拼接，可在位移臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)中無(wú)縫連貫地完成大幅面圖案的刻寫，因而對(duì)于此類應(yīng)用極具應(yīng)用潛力。
[0003]先前技術(shù)中，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用全數(shù)字化轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了極坐標(biāo)圖形刻寫(梁宜勇，全數(shù)字化激光直寫轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，光電工程，2004年第31卷第5期)，由于其圖形發(fā)生單元僅能在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的特定位置發(fā)出激光強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)，所以只能刻寫簡(jiǎn)單的弧線或螺旋線，無(wú)法刻寫具有任意分布的圖形，應(yīng)用范圍具有很大的局限性。俄羅斯科學(xué)院研發(fā)的CLWS-300C型極坐標(biāo)激光直寫光刻系統(tǒng)(Alexander G.Poleshchuk等，Polarcoordinate laser pattern generator for fabricat1n of diffractive opticalelements with arbitrary structure,Applied Optics, 10 March 1999，Vol.38，N0.8),在轉(zhuǎn)臺(tái)外圈裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出增量脈沖信號(hào)，該信號(hào)被送入圖形發(fā)生卡，用于同步轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和激光調(diào)制脈沖信號(hào)的輸出，用此方法可以刻寫出具有任意分布的圖形，但仍然具有較大的局限性:此方法僅能在旋轉(zhuǎn)編碼器整數(shù)倍細(xì)分時(shí)刻發(fā)出激光脈沖調(diào)制信號(hào)，這樣導(dǎo)致刻寫點(diǎn)的位置也只能分布在這些特定角度，而在從內(nèi)圈到外圈刻寫樣片的過程中，回轉(zhuǎn)半徑大幅變化，如此一來(lái)，內(nèi)圈和外圈的刻寫點(diǎn)之間的線間距無(wú)法完全相同，因而并不能刻寫真正意義上的任意分布圖形。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種極坐標(biāo)激光直寫系統(tǒng)的任意圖形直寫方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0006]一種高速旋轉(zhuǎn)激光直寫任意圖形的方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟:
[0007]I)構(gòu)建極坐標(biāo)激光直寫系統(tǒng):
[0008]該系統(tǒng)包括可調(diào)制激光光源模塊、光譜分光鏡、離焦檢測(cè)模塊、可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊、待刻寫樣片，旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)和總控制器。所述的可調(diào)制激光光源模塊和離焦檢測(cè)模塊分別位于光譜分光鏡的兩側(cè)，所述的可調(diào)制激光光源模塊和離焦檢測(cè)模塊出射光束的光軸與所述的光譜分光鏡平面夾角均為45°，所述可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊由調(diào)焦微動(dòng)臺(tái)和會(huì)聚物鏡組成，調(diào)焦微動(dòng)臺(tái)可驅(qū)動(dòng)會(huì)聚物鏡沿光軸方向微動(dòng)而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)焦。所述旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)由旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、平移臺(tái)和底座四部分組成。所述待刻寫樣片置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、平移臺(tái)、底座依次上下分布，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的外側(cè)，并與其同軸，所述底座固定不動(dòng)。所述的平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)和待刻寫樣片在水平面內(nèi)沿單方向作高精度直線運(yùn)動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)臺(tái)沿豎直軸作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所述的可調(diào)制激光光源模塊出射的激光透過光譜分光鏡后被可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊聚焦在待刻寫樣片表面并對(duì)其進(jìn)行刻寫，旋轉(zhuǎn)編碼器用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前的具體角度。所述總控制器與可調(diào)制激光光源模塊、離焦檢測(cè)模塊、可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊、旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)的控制端相連；
[0009]2)將待刻寫圖形分解為極坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在總控制器中:
[0010]首先構(gòu)建一極坐標(biāo)系，并在該極坐標(biāo)系中規(guī)劃一條螺旋線，該螺旋線是激光直寫系統(tǒng)的激光光點(diǎn)的相對(duì)于待刻寫樣片的運(yùn)行軌跡，其相鄰兩圈之間的徑向間隔為Ar ;將待刻寫的圖形置于所述的坐標(biāo)系內(nèi)，并沿著螺旋線從內(nèi)圈到外圈的方向，依次等線間距地記錄待刻寫圖形上每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的激光強(qiáng)度？1<、角度ΘΝ和徑向偏移rN數(shù)據(jù)，生成一個(gè)由激光強(qiáng)度Pn、角度θ N、徑向偏移1^組成的描述待刻寫圖形的數(shù)組，將該數(shù)組存儲(chǔ)于總控制器中；
[0011]3)實(shí)際刻寫:
[0012]首先將待刻寫樣片置于所述的旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并將旋轉(zhuǎn)臺(tái)和平移臺(tái)分別移動(dòng)至各自的零位，平移臺(tái)的零位位于旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線與平移臺(tái)的交叉點(diǎn)處，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的零位位于旋轉(zhuǎn)編碼器的零位處，所述的總控制器通過讀取離焦檢測(cè)模塊的信號(hào)，控制調(diào)焦微動(dòng)臺(tái)的伸縮，使待刻寫樣片處于可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊的焦深范圍以內(nèi)；所述的總控制器控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并同時(shí)控制平移臺(tái)徑向勻速移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度與平移臺(tái)的移動(dòng)速度保持確定比例，旋轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)I圈，平移臺(tái)移動(dòng)距離△!■，這樣所述的激光直寫系統(tǒng)輸出的激光光點(diǎn)將沿步驟2)所確定的螺旋線運(yùn)動(dòng)；所述的總控制器將步驟2)生成的刻寫圖形數(shù)據(jù)依次逐個(gè)以電脈沖的方式向激光光源模塊發(fā)出，每個(gè)電脈沖的時(shí)間寬度相同，但幅度發(fā)生變化，幅度具體數(shù)值為PN，同時(shí)總控制器根據(jù)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)相鄰兩個(gè)電脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)無(wú)累積誤差的高精度任意圖形刻寫；
[0013]相鄰兩個(gè)電脈沖之間的時(shí)間間隔具體調(diào)整方法如下:
[0014]在某一時(shí)刻,總控制器向可調(diào)制激光光源模塊發(fā)出第N個(gè)電脈沖,在待刻寫樣片上刻寫第N個(gè)點(diǎn)，根據(jù)步驟2的計(jì)算結(jié)果，第N個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的理想角度為θ N，而此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)6的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的實(shí)時(shí)角度為9\，將Θ#Ρ θ’ N的差值作為PID反饋控制算法的輸入，將第N個(gè)和第N+1個(gè)電脈沖之間的時(shí)間差作為PID算法的輸出，動(dòng)態(tài)地調(diào)整電脈沖之間的時(shí)間間隔，使9,和Θ’，之間的差別僅在0附近細(xì)微波動(dòng)，這樣每個(gè)刻寫點(diǎn)的位置與預(yù)先設(shè)計(jì)的理想位置僅有細(xì)微偏差，使得最終能刻寫出一副與設(shè)計(jì)相一致的微納圖形，而不會(huì)出現(xiàn)圖形錯(cuò)亂的問題。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0016]采用本發(fā)明方法，由于刻寫的圖形數(shù)據(jù)內(nèi)容完全獨(dú)立于刻寫過程，所以本發(fā)明不僅可以刻寫中心對(duì)稱的圖形，而且可以刻寫非中心對(duì)稱的任意圖形，而且不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間誤差的累計(jì)導(dǎo)致刻寫圖形錯(cuò)亂，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)以高達(dá)50轉(zhuǎn)/秒的速度旋轉(zhuǎn)過程中，刻寫數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置誤差可做到不超過lOOnm，這為高速高精度加工任意圖形提供了一個(gè)強(qiáng)有力的加工手段，因此在微納器件制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明極坐標(biāo)直寫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0018]圖2為本發(fā)明極坐標(biāo)直寫系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)和平移臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖3為待刻寫圖形數(shù)據(jù)分解為極坐標(biāo)形式的方法示意圖，PN、PN+1依次為螺旋線上待刻寫的第N、N+1個(gè)點(diǎn)。
[0020]圖4為本發(fā)明所述任意圖形對(duì)齊方法的原理圖
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022]本發(fā)明高速旋轉(zhuǎn)激光直寫任意圖形的方法，該方法包括下列步驟:
[0023]I)構(gòu)建極坐標(biāo)激光直寫系統(tǒng):
[0024]該系統(tǒng)包括可調(diào)制激光光源模塊1、光譜分光鏡2、離焦檢測(cè)模塊3、可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊4、待刻寫樣片5，旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)6和總控制器7，所述的可調(diào)制激光光源模塊I和離焦檢測(cè)模塊3分別位于光譜分光鏡2的兩側(cè)，所述的可調(diào)制激光光源模塊I和離焦檢測(cè)模塊3出射光束的光軸與所述的光譜分光鏡平面夾角均為45°，所述可調(diào)焦會(huì)聚物鏡模塊4由調(diào)焦微動(dòng)臺(tái)4-1和會(huì)聚物鏡4-2組成，調(diào)焦微動(dòng)臺(tái)4-1可驅(qū)動(dòng)會(huì)聚物鏡4-2沿光軸方向微動(dòng)而實(shí)現(xiàn)精確調(diào)焦。所述旋轉(zhuǎn)平移臺(tái)6由旋轉(zhuǎn)編碼器6-1、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)6-2、平移臺(tái)6