[發明專利]光學加工系統和方法

有效

• 申請號: 201210114482.4
• 申請日: 2012-04-18
• 公開（公告）號: CN102621824A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 胡進;浦東林;陳林森
• 申請（專利權）人: 蘇州大學;蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明屬于無掩膜光刻領域，尤其涉及一種光學加工系統和加工方法。

背景技術

無掩膜光刻，也稱為激光直寫，相比傳統的掩膜曝光光刻，更加靈活和便捷。尤其在大面積的精密圖形制作上，無掩膜光刻，相比掩膜光刻和其它模版拼接方法，在加工效率、尺寸精度和圖形均勻性等方面具有明顯優勢。而大面積的精密圖形制作是工業化生產的基礎。

無掩膜光刻目前已經廣泛應用于光學薄膜、半導體芯片光刻、MOEMS(微光機電系統)、印刷制版、光固化快速成型、基因芯片等諸多領域，并已逐漸成為高精度光學加工的重要技術手段。

無掩膜光刻系統主要分為兩類，一種是單點掃描式，另一種是多點并行式。

單點掃描式主要采用偏轉器件(如聲光偏轉器件AOD和掃描振鏡)使得光束偏轉，光束焦點在加工表面進行掃描，從而由點到線、由線到面，實現一定面積的光刻。

多點并行式主要由空間光調制器和投影光學系統組成。空間光調制器，也被稱為圖形發生器，用來顯示像素化的二維圖形，典型的顯示區域大小為1024×768像素，單個像素的尺寸在10微米上下。采用這種方式的光刻原理如下：光源投射到空間光調制器上，空間光調制器上的顯示圖形，經過投影光學系統按照一定的縮放倍率投射到工件表面上，從而實現一個視場的曝光。通過工件臺的二維移動，將曝光視場拼接起來，即可實現大幅面的光刻加工。

多點并行式在加工效率和靈活性上，大大優于單點掃描式，是目前無掩膜光刻的主流技術，也被稱為基于空間光調制器的無掩膜光刻技術。

基于空間光調制器的無掩膜光學加工系統，在具體控制方式上分為兩種：步進曝光式和飛行曝光式。

步進曝光方式下，數控平臺作二軸步進運動，對曝光視場進行二維拼接，是一種較為傳統的加工方式。

飛行曝光方式下，光源進行超短脈沖曝光，平臺步進軸(X軸)步進換行，平臺掃描軸(Y軸)逐行掃描。掃描軸的運動到達預定曝光位置，即時觸發曝光脈沖。在一行的加工過程中掃描軸連續運動無需停頓。由于曝光脈寬一般在幾十納秒至幾毫秒，在如此短的時間內，掃描軸的移動距離遠小于系統的光學分辨率，因此不會形成‘拖影’。飛行曝光加工方式加工速度很快，每秒可實現幾千到幾萬次曝光。飛行曝光加工方式沒有機械定位過程，曝光位置完全由電控系統觸發，因此定位精度很高，可達納米級。定位精度對于超精密的光學加工尤為重要。由以上分析可知，超短脈沖曝光是飛行曝光的實施基礎。

基于空間光調制器的無掩膜光學加工系統，既可以實現黑白二值光刻，也可以實現灰度光刻。灰度光刻在二元光學、衍射光學器件和微光機電系統等方面具有十分重要的應用。

所謂灰度光刻，是指光刻生成的圖形的除了具有平面內的二維形狀外，在高度方向，具有多級深度。一般情況下4級和8級灰度具有較好的效費比，更多等級的灰度往往實際意義不大。

現有灰度實現方法不能在單次短脈沖曝光下實現精密的灰度曝光圖形。

空間光調制器，作為無掩膜光學加工系統的核心器件，其直接顯示的圖形是黑白二值的，而灰度效果必須通過間接的方式近似實現。這些方法包括分時法、多幀疊加法和和網點疏密法等多種方法。這些方法都有著一定的局限性。

分時法基于時間分割原理。它控制一短時間內，各個像素點亮的時間不同，形成灰度。顯然這種灰度效果是時間累積的結果，因此采用分時法灰度光刻，曝光時間必須較長。其缺點是加工效率較低，另外較長時間的曝光也容易導致曝光圖形拖影，從而影響了圖形的分辨率和定位精度。

多幀疊加法是一種多次曝光疊加累積的結果，其單次曝光仍是進行黑白光刻，多次曝光后，‘黑’和‘白’數值的疊加形成多級灰度。其缺點是多次曝光導致加工效率下降，另外多次曝光之間的圖形對準也存在一定的誤差，從而影響了圖形的分辨率和定位精度。

網點疏密法，是通過控制一定區域內‘黑’和‘白’像素的比例不同，形成視覺上的灰度效果。例如，一個區域內的黑色像素的數目越多，密度越大，則顯得灰度數值越黑。該方法在圖像處理中被稱為‘dither’灰度抖動，其灰度等級和圖形尺寸都不精確，僅可用于印刷包裝領域，無法用于精密的光刻工藝。

有鑒于此，有必要提供一種應用于飛行曝光加工方式的無掩模灰度光刻。

發明內容

本發明提出了一種光學加工系統和方法，具體為一種應用于飛行曝光加工方式的無掩模灰度光刻。該光學加工系統和方法，加工效率和定位精度高。

為了實現上述目的，本申請實施例提供的技術方案如下：

一種光學加工系統，包括：