一种步进式光学加工系统和加工方法技术方案

一种步进式光学加工系统和光学加工方法，该系统包括加工平台、光学头、中央控制系统和位置补偿系统，其中位置补偿系统包括空间光调制器、位置检测系统和图形控制器，所述空间光调制器具有位置补偿区，该空间光调制器上显示的加工图形可以在该位置补偿区中偏移，通过加工图形的偏移来补偿由机械运动产生的位置误差，提高了加工的精度和效率。本发明专利技术还提供了一种使用上述光学加工系统的光学加工方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及步进式 光学加工系统和加工方法，尤其是一种具有位置补偿功能的步进式光学加工系统和加工方法。
技术介绍
无掩膜光学加工，也被称为激光直写。传统的无掩膜加工方式，通常具体采用单点扫描的形式，与掩膜加工方式相比，其图形处理的灵活性得以提高，但是加工速度明显降低。随着20世纪80年代末半导体技术的长足发展，特别是微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)领域的突飞猛进，出现了高效的空间光调制器件(Spatial Light Modulator，SLM)。这些器件具有光学传输效率高、图形处理能力强、 易于与数字化系统集成的特点。目前，高性能空间光调制器的代表有美国德州仪器公司的 DMD 和美国 Three-Five Systems 公司的 LCOS。基于空间光调制器的无掩膜光学加工方式，单次曝光即可实现高分辨率大面积的任意二维图形曝光，相比传统的单点扫描方式，加工速度大幅提高，图形处理能力大大增强。相应的基于空间光调制器的无掩膜光学加工系统，目前已经广泛应用于光刻加工、印刷制版、光固化快速成型、基因芯片原位合成等诸多领域，并已逐渐成为高速高精度光学加工的主流技术。具体加工方式上，基于空间光调制器的无掩膜光学加工系统的控制方式分为两种。高端场合采用飞行曝光方式。中低端场合采用步进曝光方式。飞行曝光方式下，光源进行超短脉冲曝光，平台连续运动无需停顿。曝光脉宽一般在几十纳秒至几毫秒，在如此短的时间内，平台移动的距离远小于系统的光学分辨率，不会形成‘拖影’。该方式加工速度极快，位置精度很高，图形均勻性好。采用该方式必须具有以下三个要素1、大功率短脉冲光源。功率必须足够大，才能在极短的曝光时间内，进行足够剂量的曝光2、高速图形发生和高速数据传输系统3、平台运动位置、DMD图形刷新与超短激光脉冲的三者高速精确同步由此导致系统成本高，技术难度大，从而限制了该方式的应用。而且在高分辨率、 厚胶光刻等应用场合，飞行曝光方式往往难以开展。相比之下，步进曝光方式，对激光光源和系统控制的要求较低，具有较高的性价比。但是该方式也存在一些缺点，比如加工精度差和加工效率低，其主要原因如下一、由于机械平台的惯性，高速的步进运动难以获得。从控制理论的角度出发，固然可以通过减轻平台的质量、加大电机的功率和提高传动系统的刚性等手段，来提高运动系统的动态性能，从而获得更快的步进运动速度。但是，高刚性情况下平台起停时往往产生震颤，使得传动系统受损，还很容易出现控制系统开环飞车的事故，另外实际情况下，考虑到成本因素、设计和制造的能力以及前后道工艺配套的硬性要求，上述手段只能有限地实施。二、步进运动必须保证足够的平顺性，这一点限制了步进运动速度的提高。步进运动的起停冲击直接导致机械震动，由此导致曝光 图形拖影，这对高精度的光刻加工十分不利，而且单点曝光时间越长、成像分辨率越高，机械震动对光刻精度的影响越严重。三、静摩擦是步进运动伺服控制的难点。高精度、微步距的步进定位时间很长，而且不可控。步进运动的伺服控制远比勻速直线运动困难。每一次步进运动都要涉及启动、勻速和停止三个运动段。在停止段之后，曝光之前，通常还要等待一段所谓的“静台时间”，以使得平台的振动幅度慢慢衰减至很低的水平。伺服控制上，通常所说的定位时间(settling time)等于上述的四个时间段之和，定位时间越小，工作频率越高。上述启动和停止段的运动控制都要受到平台静摩擦的影响。目前，在一些高精度光刻装置中，普遍配备了位置补偿装置，通过微移动或微转动来克服步进式机械运动带来的位置误差。但是这些位置补偿装置本身也是基于机械运动的工作方式，始终没有办法消除机械惯性以及静摩擦带来的误差。因此寻找一种可以杜绝由机械惯性带来的机械误差的对位方法成为大家研究的一个重要课题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了。该系统通过移动空间光调制器上的图形位置，以电子补偿的方式取代机械补偿，从而杜绝了在位置补偿过程中产生的机械误差。根据本专利技术的一个目的提供的一种步进式光学加工系统，包括加工平台、光学头、 中央控制系统和位置补偿系统，其中所述位置补偿系统包括位置检测系统，用于检测光学头与加工平台的相对位置；空间光调制器，用于产生一加工图形，该加工图形经光学头缩放后，在一位于加工平台上的待加工物表面的预定曝光区曝光，该空间光调制器具有位置补偿区，位于上述加工图形的四周，且该加工图形能动的产生于该位置补偿区中；以及图形控制器，控制该加工图形在该空间光调制器的该位置补偿区中的产生位置，其中当该位置检测系统检测到光学头和加工平台之间的相对位置产生一位置误差时，该图形控制器控制该空间光调制器，使该加工图形在该位置补偿区中产生一位置偏移，该位置偏移满足该加工图形经光学头缩放后，达到预定曝光区。较佳地，所述图形控制器为一图形处理单元，集成于所述中央控制系统中，该图形处理单元通过软件计算，得到加工图形补偿该位置误差所需的位置偏移量，并向空间光调制器传输一处理后的图像信号，其处理周期为16ms。较佳地，所述图形控制器为一空间光调制器控制板卡，独立于所述中央控制系统， 该空间光调制器控制板卡实时读取由位置检测系统检测到的光学头和加工平台之间的位置误差，计算加工图形补偿该误差所需的位置偏移量，并且实时地对空间光调制器的高速缓存中的原始图像数据进行相应的移位操作，其处理周期为1ms。进一步地，所述空间光调制器为数字微镜元件、液晶显示器件或硅基液晶器件中的一种。较佳地，所述位置检测系统包括光 栅尺和光栅读数头，所述光栅尺包括X轴光栅尺和Y轴光栅尺，所述光栅读数头读取光学头或加工平台位于该光标尺的X轴坐标和Y轴坐标，并向图形控制器发送一位置信号。根据本专利技术的另一目的提供的一种步进式光学加工方法，使用上述的步进式光学加工系统，包括步骤(1)、设定加工参数，包括加工图形尺寸、光学头缩放系数、曝光频率、步进距离；(2)、对待加工物表面的第一预定曝光区进行曝光；(3)、中央控制系统根据步骤(1)中的加工参数，机械移动光学头或加工平台，使光学头来到待加工物表面的第二预定曝光区上方；(4)、位置检测系统检测此次机械移动产生的位置误差，并向图形控制器提供一位置信号；(5)、图形位置器根据上述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并向空间光调制器输出一图形信号；(6)、空间光调制器根据图形信号，刷新加工图形在位置补偿区的位置，使得该加工图形经光学头缩放后，在第二预定曝光区曝光；(7)、重复上述步骤3至6，直至对整个待加工物表面曝光完毕。可选的，所述图形控制器向空间光调制器输出的图形信号是基于软件处理的方式形成的。可选的，所述图形控制器向空间光调制器输出的图形信号是基于硬件处理的方式形成的。与现有技术相比，本专利技术具有如下的技术特点第一该加工系统采用调整空间光调制器中的图形位置来达到补偿由机械移动产生的位置误差，由于整个补偿过程不发生第二次机械运动，所以避免产生进一步的机械位移误差，从而大大提高了加工精度。第二 由于电子补偿方式的运算速度快，所以相比现有的机械补偿方法，大大提高了生产效率。下面结合附图以具体实施例对本专利技术做详细说明。 附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种步进式光学加工系统，其特征在于：包括加工平台、光学头、中央控制系统和位置补偿系统，所述位置补偿系统包括：位置检测系统，用于检测光学头与加工平台的相对位置；空间光调制器，用于产生一加工图形，该加工图形经光学头缩放后，在一位于加工平台上的待加工物表面的预定曝光区曝光，该空间光调制器具有位置补偿区，位于上述加工图形的四周，且该加工图形能动的产生于该位置补偿区中；以及图形控制器，控制该加工图形在该空间光调制器的该位置补偿区中的产生位置，当该位置检测系统检测到光学头和加工平台之间的相对位置产生一位置误差时，该图形控制器控制该空间光调制器，使该加工图形在该位置补偿区中产生一位置偏移，该位置偏移满足该加工图形经光学头缩放后，达到预定曝光区。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡进，浦东林，魏国军，朱鹏飞，陈林森，
申请(专利权)人：苏州大学，苏州苏大维格光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：32