[发明专利]一种步进式光学加工系统和加工方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，图形均匀性好。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匀速直线运动困难。每一次步进运动都要涉及启动、匀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。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种步进式光学加工系统和加工方法。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。