[发明专利]光学加工系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种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光学加工系统和加工方法。

背景技术

模版投影光学加工系统，是一种通过投影光路，将光学模版投射到加工表面的一定区域上进行曝光的系统。

光学模版是指具有特定光学图形或者特定光学结构的光学元器件。可以是透射式和反射式光学器件(如制作好图形的铬版掩膜)，衍射光学器件(如透射光栅、位相板等二元光学器件)，折射器件(如微透镜阵列、分光棱镜)，还可以是显示任意图形的空间光调制器，以及它们的组合搭配。

投影光路是对光学模版的光学图形结构的进行放大、缩微、或是分光干涉等光学处理的光学系统。

模版投影光学加工系统，结构简单可靠、制造成本低、生产效率高，在各种领域被广泛应用，包括半导体光刻、光学全息、三维显示、防伪包装材料、印刷制版、光固化成型、激光蚀刻、LED图形化衬底以及光子晶体结构制作等。近年来，随着微光学器件制作技术的发展，高频位相光栅和微透镜阵列等新型光学模版和投影光路的应用，使得模版投影光学加工系统，具有高图形分辨率、高光能利用率和长聚焦深度，具有优异的光学加工能力。

典型的模版投影光学加工系统的为X-Y二维加工系统，采用步进加工方式。其光学模版的轮廓为矩形，经过光学镜组微缩投影到加工表面的曝光区域也是矩形。工件相对投影光学头作X-Y两轴步进移动，通过对矩形曝光区域的二维拼接，最终实现大面积的加工。其典型代表是用于半导体光刻工艺的步进式掩膜投影曝光机(Step-and-Repeat Exposure System)。

在上述二维加工系统的构架基础上，增加第三维运动，即为模版投影三维光学加工系统。增加的第三维运动，可以是光学投影镜头相对加工表面的Z向升降，也可以是光学模版相对光学系统的平移或旋转等等。相对二维加工系统，三维加工系统的灵活性和图形复杂性大幅增强。

图1为典型的模版投影三维光学加工系统的原理图。其中光学模版101为一维光栅，其加工生成的图形102称为光变图像(Optical Variable Graph)，具有二维区块分布和区块内的光栅角度共三个维度的信息。光变图像是光学全息和立体显示的基础，广泛应用于全息防伪印刷包装等领域。

在具体的运动控制方式上，在随着光电和控制技术的发展，对于模版投影二维光学加工系统出现了更为先进的加工方式一飞行曝光方式。相对步进曝光方式，飞行曝光方式加工速度和位置精度大幅提升，图形均匀性也更好。同时，控制系统成本更高，技术难度更大。

飞行曝光方式下，光源进行超短脉冲曝光，平台步进轴(X轴)步进换行，平台扫描轴(Y轴)逐行扫描。扫描轴的运动到达预定曝光位置，即时触发曝光脉冲。在一行的加工过程中扫描轴连续运动无需停顿。

由于曝光脉宽一般在几十纳秒至几毫秒，在如此短的时间内，扫描轴的移动距离远小于系统的光学分辨率，因此不会形成‘拖影’。同时，飞行曝光没有机械定位过程，曝光位置完全由电控系统触发，因此加工精度极高。

采用飞行曝光方式必须具有以下两个要素：

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，进行足够能量的曝光。曝光时间必须足够短，才能避免‘拖影’。

2、位置信号处理模块。由扫描轴的位置精确触发曝光脉冲。

虽然飞行曝光加工方式有上述诸多优点，但是通常只适合应用于一维和二维加工系统，对于三维及以上加工系统可以实施但是成效不大，因为在三维系统中，一般最多只能有一个扫描轴，加工效率有限。具体原因分析如下。

飞行曝光方式的核心内容是扫描轴电控触发曝光。即选择某个运动轴作为扫描轴，扫描轴通常作逐行匀速扫描。每一行上有多个预定曝光点(具体位置取决于加工图形)，当电控系统检测到扫描轴到达这些预定曝光点位置时，触发一系列的脉冲电平，进而触发脉冲光源曝光。

显然，用扫描运动替代步进运动可以大幅提高加工效率和精度。因此，在一个多维加工系统中，步进轴的数目越少越好，扫描轴的数目越多越好。实际情况是，通常扫描轴只能有一个。原因是两个及以上的扫描轴很难实现运动轴位置的同步。举例分析如下：

以两轴X-Y为例，假如需要对四个点(0，3)、(1，5)、(2，4)和(3，6)的进行曝光，当X轴扫描经过0-1-2-3时，很难保证Y轴扫描也依次同步经过3-5-4-6。而且可以看到Y轴的扫描不是单向的，而是存在多次折返，显然这进一步加大了运动控制的难度。三个以上的扫描轴，显然更难同步。