[发明专利]光学加工系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于无掩膜光刻领域，尤其涉及一种光学加工系统和加工方法。

背景技术

无掩膜光刻，也称为激光直写，相比传统的掩膜曝光光刻，更加灵活和便捷。尤其在大面积的精密图形制作上，无掩膜光刻，相比掩膜光刻和其它模版拼接方法，在加工效率、尺寸精度和图形均匀性等方面具有明显优势。而大面积的精密图形制作是工业化生产的基础。

无掩膜光刻目前已经广泛应用于光学薄膜、半导体芯片光刻、MOEMS(微光机电系统)、印刷制版、光固化快速成型、基因芯片等诸多领域，并已逐渐成为高精度光学加工的重要技术手段。

无掩膜光刻系统主要分为两类，一种是单点扫描式，另一种是多点并行式。

单点扫描式主要采用偏转器件(如声光偏转器件AOD和扫描振镜)使得光束偏转，光束焦点在加工表面进行扫描，从而由点到线、由线到面，实现一定面积的光刻。

多点并行式主要由空间光调制器和投影光学系统组成。空间光调制器，也被称为图形发生器，用来显示像素化的二维图形，典型的显示区域大小为1024×768像素，单个像素的尺寸在10微米上下。采用这种方式的光刻原理如下：光源投射到空间光调制器上，空间光调制器上的显示图形，经过投影光学系统按照一定的缩放倍率投射到工件表面上，从而实现一个视场的曝光。通过工件台的二维移动，将曝光视场拼接起来，即可实现大幅面的光刻加工。

多点并行式在加工效率和灵活性上，大大优于单点扫描式，是目前无掩膜光刻的主流技术，也被称为基于空间光调制器的无掩膜光刻技术。

基于空间光调制器的无掩膜光学加工系统，在具体控制方式上分为两种：步进曝光式和飞行曝光式。

步进曝光方式下，数控平台作二轴步进运动，对曝光视场进行二维拼接，是一种较为传统的加工方式。

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’。飞行曝光加工方式加工速度很快，每秒可实现几千到几万次曝光。飞行曝光加工方式没有机械定位过程，曝光位置完全由电控系统触发，因此定位精度很高，可达纳米级。定位精度对于超精密的光学加工尤为重要。由以上分析可知，超短脉冲曝光是飞行曝光的实施基础。

基于空间光调制器的无掩膜光学加工系统，既可以实现黑白二值光刻，也可以实现灰度光刻。灰度光刻在二元光学、衍射光学器件和微光机电系统等方面具有十分重要的应用。

所谓灰度光刻，是指光刻生成的图形的除了具有平面内的二维形状外，在高度方向，具有多级深度。一般情况下4级和8级灰度具有较好的效费比，更多等级的灰度往往实际意义不大。

现有灰度实现方法不能在单次短脉冲曝光下实现精密的灰度曝光图形。

空间光调制器，作为无掩膜光学加工系统的核心器件，其直接显示的图形是黑白二值的，而灰度效果必须通过间接的方式近似实现。这些方法包括分时法、多帧叠加法和和网点疏密法等多种方法。这些方法都有着一定的局限性。

分时法基于时间分割原理。它控制一短时间内，各个像素点亮的时间不同，形成灰度。显然这种灰度效果是时间累积的结果，因此采用分时法灰度光刻，曝光时间必须较长。其缺点是加工效率较低，另外较长时间的曝光也容易导致曝光图形拖影，从而影响了图形的分辨率和定位精度。

多帧叠加法是一种多次曝光叠加累积的结果，其单次曝光仍是进行黑白光刻，多次曝光后，‘黑’和‘白’数值的叠加形成多级灰度。其缺点是多次曝光导致加工效率下降，另外多次曝光之间的图形对准也存在一定的误差，从而影响了图形的分辨率和定位精度。

网点疏密法，是通过控制一定区域内‘黑’和‘白’像素的比例不同，形成视觉上的灰度效果。例如，一个区域内的黑色像素的数目越多，密度越大，则显得灰度数值越黑。该方法在图像处理中被称为‘dither’灰度抖动，其灰度等级和图形尺寸都不精确，仅可用于印刷包装领域，无法用于精密的光刻工艺。

有鉴于此，有必要提供一种应用于飞行曝光加工方式的无掩模灰度光刻。

发明内容

本发明提出了一种光学加工系统和方法，具体为一种应用于飞行曝光加工方式的无掩模灰度光刻。该光学加工系统和方法，加工效率和定位精度高。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种光学加工系统，包括：