專利名稱：對(duì)光滑表面進(jìn)行微米結(jié)構(gòu)光刻蝕的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硬質(zhì)光滑表面的加工，尤其是采用激光刻蝕在光滑表面形成微米級(jí)光柵圖像的方法，以及實(shí)現(xiàn)這種方法的高速激光光刻蝕裝置。
背景技術(shù)：
為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能先進(jìn)激光加工技術(shù)勢(shì)在必行。作為激光加工的一個(gè)分支，激光微加工在過去十年被廣泛關(guān)注，作為微電子集成工藝中的單元微加工技術(shù)之一，現(xiàn)已形成固定模式并投入規(guī)?；a(chǎn)中。激光波長(zhǎng)從遠(yuǎn)紅外到X射線的很寬波段范圍，目前主要應(yīng)用于微電子、微機(jī)械和微光學(xué)加工三大領(lǐng)域。由于更加有效的激光源不斷涌現(xiàn)，比如具有非常高峰值功率和超短脈沖固體激光的出現(xiàn)，加上更為精確、高速的數(shù)控操作平臺(tái)，激光微加工尺寸可達(dá)幾個(gè)到幾百微米，激光脈沖的寬度在飛秒(fs)到納秒(ns)之間。
隨著激光微加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在微電子加工中，半導(dǎo)體層的穿孔、寄存器的剪切和電路修復(fù)都用到激光微加工技術(shù)，在激光圖像材料應(yīng)用領(lǐng)域，需要微米及亞微米結(jié)構(gòu)的大幅面衍射光柵組成的圖像。除此之外，能突顯其優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域還有精密光學(xué)儀器的制造、高密度信息的寫入存儲(chǔ)、生物細(xì)胞組織的醫(yī)療等。
目前，在激光加工領(lǐng)域中，較多地采用高功率密度、高光束質(zhì)量的二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSSL)，如Nd:YAG激光器(輸出波長(zhǎng)1060nm，重復(fù)脈沖頻率50kHz)，Nd:YFL激光器(輸出波長(zhǎng)1053nm，重復(fù)脈沖頻率15kHz)，這類激光器平均功率均可達(dá)50W，光束脈寬～20ns，經(jīng)過倍頻處理后，平均功率可達(dá)25W，主要進(jìn)行激光的刻劃、打孔、打標(biāo)等加工。
現(xiàn)有的激光加工方式是采用單光束激光聚焦形成加工光束，其光斑為多橫模結(jié)構(gòu)，通過高重復(fù)頻率的脈沖工作(～20kHz)方式，掃描時(shí)采用矢量化方式在同一加工位置上形成多次重復(fù)的激光脈沖加工。
這種加工方式存在的問題是(1)為了獲得高能量密度光點(diǎn)，主要靠單光束聚焦形成高能量密度，波長(zhǎng)1060nm、532nm脈沖激光在對(duì)材料(如金屬)表面加工時(shí)，材料對(duì)光的吸收率低，熱效應(yīng)非常明顯，在加工時(shí)通過在局部產(chǎn)生高溫來燒蝕材料，大量的光能被轉(zhuǎn)變成熱能，形成隕石坑效應(yīng)；由此，一般最小光點(diǎn)在30-50μm左右，不能聚焦成更細(xì)的光束，加工精度有限。
(2)為了得到高平均功率的激光輸出，采用的激光光束是多橫模光斑，光斑質(zhì)量差(M2＜10)，光束相干長(zhǎng)度極短，不能形成光束干涉、因此，多模激光束不能打出高質(zhì)量的微米級(jí)線條(條紋)。
(3)為了得到更深的加工效果，采用高重復(fù)頻率脈沖工作(～20kHz)方式，掃描時(shí)采用矢量化方式，在同一加工位置上(光點(diǎn)處)形成多次重復(fù)的激光脈沖加工。一般采用Nd:YAG，Nd:YOV4激光器，重復(fù)頻率可達(dá)50kHz，工作頻率可達(dá)5kHz～30kHz。這種加工方式，材料對(duì)首脈沖激光的吸收率低，但對(duì)后繼的脈沖的能量吸收增高，有利于進(jìn)行更深的加工。但是缺點(diǎn)是，容易形成隕石坑效應(yīng)。
我們知道，通常微米及亞微米精細(xì)結(jié)構(gòu)的制作均須采用光刻工藝，如采用集成電路制作中的光阻劑(photo-resist)進(jìn)行感光記錄。一方面，采用光刻工藝后，通常還要用金屬鑄模等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移加工，增加了工藝成本；另一方面，在許多工業(yè)應(yīng)用上，光刻工藝是不適合的。如果能夠在金屬表面直接加工出微米級(jí)光柵條紋，將在許多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合有重要作用，例如，微米級(jí)圖像金屬模具加工。事實(shí)上，如果能夠在材料的表面直接形成微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，是一件非常有意義的工作。
針對(duì)上述背景，發(fā)明人考慮將干涉型光學(xué)頭產(chǎn)生條紋光點(diǎn)的方式引入到激光微加工中，先將激光分束成兩束光，使兩束激光束有一定的夾角(如20度左右)，再將兩光束合束，聚焦在加工材料的表面，這樣，在加工材料表面，相交光場(chǎng)形成干涉條紋，條紋周期約1微米左右，當(dāng)光束能量超過材料損傷閾值時(shí)，在材料表面將形成微米級(jí)線條(光柵)的光蝕效應(yīng)。
但是，在進(jìn)行微米級(jí)光柵的光刻蝕時(shí)，遇到下列難點(diǎn)1、干涉光點(diǎn)的產(chǎn)生。為了保證兩束光能夠形成干涉效應(yīng)，需要提供滿足下述要求的激光束單橫模(TEM00)、光斑質(zhì)量M2＜1.1、線偏振(100∶1)、并且需要控制光束脈沖頻率，通過電流調(diào)整控制光束能量。目前用于激光微加工的激光束無法滿足上述要求。
2、光點(diǎn)內(nèi)光強(qiáng)的均勻性。一方面TEM00?？商岣吖獾母缮嫣匦?，但是，單橫模光束是高斯型的，中央光強(qiáng)高、邊緣光強(qiáng)低，在光點(diǎn)內(nèi)非常不利于獲得均勻光刻蝕。對(duì)于1微米周期的干涉條紋，線條的寬度僅僅0.5微米，加工時(shí)，需要的刻蝕深度在0.15-0.20微米之間，這樣，根據(jù)加工要求，光點(diǎn)內(nèi)的干涉條紋的光強(qiáng)分布必須非常均勻。
3、由于激光加工時(shí)的熱效應(yīng)，目前普遍采用的多脈沖連續(xù)的激光加工方式，會(huì)產(chǎn)生“隕石坑”效應(yīng)，無法適應(yīng)微米級(jí)光柵光刻蝕的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種能夠進(jìn)行微米級(jí)條紋的激光加工的方法，用于在工件的光滑表面上直接光蝕出微米級(jí)光柵圖像。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種采用上述方法的進(jìn)行光刻蝕的裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種對(duì)光滑表面進(jìn)行光刻蝕的方法，采用大功率激光器作為光源，將激光束準(zhǔn)直成平行光，經(jīng)過光闌及透鏡后，由分束元件產(chǎn)生分束光束，再會(huì)聚到材料表面，形成均勻干涉條紋光場(chǎng)，在光滑表面材料上進(jìn)行超過材料損傷閾值的光蝕實(shí)現(xiàn)圖像制作，所述光源采用紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器(DPSSL)的三倍頻或四倍頻，所述光闌為可調(diào)矩形光闌，所述干涉條紋光場(chǎng)位于材料表面的矩形光點(diǎn)內(nèi)，采用計(jì)算機(jī)輸出TTL信號(hào)控制激光脈沖的輸出，在同一位置進(jìn)行單次脈沖加工，控制激光器的功率，使得在干涉條紋的光強(qiáng)相長(zhǎng)處材料發(fā)生氣化，在材料表面形成條紋結(jié)構(gòu)。
上述技術(shù)方案中，對(duì)于反射型材料，控制激光器的功率，使得刻蝕深度h在0.1-0.25微米之間。
對(duì)于透射型材料，控制激光器的功率，使得刻蝕深度h在0.4-0.6微米之間。
一種對(duì)光滑表面進(jìn)行光刻蝕的裝置，包括干涉型光學(xué)頭、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，所述干涉型光學(xué)頭由光源、光束整形系統(tǒng)和干涉系統(tǒng)構(gòu)成，光源發(fā)出的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后由干涉系統(tǒng)進(jìn)行分光干涉，干涉型光學(xué)頭和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以作X、Y兩維相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述光源由紫外激光光源、準(zhǔn)直鏡組和接受TTL信號(hào)的電源組成，其中，紫外激光光源采用紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻或四倍頻，所述光束整形系統(tǒng)包括可調(diào)矩形光闌和透鏡組，所述干涉系統(tǒng)包括分束元件、成像透鏡組，所述控制系統(tǒng)中包括有TTL信號(hào)發(fā)生裝置。
上述技術(shù)方案中，所述的分束元件用于將激光分成兩束光，可以采用的方案包括所述的分束元件采用兩組直角棱鏡膠合而成，其中一面鍍半透半反多層介質(zhì)膜，采用兩個(gè)直角棱鏡作為全內(nèi)反射元件，形成平行光，經(jīng)過透鏡組成像，在記錄材料表面上形成干涉條紋。通過調(diào)整棱鏡間的距離，可以實(shí)現(xiàn)零光程差。同步調(diào)整棱鏡間的距離，可以改變透鏡聚焦后形成的干涉光的夾角，達(dá)到改變光點(diǎn)內(nèi)干涉條紋間距的目的。上述分束元件光能利用率在80％左右。
或者，所述的分束元件由位相光柵組構(gòu)成，光柵周期的變化范圍為1微米-10微米，基片為熔融石英，光柵槽形是矩形分布，槽型深度控制在λ/[2(n-1)])，λ為使用的紫外波長(zhǎng)，n是基片的光學(xué)折射率。這樣，±1級(jí)光總能量可達(dá)81％。
與通常的激光微加工采用單光束方式不同，本發(fā)明采用雙光束干涉方式，選用紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻或四倍頻作為光源，光束滿足產(chǎn)生干涉效應(yīng)的要求。
同時(shí)，采用在同一個(gè)位置僅進(jìn)行單次脈沖加工的方式，激光脈沖由計(jì)算機(jī)TTL信號(hào)控制，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)指令時(shí)，激光器發(fā)出脈沖激光束，保證不在同一位置形成兩次加工。一方面，單次脈沖加工將減少激光加工的熱效應(yīng)，避免“隕石坑”效應(yīng)。更主要的原因是，對(duì)于1微米周期的干涉條紋，線條的寬度僅僅0.5微米，如果在同一個(gè)位置采用多脈沖加工，由于環(huán)境的振動(dòng)遠(yuǎn)超過0.5微米范圍，任何多次脈沖時(shí)間內(nèi)的干涉條紋位置是不重復(fù)的，因此，任何多次連續(xù)脈沖的加工將不能保證干涉條紋不變或者對(duì)準(zhǔn)，如果在加工時(shí)，亮暗線條的位移剛好等于d/2，則在材料上完全不能形成條紋的加工。最終將會(huì)使干涉條紋的質(zhì)量嚴(yán)重下降或者平滑化。
通常的激光加工(打標(biāo)、刻劃、打孔)深度較深(＞0.1mm)。這樣的加工深度是不能進(jìn)行微米級(jí)干涉條紋加工的，過深的激光加工反而降低微米級(jí)條紋的衍射效果。本發(fā)明要求的微米級(jí)干涉條紋的刻蝕的實(shí)際深度控制在可見光波長(zhǎng)的四分之一左右，即0.1-0.25微米之間，加工表面應(yīng)該是光滑表面或者鏡面。因此，微米級(jí)激光加工既要實(shí)現(xiàn)材料表面的損傷、同時(shí)又要控制脈沖激光的能量密度，使得加工的深度符合上述要求。
單脈沖加工方式的優(yōu)點(diǎn)是熱效應(yīng)更低，有利于微米級(jí)條紋的加工。為了在最終生產(chǎn)的材料上得到最佳干涉條紋的衍射效率(亮度)，刻蝕深度h一般應(yīng)滿足，反射型材料h＝λ/4(，λ為使用光的波長(zhǎng))，一般h控制在0.1-0.25微米之間；透射型材料h＝λ/[2(n-1)])(n是材料的折射率)，一般h控制在0.5微米左右。相比于普通激光加工的深度，上述刻蝕的深度是很低的。
本發(fā)明中，采用由光束整形系統(tǒng)構(gòu)成的激光整形光路，獲得比較光強(qiáng)均勻的干涉光點(diǎn)，有利于高質(zhì)量的微米級(jí)條紋的加工。
“光柵圖像”是指由單元光柵構(gòu)成的圖像，如附圖1所示的光柵圖像的示意圖，相同取向和空頻的單元光柵排列成一個(gè)或多個(gè)正方形，整個(gè)圖像由多個(gè)該類正方形組合而成。當(dāng)改變觀察位置時(shí)，將可以觀察到方框線發(fā)生伸縮變化。
光束整形系統(tǒng)，通常可以由光闌、石英物鏡、反射鏡和石英成像透鏡組成，其中石英物鏡與成像透鏡組構(gòu)成4F系統(tǒng)，物鏡的焦距大于透鏡組的焦距，最終在工件表面上形成光闌的縮小像。
通過光束整型，光闌檔掉部分邊緣光束，工件表面的光點(diǎn)內(nèi)的光強(qiáng)比較均勻，有利于微米級(jí)干涉條紋的均勻光刻蝕。
微米級(jí)光柵激光光蝕系統(tǒng)通過激光干涉光學(xué)頭在平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)圖像刻蝕的，X方向是干涉光學(xué)頭，Y方向的運(yùn)動(dòng)可以是平臺(tái)或者是滾筒方式。也可采用高速振鏡和F-theta鏡，在一個(gè)有效面積內(nèi)通過光束掃描實(shí)現(xiàn)光柵圖像刻蝕，然后，通過X-Y兩維運(yùn)動(dòng)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)大面積光蝕的目的。
以在金屬鉻表面進(jìn)行光刻蝕為例，說明如下。鉻的特點(diǎn)是硬度高、耐磨損，容易加工成鏡面，但是，鉻的激光損傷閾值較高，需要的激光束的能力密度較高?？紤]到光路的能量損失以及光斑的調(diào)整，激光束(如脈沖寬度20ns或更低)在金屬材料表面的能量密度應(yīng)＞2J/cm2，一般地，激光器(351nm-355nm)的平均功率輸出＞3W@1kHz，以保證單次脈沖的加工效果。同時(shí)，紫外激光波長(zhǎng)加工的熱效應(yīng)小，有利于在吸收率較高的材料上實(shí)現(xiàn)微米級(jí)條紋的加工。
1、激光束的能量要求金屬鉻在355nm下的反射率理論上在20％左右，實(shí)際反射率為小于15％，因此，在Cr上直接光蝕加工的熱效應(yīng)是很低的。實(shí)驗(yàn)表明，激光束的能量達(dá)到＞0.5mJ時(shí)，脈沖寬度20ns，聚焦到160微米光點(diǎn)，可刻蝕Cr，這時(shí)，在材料Cd表面的能量密度約1.95J/cm2?？紤]到光路的能量損失以及光斑的調(diào)整，激光束(如脈沖寬度20ns或更低)在材料表面的能量密度應(yīng)＞2J/cm2。
2、運(yùn)行速度與激光脈沖寬度要求為支持高速光刻蝕脈沖寬度越快越好，如DPSSL的脈沖輸出約20ns，在單脈沖光刻蝕加工期間，以運(yùn)動(dòng)距離以小于1/8干涉條紋周期的作為條紋穩(wěn)定光刻蝕的判據(jù)，工件以小于6m/s速度運(yùn)行，則光蝕干涉條紋的衍射效率不受運(yùn)動(dòng)方式的影響。這樣，系統(tǒng)以逐行掃描的方式連續(xù)不停頓運(yùn)行，由計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行脈沖曝光，每次的刻蝕光點(diǎn)位置不重疊。控制脈沖的輸出頻率，可以控制光刻蝕干涉條紋光點(diǎn)之間的距離。
我們可以判斷一下上述方案能夠支持的加工速度。設(shè)干涉光點(diǎn)的條紋取向垂直于運(yùn)動(dòng)方向，激光脈沖寬度為p，光點(diǎn)與材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為v，理論上，光點(diǎn)內(nèi)干涉條紋是一組間距相等的亮暗線條，一個(gè)亮條紋和一個(gè)暗條紋組成一個(gè)條紋周期d，如果在加工時(shí)，亮暗線條的位移剛好等于d/2，則在材料上完全不能形成條紋的加工。一般地，干涉條紋位移應(yīng)滿足＜1/8周期的要求，這樣，v應(yīng)該為，v≤d/(8p)如果d＝1μm，p＝20ns，則v≤6.25m/s。由于在DPSSL中采用了Q調(diào)制開關(guān)和TTL接口，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出的TTL控制信號(hào)，控制激光器脈沖的輸出。這樣，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行、連續(xù)單脈沖輸入的光蝕控制方式，每個(gè)刻蝕點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)光脈沖，光點(diǎn)的尺寸s、脈沖頻率f和系統(tǒng)地運(yùn)行速度v相互匹配，光點(diǎn)之間不重疊，即滿足，f＝v/s以上述方式，我們來計(jì)算一下在不同分辨率、不同運(yùn)行速度下，系統(tǒng)光刻蝕直寫的光柵圖像的時(shí)間如光點(diǎn)尺寸為80μm(相當(dāng)于317dpi的圖像分辨率)，對(duì)于滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)(周長(zhǎng)610mm×800mm)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度0.5r/s，317dpi光脈沖頻率為3.8kHz，光刻蝕速度時(shí)間約5.6h。對(duì)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，考慮到干涉光學(xué)頭具有一定重量，采用直性電機(jī)(1inear motor)，其運(yùn)行速度可做到＞0.25m/s，這樣，光刻蝕直寫610mm×800mm面積的時(shí)間約7個(gè)小時(shí)，保證光嗲不重迭的脈沖頻率為3kHz。在上述頻率下工作，激光的脈沖能量不會(huì)有明顯下降。
3、機(jī)械精度要求垂直于干涉光束的振動(dòng)將導(dǎo)致兩光束的重疊區(qū)域下降。一般地，允許在干涉時(shí)兩個(gè)單光束點(diǎn)的不重疊部分不能大于30％，這樣，如分束元件在351nm下分束交角為20度，351nm紫外光允許機(jī)械振動(dòng)的幅度±34微米，類似地，263nm允許機(jī)械振動(dòng)幅度為±39微米。更短的紫外波長(zhǎng)更有利于支持系統(tǒng)的高速運(yùn)行。
對(duì)于在小幅面材料上光蝕，可采用固定干涉光學(xué)頭方案，對(duì)于在大幅面材料上光蝕，激光光源與干涉光學(xué)頭一起作為一維運(yùn)動(dòng)(X方向)、另一維平臺(tái)或者滾筒(Y方向)。如采用在滾筒方式，當(dāng)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，干涉光學(xué)頭沿著滾筒的軸向運(yùn)動(dòng)，如果滾筒表面鍍有薄膜層(金屬層)，當(dāng)干涉條紋的功率密度高于金屬表面的損傷閾值時(shí)，將在滾筒表面形成微米級(jí)的光柵結(jié)構(gòu)。如采用平臺(tái)結(jié)構(gòu)，各種平面工件置于平臺(tái)上，當(dāng)激光功率密度高于工件材料表面的損傷域值時(shí)，工件表面形成光柵結(jié)構(gòu)。
4、高能量閾值材料采用石英材料制成的干涉分光元件和透鏡有利于使用更大平均功率的激光束。
5、DPSSL的平均工作壽命＞10,000小時(shí)，具有很高的性能價(jià)格比。
6、DPSSL的能量輸出可調(diào)整，光蝕量是通過電流的大小來調(diào)節(jié)的，激光的脈沖寬度保持不變，有利于精密控制刻蝕量，同時(shí)不影響干涉條紋的質(zhì)量和系統(tǒng)的運(yùn)行速度。DPSSL光源的體積較小，系統(tǒng)采用光學(xué)頭與平臺(tái)移動(dòng)分離方式，降低了整個(gè)光刻蝕系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的面積，有利于高精度運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的制造。
從上述說明可知，DPSSL光蝕系統(tǒng)不僅可高速運(yùn)行，而且實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)結(jié)構(gòu)光柵圖像的制作。本發(fā)明提供了一種更好的、便捷的光柵圖像的制作方法，為激光微細(xì)加工領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明采用了紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器，能夠保證兩束光形成干涉效應(yīng)，并可以通過TTL信號(hào)控制光束脈沖頻率，通過電流調(diào)整控制光束能量，使得微米級(jí)的光刻蝕成為可能。
2.本發(fā)明通過光學(xué)整形系統(tǒng)的設(shè)置，特別是設(shè)置了可調(diào)的矩形光闌，使得光點(diǎn)內(nèi)的光強(qiáng)比較均勻，能夠滿足微米級(jí)加工的要求。
3.本發(fā)明通過控制系統(tǒng)對(duì)TTL信號(hào)的控制，保證了在同一位置只進(jìn)行一次光刻，從而避免了“隕石坑”效應(yīng)的產(chǎn)生。


附圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中通過光束整形后的矩形光點(diǎn)刻蝕的光柵圖像示意圖。
附圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中光蝕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例二中光蝕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4為本發(fā)明實(shí)施例一、例二中光刻蝕系統(tǒng)的運(yùn)行方式(點(diǎn)陣彩虹光柵)的示意圖；附圖5為本發(fā)明實(shí)施例一、例二中光刻蝕系統(tǒng)的改變條紋取向的運(yùn)行方式(光柱效果)的示意圖；附圖6為本發(fā)明實(shí)施例三中滾筒式光刻蝕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖7為本發(fā)明實(shí)施例七中采用振鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中[1]、帶TTL信號(hào)處理的激光光源；[2]、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡；[3]、可變光闌；[4]、石英透鏡；[5]、反射鏡；[6]、半透半反分束器；[7]、棱鏡反射鏡；[8]、石英透鏡組；[9]、高速轉(zhuǎn)臺(tái)；[10]、高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；[11]、記錄材料；[12]、工作平臺(tái)；[13]、包括TTL與功率控制的電源；[14]、[15]、高速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；[16]、計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件；[17]、石英透鏡；[18]、石英位相光柵；[19]、滾筒；[20]、高速振鏡；[21]、F-theta透鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一參見附圖2所示，一種光柵圖像的制作方法，將圖像分布轉(zhuǎn)換成脈沖控制信號(hào)，根據(jù)其中單元光柵的取向和空頻，同時(shí)進(jìn)行干涉光學(xué)頭、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、光柵高速旋轉(zhuǎn)和光脈沖輸入、逐行迂回在記錄材料上連續(xù)曝光，曝光時(shí)平臺(tái)、光學(xué)頭、分束元件無需暫停，直至完成整個(gè)圖像的制作。運(yùn)行方式參見附圖4。
實(shí)現(xiàn)上述方法的激光光刻直寫系統(tǒng)，包括由具有TTL信號(hào)接口的紫外光輸出的DPSSL激光光源1、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡2、可變光闌3、石英透鏡4(物鏡)、反射鏡5和石英透鏡組8共同組成4F系統(tǒng)，對(duì)矩形光闌在記錄材料11表面成一個(gè)縮小像。由于分束元件的位置與最終光點(diǎn)的形狀無關(guān)，所以，分束元件盡量靠近透鏡4，以使在半透半反分束器6上的光束比較大。分束后由兩棱鏡反射鏡7反射，經(jīng)成像透鏡組8，將分束后的平行光會(huì)聚在記錄材料11上。
上述由激光光源、分束元件、成像系統(tǒng)構(gòu)成的干涉型光學(xué)頭，裝配在水平運(yùn)動(dòng)(X方向)的高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)10上，記錄材料11放置在工作平臺(tái)12(Y方向運(yùn)動(dòng))上，還設(shè)有包括TTL與功率控制的電源13、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)14、15和計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件16。所述可變光闌可將光束變成矩形，所述分束元件(6、7構(gòu)成)放置在高速轉(zhuǎn)臺(tái)9上，高速轉(zhuǎn)臺(tái)9可以轉(zhuǎn)動(dòng)，所述記錄材料11放置在工作平臺(tái)12上并位于分束后成像系統(tǒng)的焦面上；本實(shí)施例中，相交光點(diǎn)大小可在5-160微米之間改變，相交光點(diǎn)的形狀可以是圓點(diǎn)、矩形，相交光夾角可以在10°至25°之間改變，記錄材料11是對(duì)紫外光有較強(qiáng)的吸收譜的金屬或聚合材料，調(diào)整光的輸出能量使得最終在材料上的光束能量密度高于材料的損傷閾值。
實(shí)施例二參見附圖3所示，一種用于制作光柵圖像的光蝕系統(tǒng)，包括由激光光源1、擴(kuò)束器與準(zhǔn)直鏡2、可變矩形光闌3、光束整形系統(tǒng)4，5，17(透鏡f1，f2與光闌構(gòu)成縮微功能的4F系統(tǒng))、分束系統(tǒng)(包括分束元件石英位相光柵18、成像透鏡組8、高速轉(zhuǎn)臺(tái)9)，上述由光源、光束整形系統(tǒng)、分束系統(tǒng)構(gòu)成的干涉型光學(xué)頭，裝配在水平運(yùn)動(dòng)(X方向)的系統(tǒng)10上，記錄材料11的放置在工作平臺(tái)12(Y方向運(yùn)動(dòng))以及包括TTL與功率控制的電源13、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)14、15和計(jì)算機(jī)16。
所述光源1可以是紫外輸出脈沖激光光源；所述的矩形光闌可以調(diào)節(jié)。所述分光元件放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)可以轉(zhuǎn)動(dòng)來選擇不同條紋周期的位相光柵，從而改變光的干涉角度；所述記錄材料11放置在工作平臺(tái)12上并位于干涉光束的焦面上；所述的光束整形系統(tǒng)包括可調(diào)矩形光闌3、透鏡4、反射鏡5和透鏡6，所述的分束干涉系統(tǒng)將位相光柵的衍射光會(huì)聚在記錄材料11上。本實(shí)施例中，相交光點(diǎn)尺寸20-160微米。
實(shí)施例三一種光柵圖像的制作方法，先將圖像按干涉條紋的取向分解成不同的子圖像，分別對(duì)各子圖像進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行曝光，在子圖像曝光期間，光學(xué)頭中的分束元件無需旋轉(zhuǎn)，僅在進(jìn)行子圖像切換時(shí)旋轉(zhuǎn)分束元件，這種制作方式避免了連續(xù)運(yùn)行期間大角度的旋轉(zhuǎn)，改進(jìn)了光刻蝕運(yùn)行的連續(xù)性和光柵圖像的制作質(zhì)量。參見附圖5。
本實(shí)施例的光刻蝕系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例四參見附圖6所示，一種用于制作光柵圖像的光蝕系統(tǒng)，包括由激光光源1、擴(kuò)束器與準(zhǔn)直鏡2、光束整形系統(tǒng)3、4，5，17(透鏡f1，f2與可變光闌構(gòu)成縮微功能的4F系統(tǒng))、分束成像系統(tǒng)組成的光路系統(tǒng)(包括分束元件18、成像透鏡組8、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9)，上述由光源、光束整形系統(tǒng)、分束成像系統(tǒng)構(gòu)成的干涉性光學(xué)頭，裝配在水平運(yùn)動(dòng)(X方向)的系統(tǒng)10上，滾筒19(Y方向運(yùn)動(dòng))以及包括TTL與功率控制的電源12、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)13計(jì)算機(jī)14。
所述光源1可以是紫外輸出脈沖激光光源；所述分光元件7放置在轉(zhuǎn)臺(tái)9上，轉(zhuǎn)臺(tái)9可以轉(zhuǎn)動(dòng)來選擇不同的位相光柵，從而改變光的干涉角度；所述滾筒19表面位于干涉性光學(xué)頭的焦面上；所述的光束整形系統(tǒng)包括光闌3、透鏡4、反射鏡5和透鏡6，所述的干涉性光學(xué)頭將衍射光會(huì)聚在滾筒19表面上。本實(shí)施例中，在相交光點(diǎn)大小約10-160微米。
本實(shí)施例的光刻蝕系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例二相同。
實(shí)施例五在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，將可變光闌開到最小，分束元件旋轉(zhuǎn)到空白處，激光束不分光，直接透過成像透鏡組，將記錄材料上的光點(diǎn)聚焦到1-5微米左右，提高脈沖激光的重復(fù)頻率，系統(tǒng)能進(jìn)行兩維矢量化圖形直寫，上述系統(tǒng)變成單光束的精密激光直寫系統(tǒng)，可進(jìn)行精密電路板、掩模版的光刻蝕。本實(shí)施例的光蝕系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一相同，石英透鏡f3采用更短焦距(高數(shù)值孔徑的顯微物鏡)。
實(shí)施例六一種改進(jìn)的光柵圖像的光蝕制作方法，在附圖3中的透鏡組8的中間插入高速振鏡，參見附圖7所示，高速振鏡的掃描速度可達(dá)1-7m/s，通過振鏡的掃描，在局部區(qū)域形成光柵刻蝕，刻蝕完成一個(gè)局部區(qū)域后，由平臺(tái)運(yùn)行到下一個(gè)局部區(qū)域，平臺(tái)的作用主要是將局部區(qū)域形成光柵圖像連接在一起，這樣，對(duì)于平臺(tái)的高速性能的要求大大降低，可以提高系統(tǒng)的性價(jià)比，減少系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。如果采用80微米的干涉光點(diǎn)，考慮到分束元件的轉(zhuǎn)動(dòng)所需的時(shí)間，實(shí)際光刻蝕610mm×800mm的光柵圖像的時(shí)間在3-12小時(shí)左右。
本實(shí)施例中，相交光點(diǎn)大小可在5-160微米之間改變，相交光點(diǎn)的形狀可以是圓點(diǎn)、矩形，相交光夾角可以在10°至20°之間改變，材料11可以是對(duì)近紫外有較強(qiáng)的吸收譜的金屬層或聚合材料。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)光滑表面進(jìn)行微米結(jié)構(gòu)光刻蝕的方法，采用大功率激光器作為光源，將激光束準(zhǔn)直成平行光，經(jīng)過光闌及透鏡后，由分束元件產(chǎn)生分束光束，再會(huì)聚到材料表面，形成均勻干涉條紋光場(chǎng)，在光滑表面材料上進(jìn)行超過材料損傷閾值的光蝕實(shí)現(xiàn)圖像制作，其特征在于所述光源采用紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻或四倍頻，所述光闌為可調(diào)矩形光闌，所述干涉條紋光場(chǎng)位于材料表面的矩形光點(diǎn)內(nèi)，采用計(jì)算機(jī)輸出TTL信號(hào)控制激光脈沖的輸出，在同一位置進(jìn)行單次脈沖加工，控制激光器的功率，使得在干涉條紋的光強(qiáng)相長(zhǎng)處材料發(fā)生氣化，在材料表面形成條紋結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻蝕的方法，其特征在于對(duì)于反射型材料，控制激光器的功率，使得刻蝕深度h在0.1-0.25微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光刻蝕的方法，其特征在于對(duì)于透射型材料，控制激光器的功率，使得刻蝕深度h在0.4-0.6微米之間。
4.一種對(duì)光滑表面進(jìn)行微米結(jié)構(gòu)光刻蝕的裝置，包括干涉型光學(xué)頭、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和控制系統(tǒng)，所述干涉型光學(xué)頭由光源、光束整形系統(tǒng)和干涉系統(tǒng)構(gòu)成，光源發(fā)出的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后由干涉系統(tǒng)進(jìn)行分光干涉，干涉型光學(xué)頭和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以作X、Y兩維相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其特征在于所述光源由紫外激光光源、準(zhǔn)直鏡組和接受TTL信號(hào)的電源組成，其中，紫外激光光源采用紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻或四倍頻，所述光束整形系統(tǒng)包括可調(diào)矩形光闌和透鏡組，所述干涉系統(tǒng)包括分束元件、成像透鏡組，所述控制系統(tǒng)中包括有TTL信號(hào)發(fā)生裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光刻蝕的裝置，其特征在于所述的分束元件采用兩組直角棱鏡膠合而成，其中一面鍍半透半反多層介質(zhì)膜，采用兩個(gè)直角棱鏡作為全內(nèi)反射元件，形成平行光，經(jīng)過透鏡組成像，在記錄材料表面上形成干涉條紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光刻蝕的裝置，其特征在于所述的分束元件由位相光柵組構(gòu)成，光柵周期的變化范圍為1微米-10微米，基片為熔融石英，光柵槽形是矩形分布，槽型深度控制在λ/[2(n-1)])，λ為使用的紫外波長(zhǎng)，n是基片的光學(xué)折射率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對(duì)光滑表面進(jìn)行光刻蝕的方法，采用大功率激光器作為光源，將激光束準(zhǔn)直成平行光，經(jīng)過光闌及透鏡后，由分束元件產(chǎn)生分束光束，再會(huì)聚到材料表面，形成均勻干涉條紋光場(chǎng)，在光滑表面材料上進(jìn)行超過材料損傷閾值的光蝕實(shí)現(xiàn)圖像制作，其特征在于所述光源采用紫外光輸出的大功率二極管泵浦的固態(tài)激光器的三倍頻或四倍頻，所述光闌為可調(diào)矩形光闌，在同一位置進(jìn)行單次脈沖加工，控制激光器的功率，使得在干涉條紋的光強(qiáng)相長(zhǎng)處材料發(fā)生氣化，在材料表面形成條紋結(jié)構(gòu)。并以此制作方法實(shí)現(xiàn)微米級(jí)條紋高速激光光蝕系統(tǒng)，從而使得激光微米級(jí)光柵圖像的加工進(jìn)入真正意義上的工業(yè)化應(yīng)用階段，是一種微米級(jí)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造技術(shù)。
文檔編號(hào)H01L21/027GK1821883SQ20061003779
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者陳林森, 魏國(guó)軍, 周小紅, 解正東, 浦東林, 吳建宏, 解劍鋒, 沈雁, 汪振華 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格數(shù)碼光學(xué)有限公司