高精度微光學器件激光直寫光刻系統研究

摘 要：設計一套高精度激光直寫光刻系統，它采用帶 17位增量式編碼器的松下MINAS A系列交流伺服馬達，同時還采用基于高精密滾珠絲桿和超精密線性滑軌導向的x-y運動平臺，可以實現約30 nm的運動控制靈敏度。針對該系統開發一套基于ISA總線的三維運動控制卡。實驗表明該激光直寫光刻系統完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡單、行程軌跡精確等特點，適用于許多微光學器件加工領域。

關鍵詞：激光直寫系統；光刻；交流伺服電機；ISA

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)24-020-04

High Precision Laser Direct Writing System for Micro-optical Device

YANG Teyu

(Basic Experiment Center，University of Hefei，Hefei，230022，China)

Abstract：A high precision laser direct writing system is designed，which emploies MINAS A serials alternating current servo motors with 17 bit opto-coders from corporation，a x-y movement platform with high precision ball thread and linear slid guiders to ensure a movement precision near 30 nm.A three-dimensional movement control board for the system based on ISA bus is developed.the laser direct writing system meet well the precision requirement for lithography.At the same time，the system possesses many merits such as easy of operation and so on.Therefore，it can be used widely for the fabrication of different kinds of MOEMS chips.

Keywords：laser direct writing system;lithography;alternating current servo motor;ISA

激光直寫技術屬于無掩模光刻技術的一種，其工作機理是利用直寫裝置控制聚焦的激光光束，由計算機控制聲光調制器、平臺或轉臺的運動，在光刻膠上進行曝光，產生預定圖形，經過顯影得到所需要的圖像。激光直寫技術無需圖形光刻轉移、套刻、多次蝕刻等過程，減少了誤差來源，提高了器件的制作效率與精度。另外，它因無需掩模制作，節省了掩模制作的高昂費用，是一種有前途的光刻新技術。

激光直接寫入系統是制作光學器件的關鍵設備，國外的激光直寫技術發展得較早，有關激光直寫技術的報道最先在瑞士出現。20世紀90年代后，激光直寫技術迅速發展起來，隨著高精密的設備的研制以及新工藝和新材料的問世，激光直寫技術的應用領域越來越廣泛，涉及到微透鏡陣列、金屬光柵、多臺階光學透鏡的制作以及波導光學、集成光學方面等。國內激光直寫技術開展相對較晚，20世紀90年代開始，激光直寫技術才進入中國，浙江大學光學技術國家重點實驗室率先開始此項研究，研制了極坐標激光直寫設備，并對激光光刻中的分辨現象進行了研究。長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室在2001年推出自行研制的四軸激光直寫系統，進行了直角坐標和極坐標的激光寫入研究。

在激光直寫系統中，對工作臺的精度提出了較高的要求，高精密的穩定可靠的定位控制系統是制作高質量的微系統的關鍵因素之一。 設計開發的高精度激光直寫光刻系統，采用帶 17位增量式編碼器的松下MINAS A系列交流伺服^［6，7］馬達，同時采用基于高精密滾珠絲桿和超精密線性滑軌導向的x-y運動平臺，可以實現約30 nm的運動控制靈敏度。論文還針對上述系統開發了一套基于ISA總線的三維運動控制卡，它采用8253計數器來控制馬達運行速度和行程，同時采用8255接口芯片來控制馬達運行方向，實現馬達限位保護。另外，在Visual C++開發環境下開發了控制軟件界面，實現了直線和曲線運動控制。

1 高精度激光直寫光刻系統的總體設計方案

設計的高精度激光直寫系統的光學和機械系統框圖如圖1所示。該激光直寫系統主要由光學系統、調焦系統和x-y運動平臺3個子系統組成。

(1) 光學系統。

光學系統由激光器、聚焦物鏡和半透半反鏡組成。激光器發出的激光光束經聚焦物鏡、半透半反鏡，最后通過顯微物鏡精確聚焦在基片上，對光刻膠進行曝光，從而完成各種圖形的刻寫。

(2) 調焦系統。

調焦系統的工作原理是:通過z軸電機的運動，調整聚焦物鏡的高度，實現準確聚焦。光刻物鏡的焦深決定了系統的最大調焦精度范圍，這里的調焦伺服系統位移執行器的精度要求應該小于物鏡焦深。

(3) x-y運動平臺。

x-y二維運動工作臺主要任務是為激光直寫系統提供高精度的、穩定的、均勻的、實時的位置控制和速度控制，通過精確的位置控制產生復雜的二維圖形，同時通過速度的控制保證各點的均勻曝光，否則將引起光刻線條的寬度變化。對于運動平臺而言，穩定的運轉速度的基礎是要具有良好的機械結構。運動平臺要求傳動螺桿應具有一定的機械剛性，剛性不好，將會產生較大的彈性形變，影響系統的精度。選用高精密滾珠絲桿，滾珠螺桿與螺母之間通過鋼珠形成滾動摩擦，運動平穩，傳動效率高，易實現高速運行，并且可以通過改變鋼珠直徑或采用雙螺母有效解決軸向間隙。另外，運動平臺采用超精密線性滑軌導向，這些都有效地保證了運動精度和直線性。

驅動電機選用松下公司的MINAS A系列交流伺服電機，它具有17位增量編碼器，對于螺距為4 mm的x-y運動平臺，其單步行程為4/21730 nm，能滿足激光直寫光刻系統的定位精度設計要求。MINAS A系列交流伺服系統運動精度高，控制復雜，下面將給出更詳細的介紹。

1.1 松下MINAS A系列交流伺服系統

松下MINAS A系列交流伺服系統具有3種典型的控制模式：位置控制、速度控制和力矩控制。設計的這套高精度激光直寫系統的調焦和x-y運動平臺子系統主要用到的是它的位置控制模式。伺服電機在PC機和控制器控制下，帶動二維工作臺在空間內做軌跡運動，需要由控制電路發出脈沖和方向信號，經光電隔離后送入伺服驅動器中。這些控制信號分別是：x軸脈沖信號，x軸方向信號；y軸脈沖信號，y軸方向信號。其中，脈沖信號控制電機所走的步數和速率，方向信號控制電機正反轉。在伺服驅動器中，PULS1和PULS2分別與控制電路板脈沖信號相連，SIGN1和SIGN2分別與方向信號端相連，這里脈沖和方向的輸出信號的接線都采用單脈沖接線方式。COM+，COM-分別接+12 V電源正負端，SRV-ON與COM-連接接于地，CCWL，CWL也與地相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其他連線可根據系統的需要進行適當連接。參數設置通過觸摸面板進行。

1.2 三維運動控制卡總體設計

激光直寫光刻系統的控制電路主要應該完成以下功能:

(1) 對三軸交流伺服電機的運動控制。主要包括三軸電機運轉的方向控制、行程控制和速度控制。其中通過控制電機的運行速度來實現對光刻曝光量的控制，速度慢，曝光劑量就大；速度快些，情況則相反。第三軸即z軸的方向信號被用來調節聚焦物鏡離基片的高度，從而達到調焦的目的。

(2) 限位保護。

針對上述功能要求，設計了一款運動控制卡，其電路原理方框圖如圖2所示。它主要由PC接口及地址譯碼模塊、時鐘產生模塊、方向信號產生模塊、脈沖信號產生模塊和保護功能模塊構成。

首先經譯碼電路得到方向信號產生模塊和脈沖信號產生模塊的片選信號，當片選信號有效時，則選中2個模塊，通過上位機寫入初始值，2個模塊開始工作，產生脈沖信號和方向信號，這些信號分別接至交流伺服驅動器的相應端口，驅動電機運轉，從而帶動工作平臺動作。在設計的這套激光直寫光刻系統中，第三軸電機用來控制調焦系統，曝光量的控制是通過改變脈沖的周期來實現。

1.3 主要模塊設計

(1) 時鐘產生模塊。

8253的工作頻率不能超過2 MHz，而ISA接口提供的時鐘為14.318 MHz，為此，設計了一個分頻時鐘電路，這個模塊由3個D觸發器構成，主要功能是為計數器8253提供時鐘信號。第一個D觸發器的CLK直接接至ISA總線的61腳（OSC振蕩器輸出腳），利用PC機內部的時鐘，這樣就無需外加一個振蕩電路，減小了板卡的尺寸，節約了成本。當14.318 MHz的脈沖信號經過3個D觸發器后，被8分頻，送出的信號分別加至2片8253的相應引腳。

(2) 方向信號產生模塊。

電機運轉的方向信號由該方向信號產生模塊提供，方向信號產生模塊的工作原理是：根據8255端口地址安排，設置A1A0=10，選中數據傳輸口C口，通過軟件設置PC1，PC2和PC3的值為高電平或低電平，使得電機出現正轉或反轉。這里需要說明的是，工作臺沿著導軌正走或反走，但不能無限制的走下去，如果走到導軌兩頭，還有脈沖信號提供給電機，就會出現過沖，將毀壞電機。為了避免此種情況的發生，在制作運動導軌時，特別在每個導軌兩端加上2個觸片式保護開關，當工作臺移動到導軌兩頭時，就會觸到開關，產生中斷請求，這時就可以重新設置PC1，PC2和PC3的值，使電機反向運轉，從而達到保護運動平臺系統的作用。

(3) 脈沖信號產生模塊。

這里僅就OUT1信號的產生加以說明。第一片8253的通道1的GATE引腳加高電平，也即是使它始終處于工作狀態，它的時鐘CLK由OUT1提供，工作方式設為方式0（計數結束中斷方式）。該通道用于計脈沖個數，當達到設定的脈沖個數時，COUT1就跳變為高電平，經反向器后控制GATE1為低電平，阻止通道0輸出脈沖。時鐘產生模塊產生的時鐘信號作為通道0的基準時鐘，通道0的工作方式設為方式3（方波發生器）。它根據設定的初值對基準時鐘進行分頻，輸出脈沖的個數受通道1計數的控制，最終由OUT1腳輸出一定速率和個數的脈沖信號。

(4) 限位保護電路。

限位保護模塊的主要功能就是避免過沖，保護電機。當工作臺隨電機運動到導軌兩端，觸碰到限位開關時，為了保護電機不致于過沖，就會產生一個中斷請求信號，使電機停止運轉。在三維運動控制卡中設計了8253門信號控制電路，GATE信號由COUT，PC0和IRQ3共同來決定。PC0具有最高級別，當PC0=0時，不管COUT，IRQ3為低還是為高， GATE都為高；只有當PC0=1時，模塊才正常工作。就控制第一軸電機的脈沖信號來說，設置PC0=1，電機沒有到達導軌兩頭時，也即是IRQ3為低電平時，第一片8253的通道1計數，控制電機運轉，具體走多少步，通過寫入計數初值來決定，當計數完成，COUT1跳變成高電平，GATE1為低，通道0中止工作。這時候可以設置PC0=0，讓通道0工作，但通道1無動作。當電機到達導軌兩頭時，PC0仍設置為1，這時將向計算機內部申請中斷，執行中斷服務程序，使GATE1變為低電平，無論通道1有沒有計數完成，都將因沒有時鐘信號提供而中止計數。只有中斷服務程序結束，或將PC0置為0，通道1才繼續計數。這個過程具有保護功能。當電機運動到導軌兩頭，觸碰到開關，就必須停下來，否則將損壞電機。要使電機有一定的回轉功能，只需將PC0置為0，改變方向信號PC1即可。

2 基于ISA接口的控制電路軟件設計

這款三維運動控制卡的控制程序的開發是在微軟公司的Visual C++6.0集成開發環境^［8，9］中設計完成的。根據硬件設計預定實現的功能目標，得出了控制電路的軟件部分的總體設計流程圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，軟件中最為重要的2個模塊就是8255和8253的初始化程序，由于篇幅所限，在此僅給出8255初始化程序代碼，具體源程序代碼為：

if(nMotorNumber==1)

{

nD3=1;nD7=1;//8255(1)初始化

SetControleWord();

_outpw(0x0346，nControleWord);

Sleep(1);

nD7=0;nD3=0;nD1=nMotorDir;//設置方向信號pc1

SetControleWord();

_outpw(0x0346，nControleWord);

Sleep(1);

nD0=1;//正常工作pc0=1

SetControleWord();

_outpw(0x0346，nControleWord);

Sleep(1);

｝

通過感光膠片和SU-8光刻膠的光刻實驗，表明上述激光直寫光刻系統完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡單，行程軌跡精確、響應速度快、性能穩定等特點，適用于許多微光學器件加工領域，應用前景非常廣闊。

3 激光直寫系統光刻實驗

3.1 感光膠片刻蝕實驗

利用Visual C++6.0開發環境編制了直線和圓的運動控制程序，采用100 mW 的532 nm綠色半導體泵蒲固體激光器，成功地對35 mm彩色膠卷進行了光刻燒蝕實驗，刻蝕照片如圖4和圖5所示。

3.2 SU-8光刻膠光刻實驗

SU-8膠是基于Epon SU-8環氧膠（最初由Shell chemical開發）和IBM專利發展而來的一種負性化學放大光刻膠，它是由一種具有多官能團的、高度分支的聚合物環氧樹脂和少量光引發劑（PGA）溶于有機溶劑構成的。用它來制作光波導的光刻工藝流程主要有光刻膠的涂布、前烘、曝光、后烘、顯影、堅膜、蝕刻、去膠等幾個步驟。圖6給出了刻蝕得到的直線光波導的顯微照片，其中直線光波導的寬度為4 μm。

4 結 語

通過感光膠片和SU-8光刻膠的光刻實驗，表明上述激光直寫光刻系統完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡單，行程軌跡精確、響應速度快、性能穩定等特點，適用于許多微光學器件加工領域，應用前景非常廣闊。

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作者簡介 楊特育 女，1981年出生，河南固始人，實驗師，碩士。主要從事電路與系統方面的研究。