专利名称：一种凹球面光刻刻划机的制作方法
技术领域：
本发明属于超微细加工技术领域中的一种对凹球面实施光刻的光刻设备。
二、技术背景据了解，在世界各国已有的光刻刻划机中，都为平面光刻机。例如码盘刻划机、光栅或圆光栅刻划机、光盘刻槽机等，既使是凹面光栅刻划机也类同平面光栅刻划机。因为，一般所用的凹面光栅的曲率半径也是相当大的，近似于平面。
在科学技术高速发展的今天，对凹球面光刻元件的需求，已经提到日程上来。比如用于跟踪的引导头上整流罩中的网栅(凹球面光刻元件)等，到目前为止，还没有认识到的超微细加工领域中某些关键元件，都要求是凹球面光刻元件，制造这类光刻元件，就需要有凹球面光刻设备。
我们认为与本发明最为接近的已有技术是日本机械学会编“超精密システムの设计技术”中P190页的一种光盘刻槽机。如图1所示是由基座1、光刻光源2、直线移动进给工作台3、驱动测角机构4、减速器5、丝杠6、光开关及光刻系统7、调光光源8、调焦系统9、光刻镜头10、被刻元件(光盘)11组成的。
该光盘刻槽机，只能光刻平面的阿基米德螺旋线，无法在凹球面上完成纬纬线或经纬线的光刻。为了实现能在凹球面光刻纬纬线或经纬线的目的，特设计一种凹球面光刻刻划机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是能在凹球面上光刻纬纬相交的网栅线或经纬相交的网栅线。
解决技术问题的技术方案是本发明的光刻机形体采用支架支撑结构，被刻件(是凹球面)固定在竖轴上，可绕竖轴转动。竖轴系统固定在水平回转轴上，可绕水平回转轴左、右摆动。光刻系统在进给轴的带动下，随竖轴系统摆动，从前往后按进给步距实施光刻。
本发明的详细内容如图2、图3、图4所示是由基座12、水平回转轴系统(13、14、15、19、20、21)、竖轴系统(16、17、52、53、54、55、56、57、58、59)、进给轴系统(18、22、23、24、25)、光刻系统(17、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51)组成的。
水平回转轴系统包括水平回转轴左支架13、回转驱动电机14、水平左回转轴15、水平回转轴右支架19、回转角测量编码器20、水平右回转轴21。
竖轴系统包括竖轴轴套16、被刻凹球面件17、竖轴轴套16上的水平左回转轴孔52、水平右回转轴孔53、被刻件真空吸盘54、吸盘轴55、真空吸孔56、竖轴57、竖轴测量编码器58、竖轴驱动电机59。
进给轴系统包括光学系统托盒18、进给轴22、进给轴测量编码器23、进给轴驱动电机24、进给轴支架25。
光学系统包括光刻光路和调焦光路。光刻光路包括被刻凹球面件17、光刻光源26、扩束器27、转向棱镜28、光开关控制器(A/O调制器)29、光强控制器30、光强测量器31、偏振分束器32、刻划光1/4波长片33、刻划光窄带滤光片34、分束器35、转向棱镜36、锁紧机构37、直线运动导轨付38、直线微驱动机构(阴极线圈或PET)39、光刻镜头40；调焦光路包括分束器35、转向棱镜36、锁紧机构37、直线运动导轨付38、直线微驱动机构39、光刻镜头40、被刻凹球面件17、调焦光窄带滤光片41、调焦光1/4波长片42、偏振分束器43、扩束器44、转向棱镜45、调焦光源46、分束器47、聚光镜48、调焦探测器49、聚光镜50、调焦探测器51。从件号组成看出标号35、36、37、38、39、40以及17和18，属于光刻光路和调焦光路的公用部件。
在水平回转轴系统中，水平回转轴左支架13和水平回转轴右支架19与基座12刚性固连，回转驱动电机14与水平左回转轴15同轴线刚性固连，镶嵌在水平回转轴左支架13的轴孔内；回转角测量编码器20与水平右回转轴21同轴线刚性固连，镶嵌在水平回转轴右支架19的轴孔内，水平左回转轴15与水平右回转轴21，构成了水平回转轴(15、21)，轴线的中点为O。水平回转轴左支架13和水平回转轴右支架19，支撑着水平回转轴系统，水平回转轴(15、21)在回转驱动电机14的驱动下，可沿轴线左右转动。
在竖轴系统中，被刻件真空吸盘54上带有吸盘轴55和真空吸孔56(即54、55、56为一体)，被刻件真空吸盘54通过它的吸盘轴55插入到竖轴57的轴套孔与其配合，两者刚性固连，被刻凹球面件17，真空吸浮在被刻件真空吸盘54上，随竖轴57转动；竖轴57与竖轴测量编码器58同轴线刚性固连，竖轴驱动电机59的转子与竖轴57刚性固连，定子与竖轴轴套16刚性固连；竖轴57的轴线与水平回转轴系统中的水平回转轴(15、21)的轴线垂直，且相交于O点；竖轴系统通过竖轴轴套16上的水平左回转轴孔52和右回转轴孔53分别与水平回转轴系统中的水平左回转轴15、右回转轴21的刚性固连而固定在水平回转轴系统上并随水平回转轴的左、右转动而左、右摆动。
在进给轴系统中，进给轴支架25与基座12刚性固连，进给轴22与进给轴测量编码器23的轴和进给轴驱动电机24的轴同轴线刚性固连，进给轴22装有测量编码器和驱动电机的一端镶嵌在进给轴支架25的轴孔内，在进给轴22的另一端上装有光学系统托盘18，两者刚性固连，进给轴支架25支撑着进给轴系统，进给轴22的轴线与水平回转轴系统中的水平回转轴(15、21)的轴线垂直，且相交于O点。
光学系统在进给轴系统中的光学系统托盒18内，分布着光刻光路和调焦光路。在光刻光路中，光刻光源26发出光的传播方向上，依次布置扩束器27、转向棱镜28、光开关控制器(A/O调制器)29、光强控制器30、偏振分束器32、在偏振分束器32的下方设有光强测量器31、刻划光1/4波长片33、刻划光窄带滤光片34、分束器35、转向棱镜36、光刻镜头40以及被刻凹球面件17，与光刻镜头40调光调焦有关的件号有锁紧机构37、直线运动导轨付38、直线微驱动器(阴极线圈或PET)39、和光学系统托盒18。
直线运动导轨付38的静止不动的部分与光学系统托盒18刚性固连，运动部分与直线微驱动器39的静止不动部分刚性固连；光刻镜头40与直线微驱动器39的运动部分刚性固连；锁紧机构37的一端与光学系统托盒18刚性固连；锁紧时，锁紧机构把直线运动导轨付38锁定，使直线运动导轨付38运动部分与光学系统托盒18之间不产生相对位移。这种结构不难看出，光刻镜头40通过直线微驱动器39的静止不动部分与直线运动导轨付38的运动部分刚性固连，实现大范围的调焦，然后再通过直线微驱动器39的运动部分进行微精调焦，把光刻光线聚焦到被刻凹球面件17的被刻面上。光刻镜头40的光轴延长线经过水平回转轴(15、21)轴线的中点O。
在调焦光路中，调焦光源46发出的光，在它的传播方向上，依次布置转向棱镜45、扩束器44、调焦光偏振分束器43、调焦光1/4波长片42、调焦光窄带滤光片41、以及在光刻光路上的分束器35、转向棱镜36、光刻镜头40以及被刻凹球面件17，与光刻镜头40调光调焦有关的件号有锁紧机构37、直线运动导轨付38、直线微驱动器39和光学系统托盒18；其中，射到被刻凹球面件17上的调焦光线沿原光路自准，经光刻镜头40、转向棱镜36、分束器35、调焦光窄带滤光片41、调焦光1/4波长片42后，由偏振分束器43反射到分束器47，在分束器47的反射线上依次布置聚光镜48和调焦探测器49；在分束器47的透射线上依次布置聚光镜50和调焦探测器51(件号37、38、39、40以及17和18之间的结构位置关系，在光刻光路中已说明)。
综上所述，本发明的总体技术方案可谓在基座12、水平回转轴左支架13和水平回转轴右支架19、进给轴支架25构成的支架支撑系统上，水平回转轴左支架13和水平回转轴右支架19支撑着水平回转轴系统，水平回转轴(15、21)的轴线中点为O；竖轴系统通过竖轴轴套16上的水平左回转轴孔52和右回转轴孔53分别与水平回转轴系统中的水平左回转轴15、右回转轴21的刚性固连而固定在水平回转轴系统上并随水平回转轴的左、右转动而左、右摆动，竖轴57的轴线与水平回转轴(15、21)的轴线垂直，且相交于O点，被刻凹球面件17通过被刻件真空吸盘54固定在竖轴57上，并相对于竖轴轴套16随竖轴57转动；进给轴支架25支撑着进给轴系统和光学系统，进给轴22的轴线与水平回转轴系统中的水平回转轴(15、21)的轴线垂直且相交于O点，同时进给轴22的轴线与水平回转轴(15、21)的轴线所在的平面与基座12的平面平行；光学系统由光刻光路和调焦光路组成，光刻镜头40的光轴延长线通过水平回转轴(15、21)的轴线中点O。
工作原理说明调焦光路调焦光源46采用半导体激光器，它发出水平振动的线偏振光经转向棱镜45、扩束器44、射到偏振分束器43上，光线全部透射至调焦光1/4波长片42后，变成圆偏振光，再射到分束器35、转向棱镜36、光刻镜头40后，再由被刻凹球面件17自准反射，沿原光路返回，经光刻镜头40、转向棱镜36、分束器35、调焦光1/4波长片42后射到调焦光窄带滤光片41上，射出的光线由圆偏振光改为垂直振动的线偏振光，经偏振分束器43全部反射到分束器47上，由分束器47分成两路，其中调焦探测器49的靶面位于聚光镜48焦点的前方，调焦探测器51靶面位于聚光镜50焦点的后方。调焦探测器49和51输出信号曲线如图5所示，当两路信号相等时，表明光刻镜头40的焦点位于被刻凹球面件17上。
光刻光路光刻光源26发出的激光经扩束器27、转向棱镜28、光开关控制器(A/O调制器)29、光强控制器30、偏振分束器32后射出的光为垂直振动线偏振光，由刻划光1/4波长片33射出的光为圆偏振光，再经刻划光窄带滤光片34、分束器35、转向棱镜36、光刻镜头40、被刻凹球面件17进行光刻刻划。其中，部分光会自准反射，沿原光路返回至光刻镜头40、转向棱镜36、分束器35、刻划光窄带滤光片34、刻划光1/4波长片33，光线由圆偏振光改为水平振动线偏振光，经偏振分束器32后全部射到光强测量器31上，由光强测量器31发出光强强弱信号。
将被刻凹球面件17，通过真空吸盘54吸在竖轴57上，调整吸盘轴55使被刻凹球面件17的球心位于水平回转轴轴线的中点O上，通过调整直线运动导轨付38，使光刻镜头40的焦点粗调焦位于被刻凹球面件17的内表面上，通过直线微驱动器(阴极线圈或PET)39精调焦，使光刻镜头40的焦点位于被刻凹球面件17的内表面上。
被刻凹球面件17的刻划范围锥角为θ，调整进给轴22至-θ/2位置(与竖轴57重合位置的角度为0°)；水平回转轴转至-θ/2位置(铅垂位置角度为0°)，光开关控制器(A/O调制器)29开通，水平回转轴均速转至+θ/2位置，光开关控制器29关闭。期间，刻划光路的光强控制是由光强测量器31的探测反馈给光强控制器30时时控制；调焦系统时时通过，调焦光路的反馈时时进行PZT(或阴极线圈)调焦。这时在被刻凹球面件17上刻出了一条纬线，进给轴22向+θ/2方向进给一个步距当量ω后，开通光开关控制器29，水平回转轴由+θ/2→-θ/2，刻出第二条纬线，重复上述运动，当刻到进给轴为+θ/2时，便完成了水平纬线的刻划。将竖轴57带动被刻凹球面件17旋转90°，开始重复上述过程，可完成垂直纬线的刻划。
本发明的积极效果凹球面光刻刻划机的出现，能在凹球面上光刻纬纬相交的网栅线或经纬相交的网栅线，从而能制造出超微细加工技术领域中某些关键元件，为促进科技进步作出重大贡献。
四
图1是已有技术的结构示意图，图2是本发明的立体外观结构示意图，图3是本发明的光学系统光路结构示意图，图4是本发明的竖轴系统结构示意图，图5是两个调焦探测器发出的信号曲线图，摘要附图亦采用图2。
五具体实施例方式本发明按图2、图3、图4所示的结构实施，基座12的材质采用大理石，水平回转轴左支架13和右支架19、进给轴支架25的材质采用铸铁；竖轴轴套16、被刻件真空吸盘54和吸盘轴55采用铸铝；竖轴57的材质采用45#钢，竖轴测量编码器58采用增量式编码器，竖轴驱动电机59采用力距电机；水平回转轴(15、21)和进给轴22的材质采用GCr15，光刻光源26采用波长为3500～4000的固体激光器，调焦光源46采用波长为6900～7800的半导体激光器；调焦探测器、49和51采用PIN光电二极管；每个光学元件的光学材料根据所在光路上的激光源波长选定。
权利要求
1.一种凹球面光刻刻划机，包括基座、光学系统，其特征在于本发明还包括水平回转轴系(13、14、15、19、20、21)、竖轴系统(16、17、52、53、54、55、56、57、58、59)进给轴系统(18、22、23、24、25)；在基座(12)、水平回转轴左支架(13)和水平回轴右支架(19)、进给轴支架(25)构成的支架支撑系统上，水平回转轴左支架(13)和平回转轴右支架(19)支撑着水平回转轴系统，水平回转轴(15、21)的轴线中点为O竖轴系统通过竖轴轴套(16)上的水平左回转轴孔(52)和右回转轴孔(53)分别与平回转轴系统中的水平左回转轴(15)、右回转轴(21)的刚性固连而固定在水平回转轴统上并随水平回转轴的左、右转动而左、右摆动，竖轴(57)的轴线与水平回转轴(15、1)的轴线垂直，且相交于O点，被刻凹球面件(17)通过被刻件真空吸盘(54)固定在轴(57)上，并相对于竖轴轴套(16)随竖轴(57)转动；进给轴支架(25)支撑着进轴系统和光学系统，进给轴(22)的轴线与水平回转轴系统中的水平回转轴(15、21)轴线垂直且相交于O点，同时进给轴(22)的轴线与水平回转轴(15、21)的轴线所在的平面与基座(12)的平面平行；光学系统由光刻光路和调焦光路组成，光刻镜头(40)的光轴延长线通过水平回转轴(15、21)的轴线中点O。
2.按权利要求1所述的一种凹球面光刻刻划机，其特征在于在水平回转轴系统中，水平回转轴左支架(13)和水平回转轴右支架(19)与基座(12)刚性固连，回转驱动电机(14)与水平左回转轴(15)同轴线刚性固连，镶嵌在水平回转轴左支架(13)的轴孔内；回转角测量编码器(20)与水平右回转轴(21)同轴线刚性固连，镶嵌在水平回转轴右支架(19)的轴孔内，水平左转轴(15)与水平右回转轴(21)，构成了水平回转轴(15、21)，轴线的中点为O，水平回转轴左支架(13)和水平回转轴右支架(19)，支撑着水平回转轴系统，水平回转轴(15、21)在回转驱动电机(14)的驱动下，可沿轴线左、右转动。
3.按权利要求1所述的一种凹球面光刻刻划机，其特征在于在竖轴系统中，被刻件真空吸盘(54)上带有吸盘轴(55)和真空吸孔(56)(即54、55、56为一体)，被刻件真空吸盘(54)通过它的吸盘轴(55)插入到竖轴(57)的轴套孔与其配合，两者刚性固连，被刻凹球面件(17)，真空吸浮在被刻件真空吸盘(54)上，随竖轴(57)转动；竖轴(57)与竖轴测量编码器(58)同轴线刚性固连，竖轴驱动电机59的转子与竖轴(57)刚性固连，定子与竖轴轴套(16)刚性固连；竖轴(57)的轴线与水平回转轴系统中的水平回转轴(15、21)的轴线垂直，且相交于O点；竖轴系统通过竖轴轴套(16)上的水平左回转轴孔(52)和右回转轴孔(53)分别与水平回转轴系统中的水平左回转轴(15)、右回转轴(21)的刚性固连而固定在水平回转轴系统上并随水平回转轴的左、右转动而左、右摆动。
4.按权利要求1所述的一种凹球面光刻刻划机，其特征在于在进给轴系统中，进给轴支架(25)与基座(12)刚性固连，进给轴(22)与进给轴测量编码器(23)的轴和进给轴驱动电机(24)的轴同轴线刚性固连，进给轴(22)装有测量编码器和驱动电机的一端镶嵌在进给轴支架(25)的轴孔内，在进给轴(22)的另一端上装有光学系统托盒(18)，两者刚性固连，进给轴支架(25)支撑着进给轴系统，进给轴(22)的轴线与水平回转轴系统中的水平回转轴(15、21)的轴线垂直，且相交于O点。同时进给轴(22)的轴线与水平回转轴(15、21)的轴线所在的平面与基座(12)的平面平行。
5.按权利要求1所述的一种凹球面光刻刻划机，其特征在于在进给轴系统中的光学系统托盒(18)内，分布着光刻光路和调焦光路。在光刻光路中，光刻光源(26)发出光的传播方向上，依次布置扩束器(27)、转向棱镜(28)、光开关控制器(A/O调制器)(29)、光强控制器(30)、偏振分束器(32)、在偏振分束器(32)的下方设有光强测量器(31)、刻划光1/4波长片(33)、刻划光窄带滤光片(34)、分束器(35)、转向棱镜(36)、光刻镜头(40)以及被刻凹球面件(17)，与光刻镜头(40)调光调焦有关的件号有锁紧机构(37)、直线运动导轨付(38)、直线微驱动器(阴极线圈或PET)(39)、和光学系统托盒(18)；直线运动导轨付(38)的静止不动的部分与光学系统托盒(18)刚性固连，运动部分与直线微驱动器39的静止不动部分刚性固连；光刻镜头(40)与直线微驱动器(39)的运动部分刚性固连；锁紧机构(37)的一端与光学系统托盒(18)刚性固连；锁紧机构把直线运动导轨付(38)锁定，光刻镜头(40)的光轴延长线经过水平回转轴(15、21)轴线的中点O；在调焦光路中，调焦光源(46)发出的光，在它的传播方向上，依次布置转向棱镜(45)、扩束器(44)、调焦光偏振分束器(43)、调焦光1/4波长片(42)、调焦光窄带滤光片(41)、以及在光刻光路上的分束器(35)、转向棱镜(36)、光刻镜头(40)以及被刻球面件(17)，与光刻镜头(40)调光调焦有关的件号有锁紧机构(37)、直线运动导轨付(38)、直线微驱动器(39)和光学系统托盒(18)；件号(37)、(38)、(39)、(40)、(17)、(18)的结构关系与光刻光路中相同，在分束器(47)的反射线上依次布置聚光镜(48)和调焦探测器(49)；在分束器(47)的透射线上依次布置聚光镜(50)和调焦探测器(51)。
全文摘要
一种凹球面光刻刻划机，属于超微细加工技术领域中的一种对凹球面实施光刻的光刻设备。本发明要解决的技术问题是能在凹球面上光刻纬纬相交的网栅线或经纬相交的网栅线。技术方案是光刻刻划机形体采用支架支撑结构，由水平回转轴系统、竖轴系统、进给轴系统、光学系统组成。竖直轴线和进给轴轴线分别与水平回转轴轴线垂直且相交于水平回转轴轴线的中点，光刻镜头的光轴延长线也经过水平回转轴轴线的中点。被刻凹球面件固定在竖轴上，可绕竖轴转动。竖轴系统固定在水平回转轴上，可绕水平回转轴左、右摆动。光刻系统在进给轴的带动下，随竖轴系统摆动，从前往后按进给步距实施光刻。该光刻机能在凹球面上光刻纬纬线或经纬线，制造超微细加工关键元件。
文档编号G03F7/207GK1488997SQ02133149
公开日2004年4月14日 申请日期2002年10月8日 优先权日2002年10月8日
发明者艾华, 韩旭东, 艾 华 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 中国科学院长春光学精密机械与物理研