专利名称：高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统及制作方法
技术领域：
本发明涉及微光学器件的制作系统，尤其是涉及一种高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统及制作方法。
背景技术：
以往的微光学器件灰度掩模制作方法主要采用的是以下两种方法一、激光或电子束直写法；二、桌面排版或彩色打印等图形输出设备打印精缩而成。其中，激光或电子束直写法是逐点曝光，采用高能激光或电子束轰击高能束敏感玻璃HEBSG(high energy beam sensitive glass)上制作灰度掩模，主要问题是逐点曝光，加工速度慢，单个曝光时间极长，只适于制作单件多阶相位或结构简单的连续轮廓器件，且直写灰度掩模所需设备十分昂贵，成本高，并还存在不能精确控制轮廓深度和轮廓变形等问题。第二种方法采用的是计算机控制，利用桌面排版或彩色打印等图形输出设备，输出二元图形或浓淡点图，精缩转印形成模拟灰度掩模图形。主要问题是分辨率较低，其最小特征尺寸为几十微米，远远满足不了制作精细结构的二元光学器件的要求。并且以上两种方法制作的成品掩模对光的调制方式是确定的，曝光量的大小通过曝光时间控制，可以看作是模拟掩模。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺限，提供了一种可对单个或多个微光学器件一次性面曝光、曝光面上各点曝光光强数字量化可控、分辨力高的高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统及制作方法，它是通过数字灰阶扩展方法实现高分辨力精密曝光控制。
本发明的目的是这样实现的本发明的微光学灰度掩模制作系统包括紫外光源、扩束准直器、精缩投影组合透镜、空间滤波器、基片、二维精密曝光平台和计算机，特征是还包括光线调制装置。紫外光源发出的紫外光通过扩束准直器扩束准直后射向光线调制装置，紫外光通过由计算机控制的光线调制装置调制后经精缩投影组合透镜空间尺寸压缩、空间滤波器滤波后成像在基片上。
所述光线调制装置由一个反射镜和两个数字微镜器件(DigitalMicromirror Device，缩写DMD)组成，两个数字微镜器件均通过导线与计算机连接。
所述光线调制装置由一个分光器件和两个数字微镜器件组成，两个数字微镜器件均通过导线与计算机连接。
所述光线调制装置由两个分光器件和三个数字微镜器件组成，三个数字微镜器件均通过导线与计算机连接。
本发明的微光学灰度掩模制作方法为1、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；2、由计算机控制各数字微镜器件上的掩模图形灰阶显示；3、紫外光源发出的紫外光通过扩束准直器扩束准直后射向光线调制装置；4、紫外光通过光线调制装置进行光强调制；5、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜进行空间尺寸压缩、空间滤波器滤波后成像在基片上。
所述的光强调制为二次调制结构，即二次调制结构采用两个数字微镜器件和一个反射镜组合，从紫外光源发出的光经扩束准直器扩束准直后，由反射镜反射，以与第一个数字微镜器件镜面法线成20°角照射在该个数字微镜器件上，第一个数字微镜器件的微镜+10°角反射光垂直于自身镜面输出，并照射在第二个数字微镜器件的镜面上，且与第二个数字微镜器件的镜面法线成20°角，第二个数字微镜器件微镜的+10°角反射光垂直于自身镜面输出。
所述的光强调制为叠加调制结构，即叠加调制结构采用一个或两个分光器件和两个数字微镜器件或三个数字微镜器件组合，从紫外光源发出的光经扩束准直器扩束准直后，由分光器件分成相应路数的光束，分别垂直照射在各个数字微镜器件的镜面上，计算机控制数字微镜器件的微镜偏转调制反射光强的大小；微镜保持与入射光垂直状态下反射的光原路返回到分光器件，由分光器件合成后输出。
本发明是在紫外光源、扩束准直器、精缩投影组合透镜、空间滤波器、基片、二维精密曝光平台和计算机的基础上增设了光线调制装置，该光线调制装置采用数字微镜器件作为空间光调制器件，并采用一个数字微镜器件或两个至三个数字微镜器件组合，通过光强调制方法，实现光强调制细分，等效于单数字微镜器件灰阶扩展，实现高分辨力光刻曝光。本发明的各数字微镜器件之间按入射光照射的先后次序可分为二次调制结构和叠加调制结构，其中二次调制结构采用两个数字微镜器件和一个反射镜组合，叠加调制结构采用一个或两个分光器件和两个数字微镜器件或三个数字微镜器件组合。
本发明的二次调制结构的灰阶扩展计算两个数字微镜器件可分别调制出256级光强，则经过第一个数字微镜器件256级灰阶光强调制后入射到第二个数字微镜器件上光强，又可实现256级调制，最大最小级间能量差可达65535倍，等效于对入射光强实现65535个灰阶调制。叠加调制结构的灰阶扩展计算公式多数字微镜器件叠加结构中，利用多个数字微镜器件的反射叠加，可实现等效灰阶扩展阶数为256/m，m为其中强度较弱一路数字微镜器件的入射光强分光百分比。降低分光百分比，同样可实现高灰阶扩展。二次调制结构和叠加调制结构都可以实现高倍数灰阶扩展，曝光光源的调制范围和精细度大大增加，可用于超精细复杂表面浮雕结构掩模的加工。
因此本发明具有如下优点(1)利用数字微镜器件制作灰度掩模，一次可对单个或多个微光学器件一次性面曝光，解决了直写点曝光速度慢的问题；(2)数字微镜器件是由边长只有十几微米的正方形像素阵列构成，微光学器件掩模图形被离散化成上百万个像素，每一个像素只需精缩不到20倍，就可达到亚微米级的光点。解决了普通图形输出设备分辨率不高的难题；(3)利用数字微镜器件组合灰阶扩展系统制作灰度掩模，每个像素精缩光点的曝光量不仅仅由曝光时间控制，还可以通过计算机实时数字化调整数字微镜器件像素灰阶控制，是一种全新的数字化掩摸制作系统。
(4)多数字微镜器件组合调制技术通过光强二次调制或叠加调制可实现曝光光强高倍细分，极大地提高了各点曝光光强的调制分辨力，从而解决了精确控制轮廓深度的问题。
(5)多数字微镜器件组合曝光技术不仅可以大幅度提高光强调制的分辨率，缩短曝光时间，而且还可以增加掩模设计的自由度，简化单数字微镜器件上掩模设计的复杂性。
图1为本发明的二次调制结构的示意图；图2为本发明的两个数字微镜器件的叠加调制结构的示意图；图3为本发明的三个数字微镜器件的叠加调制结构的示意图。
具体实施例方式
以下结合实施例并对照附图对本发明作进一步进行详细说明。
实施例1本实用新型的微光学灰度掩模制作装置由紫外光源1、扩束准直器2、光线调制装置、分光镜3、计算机4、精缩投影组合透镜7、空间滤波器8、基片9、二维精密曝光平台10组成，其中光线调制装置由反射镜3和两个数字微镜器件5、6组成，两个数字微镜器件5、6均通过导线与计算机4的显卡视频扩展输出口连接，并受计算机4控制，反射镜3的反射面与扩束准直器2的镜面成45°角，反射镜3的反射光线以与数字微镜器件6镜面法线成20°角照射在数字微镜器件6上，数字微镜器件6的微镜+10°角反射光垂直于自身镜面输出，并照射在数字微镜器件5的镜面上，且与数字微镜器件5的镜面法线成20°角，数字微镜器件5的镜面与精缩投影组合透镜7的轴线垂直，且由数字微镜器件6照射在数字微镜器件5的光线与数字微镜器件5的镜面法线成20°角。
微光学灰度掩模制作方法为1、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；2、由计算机4控制数字微镜器件6、5上的掩模图形灰阶显示；3、紫外光源1发出的紫外光通过扩束准直器2扩束准直后射向反射镜3；4、反射镜3将光线反射至数字微镜器件6，以与数字微镜器件6镜面法线成20°角照射在数字微镜器件6上，数字微镜器件6的微镜+10°角反射光垂直于自身镜面输出，并照射在数字微镜器件5的镜面上，且与数字微镜器件5的镜面法线成20°角，数字微镜器件5微镜的+10°角反射光垂直于自身镜面输出，紫外光通过由计算机4控制的数字微镜器件6进行第一次光强调制，由数字微镜器件5进行第二次光强调制；5、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜7进行空间尺寸压缩、空间滤波器8滤波后成像在基片9上。
实施例2实施例2的结构与实施例1的结构基本相同，不同之处在于光线调制装置，光线调制装置由分光器件即分光镜11和两个数字微镜器件5、12组成，两个数字微镜器件5、12均通过导线与计算机4的显卡视频扩展输出口连接，并受计算机4控制，分光镜11的分光面与扩束准直器2的镜面成45°角，分光镜11分成的两路光线分别与两个数字微镜器件5、12的镜面垂直，两个数字微镜器件5、12分别将两路入射光沿原路反射回到分光镜11，由分光镜11合成后输出。
微光学灰度掩模制作方法为1、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；2、由计算机4控制数字微镜器件5、12上的掩模图形灰阶显示；3、紫外光源1发出的紫外光通过扩束准直器2扩束准直后射向分光镜11；4、分光镜11将光线分成两路，一路垂直射向数字微镜器件5，另一路垂直射向数字微镜器件12，两个数字微镜器件5、12分别将两路入射光沿原路反射回到分光镜11，由分光镜11合成后输出，紫外光通过由计算机4控制的数字微镜器件5、12进行光强调制，两路调制的光在分光镜11处实现叠加调制；5、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜7进行空间尺寸压缩、空间滤波器8滤波后成像在基片9上。
实施例3实施例3的结构与实施例1的结构基本相同，不同之处在于光线调制装置，光线调制装置由分光器件和三个数字微镜器件5、13、14组成，分光器件又由一个分光镜11和一个棱镜组合体15组成，三个数字微镜器件5、13、14均通过导线与计算机4的显卡视频扩展输出口连接，并受计算机4控制，分光镜11的分光面与扩束准直器2的镜面成45°角，分光镜11分成两路光线，一路垂直射向精缩投影组合透镜7，另一路射向棱镜组合体15，棱镜组合体15分别射出三路光线，射出的三路光线分别与三个数字微镜器件5、13、14的镜面垂直，三个数字微镜器件5、13、14分别将三路入射光沿原路反射回到棱镜组合体15，棱镜组合体15将三路光线合成后射向分光镜11，穿过分光镜11后输出。
微光学灰度掩模制作方法为1、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；2、由计算机4控制数字微镜器件5、13、14上的掩模图形灰阶显示；3、紫外光源1发出的紫外光通过扩束准直器2扩束准直后射向分光镜13；4、分光镜13将光线分成两路，一路垂直射向精缩投影组合透镜7，另一路射向棱镜组合体15，棱镜组合体15分别射出三路光线，射出的三路光线分别与三个数字微镜器件5、14、16的镜面垂直，三个数字微镜器件5、14、16分别将三路入射光沿原路反射回到棱镜组合体15，棱镜组合体15将三路光线合成后射向分光镜13，穿过分光镜13后输出，紫外光通过由计算机4控制的数字微镜器件5、14、16进行光强调制，三路调制的光在棱镜组合体15处实现叠加调制；5、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜7进行空间尺寸压缩、空间滤波器8滤波后成像在基片9上。
权利要求
1.一种高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统，包括紫外光源(1)、扩束准直器(2)、精缩投影组合透镜(7)、空间滤波器(8)、基片(9)、二维精密曝光平台(10)和计算机(4)，其特征在于还包括光线调制装置。
2.如权利要求1所述的高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统，其特征在于所述光线调制装置由反射镜(3)和两个数字微镜器件(5、6)组成，两个数字微镜器件(5、6)均通过导线与计算机(4)的显卡视频扩展输出口连接，并受计算机(4)控制，反射镜(3)的反射面与扩束准直器(2)的镜面成45°角，反射镜(3)的反射光线以与数字微镜器件(6)镜面法线成20°角照射在数字微镜器件(6)上，数字微镜器件(6)的微镜+10°角反射光垂直于自身镜面输出，并照射在数字微镜器件(5)的镜面上，且与数字微镜器件(5)的镜面法线成20°角，数字微镜器件(5)的镜面与精缩投影组合透镜(7)的轴线垂直，且由数字微镜器件(6)照射在数字微镜器件(5)的光线与数字微镜器件(5)的镜面法线成20°角。
3.如权利要求1所述的高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统，其特征在于所述光线调制装置由分光镜(11)和两个数字微镜器件(5、12)组成，两个数字微镜器件(5、12)均通过导线与计算机(4)的显卡视频扩展输出口连接，并受计算机(4)控制，分光镜(11)的分光面与扩束准直器(2)的镜面成45°角，分光镜(11)分成的两路光线分别与两个数字微镜器件(5、12)的镜面垂直，两个数字微镜器件(5、12)分别将两路入射光沿原路反射回到分光镜(11)，由分光镜(11)合成后输出。
4.如权利要求1所述的高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统，其特征在于所述光线调制装置由分光器件和三个数字微镜器件(5、13、14)组成，分光器件又由一个分光镜(11)和一个棱镜组合体(15)组成，三个数字微镜器件(5、13、14)均通过导线与计算机(4)的显卡视频扩展输出口连接，并受计算机(4)控制，分光镜(11)的分光面与扩束准直器(2)的镜面成45°角，分光镜(11)分成两路光线，一路垂直射向精缩投影组合透镜(7)，另一路射向棱镜组合体(15)，棱镜组合体(15)分别射出三路光线，射出的三路光线分别与三个数字微镜器件(5、13、14)的镜面垂直，三个数字微镜器件(5、13、14)分别将三路入射光沿原路反射回到棱镜组合体(15)，棱镜组合体(15)将三路光线合成后射向分光镜(11)，穿过分光镜(11)后输出。
5.如权利要求2所述的高分辨力数字化微光学灰度掩模的制作方法，其特征在于(1)、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；(2)、由计算机(4)控制数字微镜器件(6、5)上的掩模图形灰阶显示；(3)、紫外光源(1)发出的紫外光通过扩束准直器(2)扩束准直后射向反射镜(3)；(4)、反射镜(3)将光线反射至数字微镜器件(6)，以与数字微镜器件(6)镜面法线成20°角照射在数字微镜器件(6)上，数字微镜器件(6)的微镜+10°角反射光垂直于自身镜面输出，并照射在数字微镜器件(5)的镜面上，且与数字微镜器件(5)的镜面法线成20°角，数字微镜器件(5)微镜的+10°角反射光垂直于自身镜面输出，紫外光通过由计算机(4)控制的数字微镜器件(6)进行第一次光强调制，由数字微镜器件(5)进行第二次光强调制；(5)、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜(7)进行空间尺寸压缩、空间滤波器(8)滤波后成像在基片(9)上。
6.如权利要求3所述的高分辨力数字化微光学灰度掩模的制作方法，其特征在于(1)、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；(2)、由计算机(4)控制数字微镜器件(5、12)上的掩模图形灰阶显示；(3)、紫外光源(1)发出的紫外光通过扩束准直器(2)扩束准直后射向分光镜(11)；(4)、分光镜(1)将光线分成两路，一路垂直射向数字微镜器件(5)，另一路垂直射向数字微镜器件(12)，两个数字微镜器件(5、12)分别将两路入射光沿原路反射回到分光镜(11)，由分光镜(11)合成后输出，紫外光通过由计算机(4)控制的数字微镜器件(5、12)进行光强调制，两路调制的光在分光镜(11)处实现叠加调制；(5)、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜(7)进行空间尺寸压缩、空间滤波器(8)滤波后成像在基片(9)上。
7.如权利要求4所述的高分辨力数字化微光学灰度掩模的制作方法，其特征在于(1)、根据微光学衍射器件的位相要求，换算出掩模面上各点的相位对应的曝光强度，由各点的曝光强度确定各个像素的调制灰阶，从而确定整个曝光平面的灰阶掩模分布图；(2)、由计算机(4.)控制数字微镜器件(5、13、14)上的掩模图形灰阶显示；(3)、紫外光源(1)发出的紫外光通过扩束准直器(2)扩束准直后射向分光镜(11)；(4)、分光镜(11)将光线分成两路，一路垂直射向精缩投影组合透镜(7)，另一路射向棱镜组合体(15)，棱镜组合体(15)分别射出三路光线，射出的三路光线分别与三个数字微镜器件(5、13、14)的镜面垂直，三个数字微镜器件(5、13、14)分别将三路入射光沿原路反射回到棱镜组合体(15)，棱镜组合体(15)将三路光线合成后射向分光镜(11)，穿过分光镜(11)后输出，紫外光通过由计算机(4)控制的数字微镜器件(5、13、14)进行光强调制，三路调制的光在棱镜组合体(15)处实现叠加调制；(5)、调制后的紫外光经精缩投影组合透镜(7)进行空间尺寸压缩、空间滤波器(8)滤波后成像在基片(9)上。
全文摘要
本发明公开了一种高分辨力数字化微光学灰度掩模制作系统及制作方法，该制作系统包括紫外光源、精缩投影组合透镜、空间滤波器、基片和计算机等，特征是还包括光线调制装置。该光线调制装置采用数字微镜器件作为空间光调制器件，并采用两个至三个数字微镜器件组合，实现光强调制细分，实现高分辨力光刻曝光。二次调制结构和叠加调制结构都可以实现高倍数灰阶扩展。因此本发明具有(1)一次可对单个或多个微光学器件一次性面曝光，解决了直写点曝光速度慢的问题；(2)解决了普通图形输出设备分辨率不高的难题；(3)每个像素精缩光点的曝光量不仅仅由曝光时间控制，还可以通过计算机实时数字化调整数字微镜器件像素灰阶控制等优点。
文档编号G03F7/20GK1564053SQ200410017768
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月16日 优先权日2004年4月16日
发明者高益庆, 谌廷政, 漆新民, 吕海宝, 罗武胜, 朱小进, 楚兴春, 龚勇清, 陈劲松 申请人:南昌航空工业学院, 中国人民解放军国防科学技术大学