扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光直接写入技术领域，特别涉及一种扫描工作台各速度段进行激光 直写二值图案的方法与装置。
【背景技术】
[0002] 为了采用激光直写技术加工任意图案的集成电路掩膜版或光学元件，一般先将待 加工图案以单位像素进行离散化，然后对各像素点进行变剂量曝光。基于二维工作平台光 栅扫描式逐点曝光是普遍采用的成熟的直写技术。
[0003] 文南犬[1]M. Haruna, S. Yoshida, H. Toda, and H. Nishihara, Laser-beam writing system for optical integrated circuits [J].Appl. Opt. 26 (21) :4587-4592 介绍了日本 大阪大学的M. Haruna等开发的用于加工光学集成电路的激光直写设备，其加工方法是在 平台匀速运动情况下直写，聚焦激光束通过声光调制进行开关和光强幅值控制并与二维工 作台同步。扫描曝光时，位移传感器对平台瞬时位置信息进行检测，得到的反馈脉冲进入一 个计数比较器单元并与来自计算机的24位并行信号进行比较，输出像素强度数据以驱动 声光调制器来控制激光束的开关和强度调制。
[0004] 文献[2] Μ. T. Gale, M. Rossi, J. Pedersen, and H. Schutz，Fabrication of continuous-relief micro-optical elements by direct laser writing in photoresists [J] · Optical Engineering 33:3556-3566 介绍 了瑞士苏黎世 RCA 实验室的 Μ. T. Gale等开发的制作连续浮雕微透镜的激光直写系统，其加工方法是：存储在PC机中线 性缓冲器中的像素强度数据驱动声光调制器从而控制激光束的强度，其中像素强度数据是 逐行地装载进缓冲器的，并在每一行匀速扫描时被干涉仪脉冲同步实现准确位置上的准确 曝光。
[0005] 文南犬[3]H. Becker, R. Caspary, C. Toepfer, Μ. V. Schickfus, and S.Hunklinger, Low-cost direct writing lithography system for the sub-micron range [J]· J. Mod. Opt. vol. 44:1715 - 1723介绍了德国海德尔堡大学的H. Becker等开发的 低成本亚微米级分辨力的激光直写系统，其加工方法是：通过移动固定在二维工作台上的 基底实现双向扫描，同时采用电光调制器根据像素信息控制光束的开关和强度。其中换向 计数器是扫描曝光时的一个核心电子器件，它有两种功能模式：一种是曝光模式，此计数器 提供了位置与像素数据的同步信号，使像素数据到达正确的位置而不依赖于工作台的实际 速度；另一种是换向模式，当一行写完后，此计数器接到数据终信号，开始由曝光模式进入 换向模式。在这个模式下，电光调制器的输入被关闭，扫描方向所有的位置脉冲反馈进入此 计数器，在写完线段的终端其初始值为〇,然后开始对工作台减速段以及工作台移动到下一 条线进行加速时的位置脉冲计数。当此计数器重新变为0时，自动切换到曝光模式。
[0006] 文献[4]邱传凯，杜春雷，侯德胜.激光直写光刻工艺技术研究[J].光电工 程.1997, 24, 36-40介绍了中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验 室，引进的加拿大ISI-2802型激光直写系统，其加工方法是：工件台在X方向以一定速度连 续匀速平动的同时，聚焦光斑在Y方向宽256 μm的范围上连续地高频扫描，完成一个窄带 的曝光后基片回迹到扫描起点，同时工件台向Y方向移动256 μ m，开始下一个窄带的扫描 曝光。
[0007] 从以上文献不难看出，上述激光直写设备的共同特点是为了获得均匀的曝光效 果，扫描平台只在匀速运动情况下进行曝光直写，加速段和减速段没有利用，虽然这样可以 避免在加减速段直写时速度变化引起的光点畸变以及曝光量变化，但同时也降低了直写效 率。
【发明内容】
[0008] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了扫描工作台各速度段进行激光直写二 值图案的方法与装置，在保证直写质量的前提下，为了进一步提高直写效率，本发明针对用 强度均匀的方形平顶激光束对光刻胶进行直写曝光的情况，提出了一种扫描工作台各速度 段进行激光直写二值图案的方法，该方法使得激光直写过程不仅可以在扫描工作台匀速运 动时进行，也可以在加速运动或者减速运动时进行，从而大大提高了激光直写的效率。
[0009] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0010] 扫描工作台各速度段进行激光直写二值图案的方法，包括以下步骤：
[0011] 将待加工元件在二维空间上的二值图像沿水平和垂直方向上分割成等大的网状 像素点，像素点各边长均为Dpp，计算每个像素点对应的曝光时间和曝光强度；
[0012] 根据扫描工作台扫描行两端各自的非曝光区长度、待加工元件在扫描直写曝光方 向上的尺寸以及扫描工作台的加速度大小规划扫描工作台的速度曲线；
[0013] 根据速度曲线和像素点的大小Dpp确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点，并 计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置；
[0014] 对边界全部或部分位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝光 数据进行补偿；
[0015] 以声光调制器最小分辨力为单位量化各个像素点的曝光强度；分区存放像素点的 位置信息和曝光强度，利用曝光强度数据驱动声光调制器调制直写激光强度实现对光刻胶 变剂量曝光，在扫描工作台的加速、减速以及匀速运动过程中均对工作台上的光刻胶进行 曝光直写。
[0016] 进一步的，在计算每个像素点对应的曝光时间和曝光强度时所基于的条件是：扫 描工作台以速度〇乍匀速直线运动，像素点尺寸大小的强度均匀的方形平顶激光束对光 刻胶进行直写曝光，以及根据抗蚀材料的显影特性。
[0017] 进一步的，分区存放像素点的位置信息和曝光强度时，将待加工元件的每一扫描 行上各像素点曝光强度依曝光先后顺序按加速段、匀速段和减速段三个区域分类存放到计 算机中，同时存储的还有各区域首位曝光强度对应的像素点的中心坐标位置，以及各区域 存放的曝光数据对应的像素点个数。
[0018] 进一步的，根据扫描工作台运动一个位移分辨力Spp、扫描工作台工作加速度a、时 间A t来计算扫描工作台扫描行两端各自的非曝光区长度S。，其中，扫描工作台以匀速Vran 运动一个位移分辨力Spp所需要的时间为ΔΤ，Ipb是用声光调制器最小分辨力调制的曝光 强度，网状像素点对应的光强1"，A t是以光强I1Ji光光刻胶且曝光效果与光强I 曝光 光刻胶AT时间一样时所需要的时间。
[0019] 进一步的，速度曲线的规划方法如下：
[0020] 首先判断/2α-·%)与待加工元件在扫描直写曝光方向上的尺寸L之间的大 小关系，当时，则扫描工作台工作时以加速度a加速运动，当速度达到 乂_时，再以加速度a减速运动直到扫描工作台速度为零，得到对应的速度曲线；
[0021] 当
<时，则扫描工作台工作时以加速度a加速运动，当速度达到 v_时再匀速运动￡ -2(匕,,/2" -&)距离，然后以加速度a减速运动直到扫描工作台速度为 零，得到对应的速度曲线。
[0022] 当2(匕/2?-5。）；^时，根据方程
得
[0023] 进一步的，确定处于加速段、匀速段和减速段的像素点个数时：
[0024] 当2(F上/?-?) M时，计算(匕/20-?/?的值，设所得商的整数部分为N， 如果所得商没有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速 段、减速段的像素个数分别为：N个，N个；如果所得商有小数部分，则扫描行上从曝光起点 到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和减速段、减速段的像素个数分别为： N个，1个，N个。
[0025] 当2(匕/2fl-SQ)<Z时，计算(匕/2?-&)/%的值，设所得商的整数部分为N， 如果所得商没有小数部分，则扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速 段、匀速段、减速段的像素个数分别为：N个，（L/DPP-2N)个，N个；如果所得商有小数部分，则 扫描行上从直写曝光起点到曝光终点只有依次对应的加速段、同时处于加速段和匀速段、 匀速段、同时处于匀速段和减速段、减速段的像素个数分别为：N个，1个，（L/D pp-2N-2)个， 1个，N个。
[0026] 进一步的，计算待加工元件的每一扫描行对应的各个像素点的坐标位置时，当 或者2〇^,,/2α-5；)<Ζ时，扫描行上从直写曝光起点到曝光终点方向上 第i个像素的起始边界坐标值Sstl都按照公式Sstl= S J(H)Dpp计算，该像素的中心坐标 值 Scen i都按照公式 S cen i= S st l+0. 5DPP计算，其中 i = 1，2, 3..· L/D pp。
[0027] 进一步的，对边界全部位于加速段或减速段且曝光强度不为零的像素点对应的曝 光数据补偿方法如下：
[0028] 首先利用公式将其结果的小数部分进行四舍五入取整来计算扫描工作 台以匀速Vran运动对像素点进行T时间曝光时引起的直写光点在扫描方向上的畸变长度对 应的位移分辨力的个数η ;
[0029] 其次计算扫描工作台通过上述η个位移分辨力中的每一个位移分辨力所需要的 时间 Δ