高精度微光学器件激光直写光刻系统研究
摘 要：设计一套高精度激光直写光刻系统，它采用带 17位增量式编码器的松下MINAS A系列交流伺服马达，同时还采用基于高精密滚珠丝杆和超精密线性滑轨导向的x-y运动平台，可以实现约30 nm的运动控制灵敏度。针对该系统开发一套基于ISA总线的三维运动控制卡。实验表明该激光直写光刻系统完全能够满足光刻精度的要求，并且具有控制简单、行程轨迹精确等特点，适用于许多微光学器件加工领域。
关键词：激光直写系统；光刻；交流伺服电机；ISA
中图分类号：TP274文献标识码：A
文章编号：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
激光直写技术属于无掩模光刻技术的一种，其工作机理是利用直写装置控制聚焦的激光光束，由计算机控制声光调制器、平台或转台的运动，在光刻胶上进行曝光，产生预定图形，经过显影得到所需要的图像。激光直写技术无需图形光刻转移、套刻、多次蚀刻等过程，减少了误差来源,提高了器件的制作效率与精度。另外,它因无需掩模制作，节省了掩模制作的高昂费用，是一种有前途的光刻新技术。
激光直接写入系统是制作光学器件的关键设备，国外的激光直写技术发展得较早，有关激光直写技术的报道最先在瑞士出现。20世纪90年代后，激光直写技术迅速发展起来，随着高精密的设备的研制以及新工艺和新材料的问世，激光直写技术的应用领域越来越广泛，涉及到微透镜阵列、金属光栅、多台阶光学透镜的制作以及波导光学、集成光学方面等。国内激光直写技术开展相对较晚，20世纪90年代开始，激光直写技术才进入中国，浙江大学光学技术国家重点实验室率先开始此项研究,研制了极坐标激光直写设备，并对激光光刻中的分辨现象进行了研究。长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室在2001年推出自行研制的四轴激光直写系统，进行了直角坐标和极坐标的激光写入研究。
在激光直写系统中，对工作台的精度提出了较高的要求，高精密的稳定可靠的定位控制系统是制作高质量的微系统的关键因素之一。 设计开发的高精度激光直写光刻系统，采用带 17位增量式编码器的松下MINAS A系列交流伺服［6,7］马达，同时采用基于高精密滚珠丝杆和超精密线性滑轨导向的x-y运动平台，可以实现约30 nm的运动控制灵敏度。论文还针对上述系统开发了一套基于ISA总线的三维运动控制卡，它采用8253计数器来控制马达运行速度和行程，同时采用8255接口芯片来控制马达运行方向，实现马达限位保护。另外，在Visual C++开发环境下开发了控制软件界面，实现了直线和曲线运动控制。
1 高精度激光直写光刻系统的总体设计方案
设计的高精度激光直写系统的光学和机械系统框图如图1所示。该激光直写系统主要由光学系统、调焦系统和x-y运动平台3个子系统组成。
(1) 光学系统。
光学系统由激光器、聚焦物镜和半透半反镜组成。激光器发出的激光光束经聚焦物镜、半透半反镜，最后通过显微物镜精确聚焦在基片上，对光刻胶进行曝光，从而完成各种图形的刻写。
(2) 调焦系统。
调焦系统的工作原理是:通过z轴电机的运动,调整聚焦物镜的高度,实现准确聚焦。光刻物镜的焦深决定了系统的最大调焦精度范围，这里的调焦伺服系统位移执行器的精度要求应该小于物镜焦深。
(3) x-y运动平台。
x-y二维运动工作台主要任务是为激光直写系统提供高精度的、稳定的、均匀的、实时的位置控制和速度控制，通过精确的位置控制产生复杂的二维图形,同时通过速度的控制保证各点的均匀曝光，否则将引起光刻线条的宽度变化。对于运动平台而言，稳定的运转速度的基础是要具有良好的机械结构。运动平台要求传动螺杆应具有一定的机械刚性，刚性不好，将会产生较大的弹性形变，影响系统的精度。选用高精密滚珠丝杆，滚珠螺杆与螺母之间通过钢珠形成滚动摩擦，运动平稳，传动效率高，易实现高速运行，并且可以通过改变钢珠直径或采用双螺母有效解决轴向间隙。另外，运动平台采用超精密线性滑轨导向，这些都有效地保证了运动精度和直线性。
驱动电机选用松下公司的MINAS A系列交流伺服电机，它具有17位增量编码器，对于螺距为4 mm的x-y运动平台，其单步行程为4/21730 nm，能满足激光直写光刻系统的定位精度设计要求。MINAS A系列交流伺服系统运动精度高，控制复杂，下面将给出更详细的介绍。
1.1 松下MINAS A系列交流伺服系统
松下MINAS A系列交流伺服系统具有3种典型的控制模式：位置控制、速度控制和力矩控制。设计的这套高精度激光直写系统的调焦和x-y运动平台子系统主要用到的是它的位置控制模式。伺服电机在PC机和控制器控制下，带动二维工作台在空间内做轨迹运动，需要由控制电路发出脉冲和方向信号，经光电隔离后送入伺服驱动器中。这些控制信号分别是：x轴脉冲信号，x轴方向信号；y轴脉冲信号，y轴方向信号。其中，脉冲信号控制电机所走的步数和速率，方向信号控制电机正反转。在伺服驱动器中，PULS1和PULS2分别与控制电路板脉冲信号相连，SIGN1和SIGN2分别与方向信号端相连，这里脉冲和方向的输出信号的接线都采用单脉冲接线方式。COM+，COM-分别接+12 V电源正负端，SRV-ON与COM-连接接于地，CCWL，CWL也与地相连。这样，就完成了位置控制模式下的基本连线。其他连线可根据系统的需要进行适当连接。参数设置通过触摸面板进行。
1.2 三维运动控制卡总体设计
激光直写光刻系统的控制电路主要应该完成以下功能:
(1) 对三轴交流伺服电机的运动控制。主要包括三轴电机运转的方向控制、行程控制和速度控制。其中通过控制电机的运行速度来实现对光刻曝光量的控制，速度慢，曝光剂量就大；速度快些，情况则相反。第三轴即z轴的方向信号被用来调节聚焦物镜离基片的高度，从而达到调焦的目的。
(2) 限位保护。
针对上述功能要求，设计了一款运动控制卡，其电路原理方框图如图2所示。它主要由PC接口及地址译码模块、时钟产生模块、方向信号产生模块、脉冲信号产生模块和保护功能模块构成。
首先经译码电路得到方向信号产生模块和脉冲信号产生模块的片选信号，当片选信号有效时,则选中2个模块,通过上位机写入初始值,2个模块开始工作,产生脉冲信号和方向信号,这些信号分别接至交流伺服驱动器的相应端口,驱动电机运转,从而带动工作平台动作。在设计的这套激光直写光刻系统中，第三轴电机用来控制调焦系统，曝光量的控制是通过改变脉冲的周期来实现。
1.3 主要模块设计
(1) 时钟产生模块。
8253的工作频率不能超过2 MHz,而ISA接口提供的时钟为14.318 MHz，为此，设计了一个分频时钟电路，这个模块由3个D触发器构成，主要功能是为计数器8253提供时钟信号。第一个D触发器的CLK直接接至ISA总线的61脚（OSC振荡器输出脚），利用PC机内部的时钟，这样就无需外加一个振荡电路，减小了板卡的尺寸，节约了成本。当14.318 MHz的脉冲信号经过3个D触发器后，被8分频，送出的信号分别加至2片8253的相应引脚。
(2) 方向信号产生模块。
电机运转的方向信号由该方向信号产生模块提供，方向信号产生模块的工作原理是：根据8255端口地址安排，设置A1A0=10，选中数据传输口C口，通过软件设置PC1，PC2和PC3的值为高电平或低电平，使得电机出现正转或反转。这里需要说明的是，工作台沿着导轨正走或反走，但不能无限制的走下去，如果走到导轨两头，还有脉冲信号提供给电机，就会出现过冲，将毁坏电机。为了避免此种情况的发生，在制作运动导轨时，特别在每个导轨两端加上2个触片式保护开关，当工作台移动到导轨两头时，就会触到开关，产生中断请求，这时就可以重新设置PC1，PC2和PC3的值，使电机反向运转，从而达到保护运动平台系统的作用。
(3) 脉冲信号产生模块。
这里仅就OUT1信号的产生加以说明。第一片8253的通道1的GATE引脚加高电平，也即是使它始终处于工作状态，它的时钟CLK由OUT1提供，工作方式设为方式0（计数结束中断方式）。该通道用于计脉冲个数，当达到设定的脉冲个数时，COUT1就跳变为高电平，经反向器后控制GATE1为低电平，阻止通道0输出脉冲。时钟产生模块产生的时钟信号作为通道0的基准时钟，通道0的工作方式设为方式3（方波发生器）。它根据设定的初值对基准时钟进行分频，输出脉冲的个数受通道1计数的控制，最终由OUT1脚输出一定速率和个数的脉冲信号。
(4) 限位保护电路。
限位保护模块的主要功能就是避免过冲，保护电机。当工作台随电机运动到导轨两端，触碰到限位开关时，为了保护电机不致于过冲，就会产生一个中断请求信号，使电机停止运转。在三维运动控制卡中设计了8253门信号控制电路，GATE信号由COUT，PC0和IRQ3共同来决定。PC0具有最高级别,当PC0=0时,不管COUT，IRQ3为低还是为高, GATE都为高；只有当PC0=1时，模块才正常工作。就控制第一轴电机的脉冲信号来说，设置PC0=1，电机没有到达导轨两头时，也即是IRQ3为低电平时，第一片8253的通道1计数，控制电机运转，具体走多少步，通过写入计数初值来决定，当计数完成，COUT1跳变成高电平，GATE1为低，通道0中止工作。这时候可以设置PC0=0，让通道0工作，但通道1无动作。当电机到达导轨两头时，PC0仍设置为1，这时将向计算机内部申请中断，执行中断服务程序，使GATE1变为低电平，无论通道1有没有计数完成，都将因没有时钟信号提供而中止计数。只有中断服务程序结束，或将PC0置为0，通道1才继续计数。这个过程具有保护功能。当电机运动到导轨两头，触碰到开关，就必须停下来，否则将损坏电机。要使电机有一定的回转功能，只需将PC0置为0，改变方向信号PC1即可。
2 基于ISA接口的控制电路软件设计
这款三维运动控制卡的控制程序的开发是在微软公司的Visual C++6.0集成开发环境［8,9］中设计完成的。根据硬件设计预定实现的功能目标，得出了控制电路的软件部分的总体设计流程图，如图3所示。
从图3中可以看出，软件中最为重要的2个模块就是8255和8253的初始化程序，由于篇幅所限，在此仅给出8255初始化程序代码，具体源程序代码为：
if(nMotorNumber==1)
{
nD3=1;nD7=1;//8255(1)初始化
SetControleWord();
_outpw(0x0346,nControleWord);
Sleep(1);
nD7=0;nD3=0;nD1=nMotorDir;//设置方向信号pc1
SetControleWord();
_outpw(0x0346,nControleWord);
Sleep(1);
nD0=1;//正常工作pc0=1
SetControleWord();
_outpw(0x0346,nControleWord);
Sleep(1);
｝
通过感光胶片和SU-8光刻胶的光刻实验，表明上述激光直写光刻系统完全能够满足光刻精度的要求，并且具有控制简单，行程轨迹精确、响应速度快、性能稳定等特点，适用于许多微光学器件加工领域，应用前景非常广阔。
3 激光直写系统光刻实验
3.1 感光胶片刻蚀实验
利用Visual C++6.0开发环境编制了直线和圆的运动控制程序，采用100 mW 的532 nm绿色半导体泵蒲固体激光器，成功地对35 mm彩色胶卷进行了光刻烧蚀实验，刻蚀照片如图4和图5所示。
3.2 SU-8光刻胶光刻实验
SU-8胶是基于Epon SU-8环氧胶（最初由Shell chemical开发）和IBM专利发展而来的一种负性化学放大光刻胶，它是由一种具有多官能团的、高度分支的聚合物环氧树脂和少量光引发剂（PGA）溶于有机溶剂构成的。用它来制作光波导的光刻工艺流程主要有光刻胶的涂布、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、蚀刻、去胶等几个步骤。图6给出了刻蚀得到的直线光波导的显微照片，其中直线光波导的宽度为4 μm。
4 结 语
通过感光胶片和SU-8光刻胶的光刻实验，表明上述激光直写光刻系统完全能够满足光刻精度的要求，并且具有控制简单，行程轨迹精确、响应速度快、性能稳定等特点，适用于许多微光学器件加工领域，应用前景非常广阔。
参考文献
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作者简介 杨特育 女，1981年出生，河南固始人，实验师,硕士。主要从事电路与系统方面的研究。