摘 要：設(shè)計(jì)一套高精度激光直寫光刻系統(tǒng)，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(dá)，同時(shí)還采用基于高精密滾珠絲桿和超精密線性滑軌導(dǎo)向的x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)約30 nm的運(yùn)動(dòng)控制靈敏度。針對(duì)該系統(tǒng)開發(fā)一套基于ISA總線的三維運(yùn)動(dòng)控制卡。實(shí)驗(yàn)表明該激光直寫光刻系統(tǒng)完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡(jiǎn)單、行程軌跡精確等特點(diǎn)，適用于許多微光學(xué)器件加工領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：激光直寫系統(tǒng)；光刻；交流伺服電機(jī)；ISA

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(shù)屬于無掩模光刻技術(shù)的一種，其工作機(jī)理是利用直寫裝置控制聚焦的激光光束，由計(jì)算機(jī)控制聲光調(diào)制器、平臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，在光刻膠上進(jìn)行曝光，產(chǎn)生預(yù)定圖形，經(jīng)過顯影得到所需要的圖像。激光直寫技術(shù)無需圖形光刻轉(zhuǎn)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(jié)省了掩模制作的高昂費(fèi)用，是一種有前途的光刻新技術(shù)。

激光直接寫入系統(tǒng)是制作光學(xué)器件的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)外的激光直寫技術(shù)發(fā)展得較早，有關(guān)激光直寫技術(shù)的報(bào)道最先在瑞士出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代后，激光直寫技術(shù)迅速發(fā)展起來，隨著高精密的設(shè)備的研制以及新工藝和新材料的問世，激光直寫技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及到微透鏡陣列、金屬光柵、多臺(tái)階光學(xué)透鏡的制作以及波導(dǎo)光學(xué)、集成光學(xué)方面等。國(guó)內(nèi)激光直寫技術(shù)開展相對(duì)較晚，20世紀(jì)90年代開始，激光直寫技術(shù)才進(jìn)入中國(guó)，浙江大學(xué)光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室率先開始此項(xiàng)研究，研制了極坐標(biāo)激光直寫設(shè)備，并對(duì)激光光刻中的分辨現(xiàn)象進(jìn)行了研究。長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在2001年推出自行研制的四軸激光直寫系統(tǒng)，進(jìn)行了直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)的激光寫入研究。

在激光直寫系統(tǒng)中，對(duì)工作臺(tái)的精度提出了較高的要求，高精密的穩(wěn)定可靠的定位控制系統(tǒng)是制作高質(zhì)量的微系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。 設(shè)計(jì)開發(fā)的高精度激光直寫光刻系統(tǒng)，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(dá)，同時(shí)采用基于高精密滾珠絲桿和超精密線性滑軌導(dǎo)向的x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)約30 nm的運(yùn)動(dòng)控制靈敏度。論文還針對(duì)上述系統(tǒng)開發(fā)了一套基于ISA總線的三維運(yùn)動(dòng)控制卡，它采用8253計(jì)數(shù)器來控制馬達(dá)運(yùn)行速度和行程，同時(shí)采用8255接口芯片來控制馬達(dá)運(yùn)行方向，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)限位保護(hù)。另外，在Visual C++開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了控制軟件界面，實(shí)現(xiàn)了直線和曲線運(yùn)動(dòng)控制。

1 高精度激光直寫光刻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的高精度激光直寫系統(tǒng)的光學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)框圖如圖1所示。該激光直寫系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)和x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)3個(gè)子系統(tǒng)組成。

(1) 光學(xué)系統(tǒng)。

光學(xué)系統(tǒng)由激光器、聚焦物鏡和半透半反鏡組成。激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)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(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，從而完成各種圖形的刻寫。

(2) 調(diào)焦系統(tǒng)。

調(diào)焦系統(tǒng)的工作原理是:通過z軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整聚焦物鏡的高度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確聚焦。光刻物鏡的焦深決定了系統(tǒng)的最大調(diào)焦精度范圍，這里的調(diào)焦伺服系統(tǒng)位移執(zhí)行器的精度要求應(yīng)該小于物鏡焦深。

(3) x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

x-y二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)主要任務(wù)是為激光直寫系統(tǒng)提供高精度的、穩(wěn)定的、均勻的、實(shí)時(shí)的位置控制和速度控制，通過精確的位置控制產(chǎn)生復(fù)雜的二維圖形，同時(shí)通過速度的控制保證各點(diǎn)的均勻曝光，否則將引起光刻線條的寬度變化。對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)而言，穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的基礎(chǔ)是要具有良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)要求傳動(dòng)螺桿應(yīng)具有一定的機(jī)械剛性，剛性不好，將會(huì)產(chǎn)生較大的彈性形變，影響系統(tǒng)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(dòng)摩擦，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用超精密線性滑軌導(dǎo)向，這些都有效地保證了運(yùn)動(dòng)精度和直線性。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用松下公司的MINAS A系列交流伺服電機(jī)，它具有17位增量編碼器，對(duì)于螺距為4 mm的x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其單步行程為4/21730 nm，能滿足激光直寫光刻系統(tǒng)的定位精度設(shè)計(jì)要求。MINAS A系列交流伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度高，控制復(fù)雜，下面將給出更詳細(xì)的介紹。

1.1 松下MINAS A系列交流伺服系統(tǒng)

松下MINAS A系列交流伺服系統(tǒng)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(shè)計(jì)的這套高精度激光直寫系統(tǒng)的調(diào)焦和x-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)子系統(tǒng)主要用到的是它的位置控制模式。伺服電機(jī)在PC機(jī)和控制器控制下，帶動(dòng)二維工作臺(tái)在空間內(nèi)做軌跡運(yùn)動(dòng)，需要由控制電路發(fā)出脈沖和方向信號(hào)，經(jīng)光電隔離后送入伺服驅(qū)動(dòng)器中。這些控制信號(hào)分別是：x軸脈沖信號(hào)，x軸方向信號(hào)；y軸脈沖信號(hào)，y軸方向信號(hào)。其中，脈沖信號(hào)控制電機(jī)所走的步數(shù)和速率，方向信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在伺服驅(qū)動(dòng)器中，PULS1和PULS2分別與控制電路板脈沖信號(hào)相連，SIGN1和SIGN2分別與方向信號(hào)端相連，這里脈沖和方向的輸出信號(hào)的接線都采用單脈沖接線方式。COM+，COM-分別接+12 V電源正負(fù)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(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行適當(dāng)連接。參數(shù)設(shè)置通過觸摸面板進(jìn)行。

1.2 三維運(yùn)動(dòng)控制卡總體設(shè)計(jì)

激光直寫光刻系統(tǒng)的控制電路主要應(yīng)該完成以下功能:

(1) 對(duì)三軸交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。主要包括三軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向控制、行程控制和速度控制。其中通過控制電機(jī)的運(yùn)行速度來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)被用來調(diào)節(jié)聚焦物鏡離基片的高度，從而達(dá)到調(diào)焦的目的。

(2) 限位保護(hù)。

針對(duì)上述功能要求，設(shè)計(jì)了一款運(yùn)動(dòng)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(shí)鐘產(chǎn)生模塊、方向信號(hào)產(chǎn)生模塊、脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊和保護(hù)功能模塊構(gòu)成。

首先經(jīng)譯碼電路得到方向信號(hào)產(chǎn)生模塊和脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊的片選信號(hào)，當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，則選中2個(gè)模塊，通過上位機(jī)寫入初始值，2個(gè)模塊開始工作，產(chǎn)生脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，這些信號(hào)分別接至交流伺服驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)端口，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)工作平臺(tái)動(dòng)作。在設(shè)計(jì)的這套激光直寫光刻系統(tǒng)中，第三軸電機(jī)用來控制調(diào)焦系統(tǒng)，曝光量的控制是通過改變脈沖的周期來實(shí)現(xiàn)。

1.3 主要模塊設(shè)計(jì)

(1) 時(shí)鐘產(chǎn)生模塊。

8253的工作頻率不能超過2 MHz，而ISA接口提供的時(shí)鐘為14.318 MHz，為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)分頻時(shí)鐘電路，這個(gè)模塊由3個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，主要功能是為計(jì)數(shù)器8253提供時(shí)鐘信號(hào)。第一個(gè)D觸發(fā)器的CLK直接接至ISA總線的61腳（OSC振蕩器輸出腳），利用PC機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘，這樣就無需外加一個(gè)振蕩電路，減小了板卡的尺寸，節(jié)約了成本。當(dāng)14.318 MHz的脈沖信號(hào)經(jīng)過3個(gè)D觸發(fā)器后，被8分頻，送出的信號(hào)分別加至2片8253的相應(yīng)引腳。

(2) 方向信號(hào)產(chǎn)生模塊。

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向信號(hào)由該方向信號(hào)產(chǎn)生模塊提供，方向信號(hào)產(chǎn)生模塊的工作原理是：根據(jù)8255端口地址安排，設(shè)置A1A0=10，選中數(shù)據(jù)傳輸口C口，通過軟件設(shè)置PC1，PC2和PC3的值為高電平或低電平，使得電機(jī)出現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。這里需要說明的是，工作臺(tái)沿著導(dǎo)軌正走或反走，但不能無限制的走下去，如果走到導(dǎo)軌兩頭，還有脈沖信號(hào)提供給電機(jī)，就會(huì)出現(xiàn)過沖，將毀壞電機(jī)。為了避免此種情況的發(fā)生，在制作運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌時(shí)，特別在每個(gè)導(dǎo)軌兩端加上2個(gè)觸片式保護(hù)開關(guān)，當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)到導(dǎo)軌兩頭時(shí)，就會(huì)觸到開關(guān)，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，這時(shí)就可以重新設(shè)置PC1，PC2和PC3的值，使電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到保護(hù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的作用。

(3) 脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊。

這里僅就OUT1信號(hào)的產(chǎn)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(tài)，它的時(shí)鐘CLK由OUT1提供，工作方式設(shè)為方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式）。該通道用于計(jì)脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，COUT1就跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反向器后控制GATE1為低電平，阻止通道0輸出脈沖。時(shí)鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)作為通道0的基準(zhǔn)時(shí)鐘，通道0的工作方式設(shè)為方式3（方波發(fā)生器）。它根據(jù)設(shè)定的初值對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，輸出脈沖的個(gè)數(shù)受通道1計(jì)數(shù)的控制，最終由OUT1腳輸出一定速率和個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)。

(4) 限位保護(hù)電路。

限位保護(hù)模塊的主要功能就是避免過沖，保護(hù)電機(jī)。當(dāng)工作臺(tái)隨電機(jī)運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌兩端，觸碰到限位開關(guān)時(shí)，為了保護(hù)電機(jī)不致于過沖，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在三維運(yùn)動(dòng)控制卡中設(shè)計(jì)了8253門信號(hào)控制電路，GATE信號(hào)由COUT，PC0和IRQ3共同來決定。PC0具有最高級(jí)別，當(dāng)PC0=0時(shí)，不管COUT，IRQ3為低還是為高， GATE都為高；只有當(dāng)PC0=1時(shí)，模塊才正常工作。就控制第一軸電機(jī)的脈沖信號(hào)來說，設(shè)置PC0=1，電機(jī)沒有到達(dá)導(dǎo)軌兩頭時(shí)，也即是IRQ3為低電平時(shí)，第一片8253的通道1計(jì)數(shù)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，具體走多少步，通過寫入計(jì)數(shù)初值來決定，當(dāng)計(jì)數(shù)完成，COUT1跳變成高電平，GATE1為低，通道0中止工作。這時(shí)候可以設(shè)置PC0=0，讓通道0工作，但通道1無動(dòng)作。當(dāng)電機(jī)到達(dá)導(dǎo)軌兩頭時(shí)，PC0仍設(shè)置為1，這時(shí)將向計(jì)算機(jī)內(nèi)部申請(qǐng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，使GATE1變?yōu)榈碗娖?，無論通道1有沒有計(jì)數(shù)完成，都將因沒有時(shí)鐘信號(hào)提供而中止計(jì)數(shù)。只有中斷服務(wù)程序結(jié)束，或?qū)C0置為0，通道1才繼續(xù)計(jì)數(shù)。這個(gè)過程具有保護(hù)功能。當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌兩頭，觸碰到開關(guān)，就必須停下來，否則將損壞電機(jī)。要使電機(jī)有一定的回轉(zhuǎn)功能，只需將PC0置為0，改變方向信號(hào)PC1即可。

2 基于ISA接口的控制電路軟件設(shè)計(jì)

這款三維運(yùn)動(dòng)控制卡的控制程序的開發(fā)是在微軟公司的Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境^{［8，9］}中設(shè)計(jì)完成的。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)預(yù)定實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)，得出了控制電路的軟件部分的總體設(shè)計(jì)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(gè)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(shè)置方向信號(hào)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(shí)驗(yàn)，表明上述激光直寫光刻系統(tǒng)完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡(jiǎn)單，行程軌跡精確、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于許多微光學(xué)器件加工領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

3 激光直寫系統(tǒng)光刻實(shí)驗(yàn)

3.1 感光膠片刻蝕實(shí)驗(yàn)

利用Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境編制了直線和圓的運(yùn)動(dòng)控制程序，采用100 mW 的532 nm綠色半導(dǎo)體泵蒲固體激光器，成功地對(duì)35 mm彩色膠卷進(jìn)行了光刻燒蝕實(shí)驗(yàn)，刻蝕照片如圖4和圖5所示。

3.2 SU-8光刻膠光刻實(shí)驗(yàn)

SU-8膠是基于Epon SU-8環(huán)氧膠（最初由Shell chemical開發(fā)）和IBM專利發(fā)展而來的一種負(fù)性化學(xué)放大光刻膠，它是由一種具有多官能團(tuán)的、高度分支的聚合物環(huán)氧樹脂和少量光引發(fā)劑（PGA）溶于有機(jī)溶劑構(gòu)成的。用它來制作光波導(dǎo)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(jiān)膜、蝕刻、去膠等幾個(gè)步驟。圖6給出了刻蝕得到的直線光波導(dǎo)的顯微照片，其中直線光波導(dǎo)的寬度為4 μm。

4 結(jié) 語

通過感光膠片和SU-8光刻膠的光刻實(shí)驗(yàn)，表明上述激光直寫光刻系統(tǒng)完全能夠滿足光刻精度的要求，并且具有控制簡(jiǎn)單，行程軌跡精確、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于許多微光學(xué)器件加工領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

［1］Haruna M，Takahashi M，Wakahayashi K，et al.Laser Beam Lithographed Micro-Fresnel Lenses［J］.Applied Optics，1990，29(34):5 120-5 126.

［2］張羽，楊坤濤，楊長(zhǎng)城.二元光學(xué)元件的制作技術(shù)與進(jìn)展［J］.光學(xué)儀器，2005，27(2):80-85.

［3］William Goltsos，Sharlene Liu.Polar Coordinate Laser Writer for Binary Optics Fabrication［J］.Proc.SPIE，1990，1 211:137-147.

［4］Andrei Y Smuknabil M Lawandy.Direct Laser Writing of Diffractive Optics in Glass［J］.Opt.Lett.，1997，22(13):1 030-1 032.

［5］Que Wenxiu，Zhou Yan，Chan Yuenchuen，et al.Fabrication of Composite Solgel Optical Channel Waveguides by Laser Writing Lithography［J］.Proc.SPIE，1999，3740:290-293.

［6］秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1995.

［7］胡慶波，胡海兵，呂征宇.基于交流永磁同步電機(jī)的全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(2):69-72.

［8］黃維通.Visual C++面向?qū)ο笈c可視化程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

［9］嚴(yán)迪新，班建民.Visual C++程序設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［10］朱軍，趙小林，倪智萍.SU-8光刻膠的應(yīng)用工藝研究［J］.微細(xì)加工技術(shù)，2001(2):57-60.

作者簡(jiǎn)介 楊特育 女，1981年出生，河南固始人，實(shí)驗(yàn)師，碩士。主要從事電路與系統(tǒng)方面的研究。