激光直写方法、控制设备及激光直写系统与流程

【】本技术涉及一种激光直写方法、控制设备及激光直写系统，属于激光直写光刻。

背景技术

0、背景技术：

1、激光直写技术是制作衍射光学元件的主要技术之一，它利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后便在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓。激光直写技术是一种无需掩模、适用面广、性价比高的微纳米加工手段，由于其具有低成本与便利性，目前已经广泛应用于掩模板、微机电系统、微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)器件、微纳光学器件等微纳米制造领域。

2、目前常用的激光直写方法包括基于数字微镜(digtial micromirror devices，dmd)器件建立的激光直写系统进行微镜制作。其中，dmd是一种由多个高速数字式光反射开关组成的微镜阵列，微镜大小从几个微米到十几微米。dmd可与用于显示的可见led、激光或灯照明配对，还可支持用于光控制应用的紫外或红外波长，在激光直写领域被广泛采用。

3、在基于dmd的激光直写系统中对于灰阶图形的曝光通常有以下技术方案。

4、第一种：固定dmd每帧图形的翻转时间，通过调节照明光源的强度来实现不同深度的灰阶曝光。上述技术方案需要调节透射光功率密度。而照明光源功率的调节需要有一定的稳定时间，该稳定时间远远落后于dmd微秒级的微镜翻转时间。因此，该技术方案往往需要秒级的静台等待时间，不能实现高速化扫描直写光刻。

5、第二种：固定光源强度，通过精确调制dmd每帧图形显示的占空比进而实现不同灰度值的曝光能量。例如：设定dmd显示一帧图形的总时间256毫秒，灰度值为1时微镜打开显示1毫秒关闭255毫秒，灰度值为2时微镜打开显示2毫秒关闭254毫秒，依此类推实现256等级的灰阶曝光能量。

6、然而，第二种技术方案依然需要一定的静台时间来确保显示周期内的曝光计量累积，无法实现高速化的扫描直写光刻。

7、第三种：对曝光图形进行像素化，根据灰阶设定得到每个像素的灰阶权值，并使之与微镜的打开次数对应。光刻时每次移动一个微镜距离并通过灰阶权值决定当前微镜是打开还是关闭。这样通过至少灰阶次数的叠加曝光实现了灰阶光刻。

8、然而，第三种技术方案虽然可以解决高速扫描下的灰阶光刻问题，但是光刻过程中每次只能移动一个dmd像素距离，导致直写扫描速度较低的问题，并且不能在扫描维度调节满足最小灰阶曝光叠加次数之外的额外灰阶曝光循环次数。以行业普遍采用的0.95英寸1920像素×1080像素的dmd为例，假设dmd中每个微镜像素的尺寸为10.8um、光学系统微缩20倍、且满帧刷新频率15000帧，则像素成像分辨率为10.8/20＝0.54um，扫描速度0.54×15000＝8.1mm/s，这对于大幅面的灰阶直写效率远远不够。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本技术提供了一种激光直写方法、控制设备及激光直写系统，可以解决现有的基于dmd作为空间光调制器的直写光刻系统，在进行灰阶扫描时每次移动一个像素步距，导致扫描速度低、直写效率低的问题；还可以解决不能在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数，导致只能单方面通过增加光源功率来实现更深微结构的制作的问题。本技术提出的一种新的灰阶直写光刻方法，该方法通过设定滑动提取窗口对灰阶图形进行像素阈值提取，结合匹配对应的dmd显示窗口，实现了多像素步距下的灰阶滚动直写光刻，并且能灵活调节灰阶扫描的额外灰阶曝光循环次数，可以提高光刻效率。本技术提供如下技术方案：

2、第一方面，提供一种激光直写方法，所述方法包括：

3、根据直写设备的光学分辨率r，获取待加工的灰阶图像；

4、设定光刻的灰阶等级n，设定扫描像素步距m，设定灰阶曝光循环次数q，满足m*(n-1)*q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；

5、将所述灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，所述图像条带宽度w小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；

6、设定曝光时滑动提取窗口的大小；

7、对于每个所述图像条带，根据所述灰阶等级n，所述扫描像素步距m和所述灰阶曝光循环次数q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；

8、运动平台在y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在x方向移动一个移动步距xstep，所述移动步距xstep为所述图形条带宽度w与所述光学分辨率r的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，x方向和y方向正交。

9、可选地，所述设定曝光时滑动提取窗口的大小，包括：

10、设定所述滑动提取窗口的高度为m*(n-1)*q，宽度为所述图像条带宽度w。

11、可选地，所述对于每个所述图像条带，根据所述灰阶等级n，所述扫描像素步距m和所述灰阶曝光循环次数q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带，包括：

12、对灰阶进行划分，得到n-1个灰阶阈值，灰阶阈值gi＝i*gin，1≤i≤n-1，其中gin为灰阶区间的大小，gin＝总灰阶数g/灰阶等级n；

13、从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口依次进行周期性灰阶提取，得到二值数据，并将所述二值数据从底部开始依次放入新的图像条带，具体步骤包括：

14、从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口进行灰阶阈值判断，将大于或等于第1灰阶阈值g1的数据置位，将小于第一灰阶阈值g1的数据置零，得到新的宽度为w，高度为m*(n-1)*q二值数据；将所述二值数据放入新的图像条带底部；

15、控制滑动提取窗口向上移动m像素进行灰阶阈值判断，将大于或等于第2灰阶阈值g2的数据置位，将小于第2灰阶阈值g2的数据置零，得到新的宽度为w，高度为m*(n-1)*q二值数据；将所述二值数据从依次放入新的图像条带；

16、重复n-1次，完成一个周期灰阶提取；

17、滑动提取窗口向上移动m像素，并进行下一个周期灰阶提取，直至当前条带数据全部提取完毕，并得到所述新的图像条带。

18、可选地，所述从所述图像条带底部开始按所述滑动提取窗口进行灰阶阈值判断之前，还包括：

19、在所述图像条带的头部添加m*(n-1)*q行空白数据。

20、可选地，所述重复上述灰阶提取的步骤直至当前条带数据全部提取完毕，包括：

21、在所述图像条带的末尾不满足所述滑动提取窗口的高度的情况下，按照m*(n-1)*q凑整填充空白数据。

22、可选地，所述置位数据对应dmd空间光调制器打开，置零数据对应dmd空间光调制器关闭。

23、可选地，所述方法还包括：

24、对于每个所述新的图像条带，控制运动平台在y方向上进行扫描运动，运动平台在y方向上的扫描步距ystep为扫描像素步距m与光学分辨率r的乘积，每移动扫描步距ystep，触发一次同步信号，以按照所述新的图形条带从下往上的顺序提取与所述滑动提取窗口大小相同的图像，并触发所述空间光调制器上显示所述图像，同时激光器进行脉冲同步曝光。

25、可选地，所述根据直写设备的光学分辨率r，获取待加工的灰阶图像，包括：

26、按照所述光学分辨率r对加工图像进行灰阶化处理，得到所述灰阶图像。

27、第二方面，提供一种控制设备，所述控制设备包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序，所述程序由所述处理器加载并执行以实现第一方面提供的激光直写方法。

28、第三方面，提供一种激光直写系统，所述激光直写系统采用第一方面提供的激光直写方法。

29、本技术的有益效果至少包括：通过根据直写设备的光学分辨率r获取待加工的灰阶图像；设定光刻的灰阶等级n，设定扫描像素步距m，设定灰阶曝光循环次数q，满足m*(n-1)*q小于等于空间光调制器显示窗口的高度；将灰阶图像划分为复数个等宽度的图像条带，图像条带宽度w小于或等于空间光调制器显示窗口的宽度；设定曝光时滑动提取窗口的大小；对于每个图像条带，根据灰阶等级n，扫描像素步距m和灰阶曝光循环次数q，进行滑动提取窗口灰阶提取和数据重组，得到新的图像条带；运动平台在y方向上完成一个新的图像条带曝光后，在x方向移动一个移动步距xstep，所述移动步距xstep为所述图形条带宽度w与所述光学分辨率r的乘积，并对下一个新的图像条带进行曝光，直至完成对所有新的图像条带的曝光，所述x方向与所述y方向正交；可以解决现有的基于dmd作为空间光调制器的直写光刻系统，在进行灰阶扫描时每次移动一个像素步距，导致扫描速度低、直写效率低的问题；由于滑动提取窗口可以基于用户需要的像素步距滑动，因此，可以提高扫描速度，从而提高激光直写效率。

30、同时，还可以解决不能在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数，导致只能单方面通过增加光源功率来实现更深微结构的制作的问题；由于滑动提取窗口可以基于灰阶曝光循环次数对各个像素重复曝光，因此，可以实现在扫描过程中控制灰阶的额外灰阶曝光循环次数。

31、另外，通过在图像条带的像素高度无法满足最后一次滑动时的窗口高度的情况下，对图像条带的扫描结束位置添加空白数据，可以保证最后一个图像条带的数据完整性。

32、另外，通过在图像条带的扫描起始位置按照窗口高度添加空白数据，可以使得每个有效的像素行都能满足灰阶曝光循环次数的要求。

33、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。