專利名稱：用于制作圓光柵碼盤的逐點光刻劃方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光柵制作技術(shù)，尤其涉及一種制作圓光柵碼盤的逐點光刻劃方法及其系統(tǒng)。
圓光柵碼盤是精確測定角位移的傳感元件。通常采用碼盤形成的莫爾效應(yīng)僅能測到角位移的相對變化量，若在碼盤上增加一組零光柵，才可測定角位置的絕對值。但使用很不方便，尤其是在測量過程中如遇電子控制器電源被切斷后重新啟動，或受到外部干擾使電子控制器內(nèi)部狀態(tài)記憶觸發(fā)器發(fā)生錯誤翻轉(zhuǎn)，則只有在測量頭通過零光柵參考點后，才能繼續(xù)正確地進(jìn)行絕對位置的測量。為了克服上述缺點，在現(xiàn)代儀器設(shè)備中使用了絕對編碼的圓光柵碼盤。絕對編碼圓光柵上的柵線寬度是變化的。
目前，有二種刻劃圓光柵碼盤的系統(tǒng)。一種是金剛刀機(jī)刻系統(tǒng)，另一種是掩膜光刻系統(tǒng)。金剛刀機(jī)刻系統(tǒng)不適宜刻劃柵線寬度變化的圖案，尤其不適宜刻劃在同一角度不同半徑位置處柵線寬度變化的線條，而且因為在刻劃過程中，金剛刀有停止?fàn)顟B(tài)，因而刻劃速度慢;掩膜光刻系統(tǒng)對光柵寬度變化的適應(yīng)能力雖然比金剛刀機(jī)刻系統(tǒng)要強(qiáng)，但也不適宜制作圖案復(fù)雜的特殊編碼的圓光柵碼盤。
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能制作具有同一半徑不同角度或同一角度不同半徑處柵線寬度不相同的復(fù)雜編碼的圓光柵碼盤的逐點光刻劃方法及其系統(tǒng)。
本發(fā)明的逐點光刻劃方法包括使待刻劃碼盤勻速旋轉(zhuǎn);產(chǎn)生與待刻劃碼盤角位置鎖定且與該待刻劃碼盤要求的編碼圖形相應(yīng)的編碼信號;產(chǎn)生受所述編碼信號控制的、直徑為微米級或亞微米級的刻劃光斑;使刻劃光斑會聚于待刻劃碼盤的待刻劃區(qū)域并使所述刻劃光斑在所述待刻劃碼盤旋轉(zhuǎn)過程中沿該碼盤徑向直線進(jìn)給，從而形成平面螺旋線的刻劃軌跡。
待刻劃碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，刻劃光斑沿該碼盤徑向進(jìn)給距離最好為刻劃光斑直徑的四分之一至四分之三。
本發(fā)明的光刻劃系統(tǒng)包括用于使待刻劃碼盤勻速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺裝置;用于產(chǎn)生與所述待刻劃碼盤角位置鎖定且與待刻劃碼盤要求的編碼圖形相應(yīng)的編碼信號的編碼信號產(chǎn)生裝置;受所述編碼信號控制，用于在所述碼盤的待刻劃區(qū)域中形成直徑為微米或亞微米級光斑的刻劃光斑產(chǎn)生裝置;用于在回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，使所述刻劃光斑產(chǎn)生裝置的刻劃光斑和回轉(zhuǎn)臺裝置在回轉(zhuǎn)臺徑向作相對移動的徑向直線進(jìn)給裝置。
本發(fā)明的逐點光刻劃方法及其系統(tǒng)，由于是連續(xù)動態(tài)刻劃，因而具有刻劃速度快，刻劃精度高的優(yōu)點;尤其是，通過選擇不同的編碼信號可以在碼盤上形成與之相應(yīng)的編碼圖形，因而本發(fā)明完滿地解決了現(xiàn)有技術(shù)在刻劃柵線寬度變化、圖案復(fù)雜的圓光柵碼盤時所存在的困難。
本發(fā)明除可用于刻劃圓光柵碼盤，特別是刻劃例如碼盤格值為1(角)分的絕對編碼圓光柵碼盤外，還可能應(yīng)用于制作特大象素的圖案。
下面參照附圖敘述本發(fā)明的實施例，通過敘述，本發(fā)明所具有的優(yōu)點和效果將會更加清楚，但這種敘述不限定本發(fā)明的范圍。


圖1是本發(fā)明的逐點光刻劃系統(tǒng)的框圖;
圖2是刻劃光斑產(chǎn)生裝置的構(gòu)成示意圖;
圖3是調(diào)焦伺服環(huán)路的組成框圖;
圖4是回轉(zhuǎn)臺裝置的構(gòu)成示意圖;
圖5是徑向直線進(jìn)給裝置組成示意圖;
圖6是編碼信號產(chǎn)生裝置的組成框圖;
圖7是說明柵線圖案與編碼信號之間關(guān)系的圖;
圖8是說明刻劃途徑的圖。
參見圖1，本發(fā)明的逐點光刻劃系統(tǒng)包括刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)，回轉(zhuǎn)臺裝置(2)、徑向直線進(jìn)給裝置(3)和編碼信號產(chǎn)生裝置(4)?？虅澒獍弋a(chǎn)生裝置(1)在置于回轉(zhuǎn)臺裝置(2)上的待刻劃碼盤上形成直徑為微米級或亞微米級的刻劃光斑，但該刻劃光斑輸出與否受編碼信號產(chǎn)生裝置(4)產(chǎn)生的編碼信號控制;回轉(zhuǎn)臺裝置(2)使置于其上的待刻劃碼盤勻速旋轉(zhuǎn)，且由徑向直線進(jìn)給裝置(3)使之在旋轉(zhuǎn)過程中與刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)在徑向發(fā)生相對位移。當(dāng)回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一圈時?？虅澒獍呔屯瓿蓪Υ虅澊a盤某一半徑位置處的刻劃，在徑向直線進(jìn)給裝置(3)的作用下，刻劃光斑沿著回轉(zhuǎn)臺半徑方向勻速移動并使同一角度位置不同半徑處的記錄光點精密連接，從而形成碼盤柵線圖案;回轉(zhuǎn)臺裝置(2)向編碼信號發(fā)生裝置(4)輸出高精度角度位置電脈沖信號，以使編碼裝置(4)產(chǎn)生的編碼信號與待刻劃盤的角位置相關(guān);編碼信號產(chǎn)生裝置(4)產(chǎn)生與待刻劃碼盤角位置鎖定且與待刻劃編碼圖形相應(yīng)的編碼信號，該編碼信號用于控制刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)產(chǎn)生刻劃光斑。
參見圖2，圖2是圖1所示的刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)的構(gòu)成示意圖，激光器(5)發(fā)出的激光光束經(jīng)光調(diào)制器(6)、光擴(kuò)束器(7)后被物鏡(8)會聚，形成直徑為微米級或亞微米級的刻劃光斑，該刻劃光斑輸出到置于回轉(zhuǎn)臺裝置(2)的待刻劃碼盤，對其進(jìn)行逐點刻劃。由編碼信號產(chǎn)生裝置(4)產(chǎn)生的編碼信號輸入至光調(diào)制器(6)，用于控制刻劃光斑輸出與否。(10)是調(diào)焦伺服環(huán)路，物鏡(8)安裝在音圈電機(jī)(9)上，它們的作用將在下面結(jié)合圖3敘述。
激光器(5)例如是入為457.9nm的氬離子激光或入為441.6nm的氦鎘激光，其輸出功率一般在幾十毫瓦至幾瓦范圍內(nèi)，激光的波長與輸出功率根據(jù)待刻劃碼盤上的光記錄材料的響應(yīng)光譜來選定，該激光器是連續(xù)激光器。光調(diào)制器(6)可以是電光調(diào)制器也可以是聲光調(diào)制器，它在編碼信號控制下，使激光通過或阻止激光束通過。光擴(kuò)束器(7)是為了使激光束充滿物鏡(8)的通光口徑以提高光斑質(zhì)量。
參見圖3，圖3是調(diào)焦伺服環(huán)路(10)的組成框圖。由于會聚激光束的物鏡(8)的焦深小于5μm，而在回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，待刻劃碼盤的軸向跳動量一般遠(yuǎn)大于焦深范圍，故需要對物鏡(8)進(jìn)行自動調(diào)焦。物鏡(8)的失焦量即調(diào)焦誤差信號通?？刹捎眉す庖暠P放送機(jī)或CD唱機(jī)中所使用的光學(xué)方法檢測。檢測出的調(diào)焦誤差信號由圖3所示的調(diào)焦伺服環(huán)路(10)處理后，驅(qū)動音圈電機(jī)(9)，使刻劃過程中刻劃光斑始終會聚在待刻劃碼盤的光記錄層表面。
物鏡(8)的失焦信號輸入到前置放大器(11)，再經(jīng)PID校正器(12)和功率放大器(13)，以驅(qū)動與聚焦物鏡(8)一體設(shè)置的音圈電機(jī)(9)，由音圈電機(jī)(9)帶動聚焦物鏡(8)跟隨待刻劃碼盤表面上下運動，進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)自動調(diào)焦的目的。PID校正器(12)主要是根據(jù)音圈電機(jī)(9)的頻率特性，用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行校正。它使閉環(huán)系統(tǒng)在開環(huán)增益較高的情況下能穩(wěn)定地工作。
圖4是回轉(zhuǎn)臺裝置(2)的構(gòu)成示意圖。參見圖4，待刻劃碼盤(14)安置在回轉(zhuǎn)臺(16)上。碼盤(14)表面涂復(fù)一層光記錄材料層(17)，它可以是感光材料如光刻膠等，也可以是其它記錄材料如金屬薄膜。前者被刻劃光斑曝光后，還需經(jīng)顯影、定影處理后才能顯現(xiàn)出圖案;后者在刻劃光斑作用下或者被燒蝕，或者發(fā)生相變等，可直接形成碼盤圖案。
在回轉(zhuǎn)臺(16)上安裝一付高精度的標(biāo)準(zhǔn)光柵碼盤(15)，其柵線誤差例如為1(角)秒。標(biāo)準(zhǔn)光柵碼盤(15)和多光學(xué)頭讀出處理器(29)組成光柵發(fā)訊單元(30)。光柵發(fā)訊單元(30)、鑒相電路(18)、功率放大單元(19)、回轉(zhuǎn)電機(jī)(21)和晶體諧振器(20)構(gòu)成穩(wěn)速控制環(huán)路。二塊高精度的標(biāo)準(zhǔn)光柵碼盤(15)，其中一塊是動光柵，跟隨主軸轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動時與另一塊定光柵發(fā)生相對位移，產(chǎn)生角位移基準(zhǔn)信號，該角位移基準(zhǔn)信號由多光學(xué)頭讀出處理器(29)讀出，讀出處理器(29)的設(shè)置是為了提高角位移基準(zhǔn)信號的精度，由讀出處理器(29)輸出的角度位置電脈沖信號送到鑒相電路(18)中與來自晶體諧振器(20)的高精度標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖進(jìn)行相位比較，所得的相位誤差信號經(jīng)低通濾波后在功率放大單元(19)中進(jìn)行功率放大，然后驅(qū)動回轉(zhuǎn)電機(jī)(21)，形成PLL閉環(huán)控制。由于回轉(zhuǎn)電機(jī)(21)、高精度標(biāo)準(zhǔn)光柵碼盤(15)和待刻劃碼盤(14)是安裝在同一精密主軸上，故只要PLL環(huán)路鎖定，就可以獲得與晶體諧振器同精度的角度位置電脈沖信號，使得角空間均勻分布的光柵發(fā)訊單元(30)發(fā)出的光柵電脈沖信號在時間上也是均勻分布的;因而，當(dāng)PLL環(huán)路鎖定時，待刻劃碼盤的瞬時轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定的，其速度值由晶體諧振器(20)確定，光柵發(fā)訊單元(30)在回轉(zhuǎn)臺每旋轉(zhuǎn)一圈時，還給出一個零位脈沖信號，隨同上述高精度角度位置電脈沖信號一起輸?shù)骄幋a信號發(fā)生裝置(4)中。回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)計應(yīng)考慮到光記錄介質(zhì)的響應(yīng)時間。例如選取60轉(zhuǎn)/分～600轉(zhuǎn)/分。
圖5是徑向直線進(jìn)給裝置組成示意圖。參見圖5，直線進(jìn)給裝置(3)是高精度一維進(jìn)給工作臺，它由工作臺(26)、螺母(22)、絲桿(23)、蝸輪蝸桿(24)和驅(qū)動電機(jī)(25)組成。當(dāng)絲桿(23)和蝸輪蝸桿(24)的參數(shù)選定之后，工作臺的直線進(jìn)給量就取決于回轉(zhuǎn)電機(jī)(21)與驅(qū)動電機(jī)(25)的轉(zhuǎn)速比。驅(qū)動電機(jī)(25)可以采用力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或同步電機(jī)等，驅(qū)動電機(jī)(25)以某一速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿(24)帶動絲桿(23)轉(zhuǎn)動，絲桿帶動螺母(22)推動進(jìn)給工作臺(26)。螺母(22)、絲桿(23)、蝸輪蝸桿(24)可用熟知的其它減速機(jī)構(gòu)來代替。如下所述，進(jìn)給工作臺(26)移動將使刻劃光斑沿回轉(zhuǎn)臺(16)半徑方向移動，這種徑向直線進(jìn)給與回轉(zhuǎn)臺(16)的旋轉(zhuǎn)平面的運轉(zhuǎn)相結(jié)合，使刻劃光斑在待刻劃碼盤上形成平面螺旋線軌跡。如前所述，在回轉(zhuǎn)臺(16)旋轉(zhuǎn)過程中，刻劃光斑需沿回轉(zhuǎn)臺(16)半徑方向勻速移動。這可有二種實施方法其一，固定刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)，由直線進(jìn)給工作臺(26)驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺裝置(2)作勻速移動。其二，固定回轉(zhuǎn)臺裝置(2)，而在工作臺(26)上安裝刻劃光斑產(chǎn)生裝置的部分光學(xué)部件。通常都采用后者，這是由于后一方式負(fù)荷較輕的緣故。
在回轉(zhuǎn)臺(16)旋轉(zhuǎn)過程中，徑向直線進(jìn)給裝置(3)使刻劃光斑與刻劃碼盤(14)沿回轉(zhuǎn)臺(16)半徑方向發(fā)生相對勻速移動。其進(jìn)給量的選定要考慮到最終形成的碼盤柵線圖案的質(zhì)量和刻劃碼盤所需的時間，回轉(zhuǎn)臺(16)每旋轉(zhuǎn)一圈，刻劃光斑沿半徑方向最好移動約為1/4～3/4光斑直徑的距離，這樣就可以獲得較好的柵線圖案。
圖6是編碼信號產(chǎn)生裝置的組成框圖。參見圖6，由回轉(zhuǎn)臺裝置(2)輸出的高精度角位置電脈沖信號輸入到數(shù)字頻率合成電路(27)，該電路產(chǎn)生滿足待刻劃碼盤(14)特定圖案要求的時鐘信號，其頻率符合編碼要求的時間分辨率(即對應(yīng)圖案精度)，其相位與高精度標(biāo)準(zhǔn)光柵角位移基準(zhǔn)信號嚴(yán)格相關(guān)。數(shù)字頻率合成電路(27)輸出的時鐘信號被輸?shù)焦?jié)拍編碼電路(28)。節(jié)拍編碼電路(28)通常可由微機(jī)、單板機(jī)或單片機(jī)實現(xiàn)，主要是根據(jù)待刻劃圖案的復(fù)雜程度而定。
將數(shù)字化了的待刻劃圖案信息預(yù)先存入節(jié)拍編碼電路(28)的計算機(jī)內(nèi)，刻劃時，計算機(jī)根據(jù)回轉(zhuǎn)臺裝置(2)輸出的高精度角位置電脈沖信號以及零位脈沖信號，計算出當(dāng)前刻劃光斑點的位置，即該點的半徑和角度值。然后輸出存貯的圖案信息中對應(yīng)該點的信號，控制光調(diào)制器(6)，即控制刻劃光斑輸出與否。對于刻劃二進(jìn)制編碼光柵碼盤，通常使用格雷(Gray)碼。節(jié)拍編碼電路(28)也可以用通用邏輯電路設(shè)計完成。這種節(jié)拍編碼電路的構(gòu)成是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。由于編碼信號產(chǎn)生裝置(4)輸出的編碼信號是與高精度標(biāo)準(zhǔn)光柵(15)的角位移基準(zhǔn)信號嚴(yán)格相關(guān)，因而編碼信號的產(chǎn)生(即對刻劃光斑的控制)與待刻劃碼盤(14)預(yù)定刻劃該圖案的角位置精確對應(yīng);又由于該編碼信號相應(yīng)于待刻劃柵線圖案，因而該編碼信號可以控制光斑在待刻劃碼盤(14)的預(yù)定位置上產(chǎn)生預(yù)期的精確的柵線圖案。
圖7是說明待刻劃柵線圖案與編碼信號關(guān)系的圖。參見圖7，碼盤上需要的柵線圖案例如如圖7A所示，其中，縱軸是徑向距離r，橫軸是角位置θ，則在刻劃光斑移動到r1～r2、r2～r3、r3～r4、及r4～r5之間時的編碼信號分別如圖7B～圖7E所示。圖7B～圖7E的縱軸是編碼信號電壓幅值，橫軸是時間軸。
圖8是說明刻劃途徑的圖。參見圖8A。S為回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向，這里假定是逆時針方向旋轉(zhuǎn)。D是進(jìn)給方向。因此刻劃光斑由外向圓心方向勻速移動，刻劃軌跡是如圖示的螺旋線。圖中Po為刻劃起始點，Pt為正在刻劃的點。圖8B是圖8A的局部W的放大圖。r為直徑方向，虛線為刻劃軌跡，n，n+1，n+2，…為相繼的軌跡編號。圖中k1為n+2軌跡上形成的柵線線條;k2為編號為n+6至n+14區(qū)域中形成的長度為5個光斑大小的柵線線條。這些柵線線條構(gòu)成了光柵碼盤圖案的一部分。
以上對本發(fā)明的實施例作了詳細(xì)敘述，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出種種變換，但這些變換仍應(yīng)認(rèn)為落在本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種用于制作圓光柵碼盤的逐點光刻劃方法，其特征在于包括下列步驟使待刻劃碼盤勻速旋轉(zhuǎn)；產(chǎn)生與待刻劃碼盤角位置鎖定且與該待刻劃碼盤要求的編碼圖形相應(yīng)的編碼信號；產(chǎn)生受所述編碼信號控制的、直徑為微米級或亞微米級的刻劃光斑；使刻劃光斑會聚于待刻劃碼盤的待刻劃區(qū)域并使所述刻劃光斑在所述待刻劃碼盤旋轉(zhuǎn)過程中沿該碼盤徑向直線進(jìn)給，從而形成平面螺旋線的刻劃軌跡。
2.如權(quán)利要求1所述的逐點光刻劃方法，其特征在于，所述待刻劃碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，所述刻劃光斑沿該碼盤徑向進(jìn)給距離為刻劃光斑直徑的四分之一至四分之三。
3.一種用于制作圓光柵碼盤的逐點光刻劃系統(tǒng)，其特征在于包括用于使待刻劃碼盤勻速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺裝置(2);用于產(chǎn)生與所述待刻劃碼盤角位置鎖定且與待刻劃碼盤要求的編碼圖形相應(yīng)的編碼信號產(chǎn)生裝置(4);受所述編碼信號控制、用于在所述碼盤的待刻劃區(qū)域形成直徑為微米級或亞微米級光斑的刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1);用于在回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中，使所述刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)的刻劃光斑和回轉(zhuǎn)臺裝置(2)在回轉(zhuǎn)臺徑向作相對移動的徑向直線進(jìn)給裝置(3)。
4.如權(quán)利要求3所述的光刻劃系統(tǒng)，其特征在于所述的回轉(zhuǎn)臺裝置(2)包括待刻劃碼盤設(shè)置在其上的回轉(zhuǎn)臺(16)和穩(wěn)速控制環(huán)路，所述穩(wěn)速控制環(huán)路由安裝在所述回轉(zhuǎn)臺主軸上的高精度的標(biāo)準(zhǔn)光柵碼盤(15)和多光學(xué)頭讀出處理器(29)組成的光柵發(fā)訊單元(30)、及速度鑒相電路(18)、功率放大電路(19)、回轉(zhuǎn)電機(jī)(21)、晶體諧振器(20)所構(gòu)成;所述的編碼信號產(chǎn)生裝置(4)包括數(shù)字頻率合成電路(27)和節(jié)拍編碼電路(28);所述的刻劃光斑產(chǎn)生裝置(1)包括激光器(5)，光調(diào)制器(6)、光擴(kuò)束器(7)、聚焦物鏡(8)和調(diào)焦伺服環(huán)路(10);所述的徑向直線進(jìn)給裝置(3)包括工作臺(26)，減速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電機(jī)(25)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的光刻劃系統(tǒng)，其特征在于，所述的回轉(zhuǎn)臺裝置每旋轉(zhuǎn)一周，徑向直線進(jìn)給裝置使刻劃光斑在回轉(zhuǎn)臺徑向移動約為四分之一至四分之三光斑直徑的距離。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種制作圓光柵碼盤的逐點光刻劃方法及其系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括使待刻劃碼盤勻速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺裝置；產(chǎn)生與待刻劃碼盤角位置鎖定且與待刻劃碼盤所需的編碼圖形相應(yīng)的編碼信號的編碼信號產(chǎn)生裝置；受所述編碼信號控制、在碼盤的待刻劃區(qū)域中形成直徑為微米級或亞微米級光斑的刻劃光斑產(chǎn)生裝置；使所述刻劃光斑與待刻劃碼盤產(chǎn)生相對位移的徑向直線進(jìn)給裝置。本發(fā)明具有刻劃速度快、精度高及可刻劃圖案復(fù)雜的光柵碼盤的優(yōu)點。
文檔編號G03F1/00GK1072273SQ91110769
公開日1993年5月19日 申請日期1991年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月11日
發(fā)明者沈冠群, 吳賓初, 蔡康澤, 曹沛其, 黃宣邵, 陳墾 申請人:上海市激光技術(shù)研究所