一种激光直刻金属柱面光栅光刻机的制作方法

1.本公开涉及金属柱面光栅光刻机技术领域，具体涉及一种激光直刻金属柱面光栅光刻机。


背景技术：

2.金属柱面光栅是一种现代高精度先进的光学基准元件，因其具有测控精度高、耐冲击、振动、应用广泛、安装便捷等优良特性，而被广泛用于角位移的精准测量与控制中，光刻机是制造金属柱面光栅的母机，它关系到金属柱面光栅的制造水平。
3.随着现代科学技术的高速发展，对金属柱面光栅制造提出了高精度制造、高效率制造、绿色环保制造等更高的要求。目前，国内外金属柱面光栅生产技术，主要存在如下问题：其一、国内光栅光刻技术原理落后，采用的不是直刻技术，而是在涂有感光膜层的工件表面上光刻，之后还需要进行显影、腐蚀等工序，工作效率低、无检测功能、生产工艺过程有毒且污染环境，而且一般只能进行平面光栅光刻；其二，国外的现有同类技术中光刻机结构十分复杂，制造费用十分昂贵，光刻机采用高精度xyz三坐标运动原理定位光刻，其易产生光刻附加误差，且光刻机无检测功能。


技术实现要素：

4.本技术的目的是针对以上问题，提供一种激光直刻金属柱面光栅光刻机。
5.第一方面，本技术提供一种激光直刻金属柱面光栅光刻机，包括基座、回转系统、基准测控圆光栅系统、激光光刻系统及控制计算系统；
6.所述回转系统设置在所述基座上；所述基准测控圆光栅系统包括多码道基准圆光栅及设置在其上方的第一读数模块；所述多码道基准圆光栅设置在回转系统的顶端，多码道基准圆光栅的上方连接有柱面光栅基体，所述回转系统驱动多码道基准圆光栅及柱面光栅基体同步旋转；
7.所述激光光刻系统对应所述柱面光栅基体设置，用于对柱面光栅基体进行激光光刻；
8.所述多码道基准圆光栅包括四个用于拾取信号的线纹码道；所述第一读数模块包括若干第一光栅读数头，对应每个线纹码道设置第一数量的第一光栅读数头，每个线纹码道上的各个第一光栅读数头周向均匀间隔分布；
9.所述光刻机还包括设置在基座上对应柱面光栅基体的第二光栅读数头；
10.所述激光光刻系统、基准测控圆光栅系统及第二光栅读数头分别与所述控制计算系统信号连接；所述多码道基准圆光栅用于发射光刻触发基准信号及检测基准信号，所述第一读数模块用于读取光刻触发基准信号及检测基准信号并将其发送至控制计算系统；所述第二光栅读数头用于读取柱面光栅基体被光刻出线纹的被测检测信号并将其发送至控制计算系统；所述控制计算系统用于接收光刻触发基准信号并根据光刻触发基准信号向激光光刻系统发送同步光刻控制信号，所述控制计算系统还用于根据接收的所述检测基准信
号及被测检测信号，将二者进行比较计算，得到光刻机光刻精度的检测结果。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，所述激光光刻系统包括发射模块及xyz方向微调模块；所述发射模块固定在大型l板上，xyz方向微调模块设置在中型l板上，所述大型l板与中型l板通过螺钉可拆卸连接；所述xyz方向微调模块用于调整发射模块的方向；所述发射模块包括激光器、激光扩束镜组、直角反射棱镜、xy振镜组及聚焦镜组；所述激光器发出的光束依次经过激光扩束镜组、直角反射棱镜、xy振镜组及聚焦镜组后向柱面光栅基体射出。
12.根据本技术实施例提供的技术方案，所述中型l板包括第一长板及第一短板，所述第一短板垂直连接在第一长板的顶端，第一长板上靠近第一短板的一端设有第一连接孔；所述大型l板包括第二长板及第二短板，所述第二短板垂直连接在第二长板的一端，所述第二长板的两端对应所述第一连接孔分别设置第二连接孔及第三连接孔，所述第二连接孔及第三连接孔可分别通过螺钉与第一连接孔连接；所述激光器及激光扩束镜组设置在所述第二长板上，所述xy振镜组及聚焦镜组设置在所述第二短板上，所述直角反射棱镜设置在第二长板及第二短板的垂直连接处。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述光刻机还包括对应柱面光栅基体设置的第二光栅读数头，所述第二光栅读数头设置在柱面光栅基体的一侧；所述第二光栅读数头与所述控制计算系统信号连接；所述第二光栅读数头用于读取柱面光栅基体的被测检测信号，并将所述被测检测信号发送至控制计算系统；所述第一读数模块用于读取多码道基准圆光栅的检测基准信号，并将所述检测基准信号发送至所述控制计算系统。
14.根据本技术实施例提供的技术方案，四个所述线纹码道由外层至内层分别设为第一码道、第二码道、第三码道及第四码道；所述第一码道设置为增量式60进制光栅码道，用于拾取增量式60进制光栅的检测基准信号，第二码道设置为增量式60进制光栅码道，用于拾取增量式60进制光栅的光刻触发基准信号；所述第三码道及第四码道均包括两圈，第三码道的第一圈码道设置为增量式2进制光栅码道，用于拾取增量式2进制光栅的检测基准信号，第三码道的第二圈设置为绝对式光栅码道，用于拾取绝对式光栅的检测基准信号，第四码道的第一圈码道设置为增量式2进制光栅码道，用于拾取增量式2进制光栅的光刻触发基准信号，第四码道的第二圈设置为绝对式光栅码道，用于拾取绝对式光栅的光刻触发基准信号。
15.根据本技术实施例提供的技术方案，所述第一数量设置为五个。
16.根据本技术实施例提供的技术方案，所述回转系统的顶端设有定位轴，所述多码道基准圆光栅安装在定位轴的底端，所述定位轴的顶端设置为倾斜面，所述柱面光栅基体中心设有锥形内孔，所述柱面光栅基体通过所述锥形内孔卡接在所述倾斜面上；所述柱面光栅基体的顶端端面上连接有压紧块。
17.根据本技术实施例提供的技术方案，所述激光器设置为皮秒激光器、纳秒激光器或者光纤激光器。
18.根据本技术实施例提供的技术方案，所述第一光栅读数头及第二光栅读数头均设置为反射式光栅读数头。
19.本发明的有益效果：本技术提供一种激光直刻金属柱面光栅光刻机的技术方案，相较于现有技术本方案具有以下优势：
20.1.技术原理先进，不仅实现对柱面光栅的连续光刻，而且对光刻完毕的柱面光栅同时具有精度检测功能；
21.2.设备结构简单、制造成本低；
22.3.可对光栅基体实现连续直刻，工作效率较高；
23.4.工艺过程简单、无毒无害、不污染环境。
附图说明
24.图1为本技术第一种实施例的结构示意图；
25.图2为本技术第一种实施例中激光光刻系统的原理示意图；
26.图3为本技术第一种实施例中基准测控圆光栅系统的结构示意图；
27.图中所述文字标注表示为：1、基座；3、轴隙调节座；4、合金片；5、钢珠；6、锥形主轴；7、锥形轴套；10、定位轴；11、光栅读数头d；12、光栅读数头c；13、光栅读数头b；14、光栅读数头a；16、读数头架组件； 18、护罩；19、大型l板；21、y向微调台；22、x向微调台；23、z向微调台；24、中型l板；28、激光器；29、连接圈；30、激光扩束镜组；31、直角发射棱镜；32、xy振镜组；34、固定架；36、聚焦镜组；37、压紧螺钉；38、压紧块；39、柱面光栅基体；41、小型l板；42、第二光栅读数头；45、基准平台；46、多码道基准圆光栅；47、调整杆；48、蜗轮；49、蜗杆；50、顶架；53、蜗杆架组件；54、第一码道；55、第二码道；56、第三码道；57、第四码道。
具体实施方式
28.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
29.如图1所示为本技术的第一种实施例的示意图，包括基座1、回转系统、基准测控圆光栅系统、激光光刻系统及控制计算系统；
30.所述回转系统设置在所述基座1上；所述基准测控圆光栅系统包括多码道基准圆光栅46及设置在其上方的第一读数模块；所述多码道基准圆光栅46设置在回转系统的顶端，多码道基准圆光栅46的上方连接有柱面光栅基体39，所述回转系统驱动多码道基准圆光栅46及柱面光栅基体39同步旋转；
31.所述激光光刻系统对应所述柱面光栅基体39设置，用于对柱面光栅基体39进行激光光刻；
32.所述多码道基准圆光栅包括四个用于拾取信号的线纹码道；所述第一读数模块包括若干第一光栅读数头，对应每个线纹码道设置第一数量的第一光栅读数头，每个线纹码道上的各个第一光栅读数头周向均匀间隔分布；
33.所述光刻机还包括设置在基座上对应柱面光栅基体的第二光栅读数头 42；
34.所述激光光刻系统、基准测控圆光栅系统及第二光栅读数头分别与所述控制计算系统信号连接；所述多码道基准圆光栅用于发射光刻触发基准信号及检测基准信号，所述第一读数模块用于读取光刻触发基准信号及检测基准信号并将其发送至控制计算系统；所述第二光栅读数头用于读取柱面光栅基体被光刻出线纹的被测检测信号并将其发送至控制计算系统；所述控制计算系统用于接收光刻触发基准信号并根据光刻触发基准信号向激
光光刻系统发送同步光刻控制信号，所述控制计算系统还用于根据接收的所述检测基准信号及被测检测信号，将二者进行比较计算，得到光刻机光刻精度的检测结果。
35.本实施例中，回转系统分别连接多码道基准圆光栅46及柱面光栅基体 39，并驱动多码道基准圆光栅46及柱面光栅基体39同步旋转，在多码道基准圆光栅46旋转过程中向控制计算系统发射连续光刻触发基准信号，控制计算系统根据光刻触发基准信号实时向激光光刻系统发送光刻控制信号，使得激光光刻系统实时连续地对柱面光栅基体39进行激光光刻。本实施例中，光刻机的回转系统连续转动，使多码道基准圆光栅46对激光光刻系统连续产生同步触发，也使直接刻制光栅线纹的激光束同步连续发射，由此，便构成了本光刻机的光刻技术原理，即，激光束直接连续刻制光栅线纹的光刻原理。本实施例的技术方案原理简单，能实现连续直刻，生产效率较高，而且直刻的光刻形式具有工艺过程无毒、无害、无污染的优势。
36.本优选实施例中，光刻机除了对柱面光栅基体39光刻的作用外，还同时具有光刻精度检测功能，即对光刻完毕的柱面光栅进行精度检测：第二光栅读数头42由刻制完的柱面光栅上拾取被测检测信号与多码道基准圆光栅46的第一光栅读数头上拾取的码道基准圆光栅46发出的检测基准信号同步比较并进行计算，进而得出光刻精度的检测结果。由此可看出本技术方案的光刻机的原理先进，除了满足柱面光栅连续直刻的功能外还同时兼具光刻完毕后的精度检测功能，增加了光刻机的功能性，节省光栅检测成本，具有良好的经济效益。
37.本实施例中，回转轴系统包括锥形主轴6、锥形轴套7、顶架50、主轴下支撑组件。基座1与锥形轴套7通过8个螺钉刚性固定连接，锥形主轴6 插入锥形轴套7内，主轴下支撑组件由轴隙调整座3、合金片4、钢珠5、锁紧螺母组成，共同实现对锥形主轴6的支撑、轴系间隙调整和缩紧。锥形主轴6的轴肩上托有蜗轮48，有二者由8个螺钉刚性固定连接，在锥形主轴6含有圆锥形的上端面上安装有基准平台45，通过8个螺钉与定位轴 10刚性固定连接，在紧固之前必须通过4个调整杆47先将基准平台45的偏心量调整至最小值之后方可紧固，因调整杆47具有紧固连接的作用，所以用螺钉紧固时，两者也不会产生相对移动。在基准平台45的表面上装有多码道基准圆光栅46，其与基准平台45之间的连接是采用慢干胶固定的，因为多码道基准圆光栅46由玻璃材料制成，首先要采用装调工具测微显微镜调整好偏心之后才能最终紧固，所以开始使用慢干胶进行二者之间的紧固，确认无误后方可用强力胶加固。本实施例中锥形主轴6的平稳转动是由蜗杆49的转动并带动蜗轮48的转动而实现的，蜗杆49装于蜗杆架组件 53上，蜗杆架组件53通过4个螺钉被刚性地固定在基座1的表面上，蜗杆 49的转动是由外设的齿形带、齿形轮、马达来实现的。因此，本实施中回转系统的工作原理为：电机运动带动蜗轮48副运动，使得锥形主轴6运转，多码道基准圆光栅46及定位轴10连同光刻对象柱面光栅基体39与锥形主轴6同步旋转。
38.本实施例中，基准圆光栅的上方设有护罩18，护罩18通过16个螺钉被刚性固定在基座1的表面，基座1的表面还装有顶架50，顶架50是通过 16个螺钉被刚性固定在基座1的表面。
39.优选地，本实施例中所述第一数量设置为5个。本优选实施方式中，对应每个码道设置的5个第一光栅读数头按照72
°
的间隔周向均匀分布在对应的码道上方。优选地，所述第一光栅读数头设置为反射式光栅读数头。
40.在一优选实施例中，所述激光光刻系统包括发射模块及xyz方向微调模块；所述发射模块固定在大型l板19上，xyz方向微调模块设置在中型l板24上，所述大型l板19与中型l板24通过螺钉可拆卸连接；所述 xyz方向微调模块用于调整发射模块的方向；所述发射模块包括激光器28、激光扩束镜组30、直角反射棱镜31、xy振镜组32及聚焦镜组36；所述激光器28发出的光束依次经过激光扩束镜组30、直角反射棱镜31、xy振镜组32及聚焦镜组36后向柱面光栅基体39射出。
41.本实施例中激光器28设置为皮秒激光器28，在其他优选实施例中激光器28还可选用纳秒激光器28、光纤激光器28或者其他激光物质的激光器 28。本优选实施例中，用于直接刻制柱面光栅线纹的激光束，是由激光器 28、高倍激光扩束镜组30、直角反射棱镜31、xy振镜组32、聚焦镜组36 构成激光光刻系统的发射模块所产生的，如图2所示。本优选实施例中，皮秒激光器28出射光束波长1064纳米，其脉冲宽度和工作时产生的热量均比现有常用技术的纳秒激光器28小5倍；激光扩束镜组30和聚焦镜组 36的设计对相关像差采用高度校正，使高倍激光扩束镜组30具有高质量压缩出射光发散角的能力，使聚焦镜组36具有好的焦深参数；xy振镜组32 两轴均采用可实现亚微米位置精度的微型角度测控器；直角反射棱具有优于98％的反射率；由上述各光学单元的高质量、高效组合，使本激光光刻系统的出射光，具有高效刻制微细图案的能力，且其气化机理工作过程产生的热变形极小，其充分满足了本光刻机直刻光栅线纹的需要。
42.在上述优选实施例的一优选实施方式中，所述中型l板24包括第一长板及第一短板，所述第一短板垂直连接在第一长板的顶端，第一长板上靠近第一短板的一端设有第一连接孔；所述大型l板19包括第二长板及第二短板，所述第二短板垂直连接在第二长板的一端，所述第二长板的两端对应所述第一连接孔分别设置第二连接孔及第三连接孔，所述第二连接孔及第三连接孔可分别通过螺钉与第一连接孔连接；所述激光器28及激光扩束镜组30设置在所述第二长板上，所述xy振镜组32及聚焦镜组36设置在所述第二短板上，所述直角反射棱镜31设置在第二长板及第二短板的垂直连接处。
43.本优选实施例中，激光器28与高倍的激光扩束镜组30由连接圈29两边的螺纹连形成一体后，再由4个螺钉固定在大型l板19的第二长板上，直角反射棱镜31的两个互为直角的面，采用慢干胶分别被固定在大型l板 19对应的直角面上，xy振镜组32通过2个螺钉固定在大型l板19的第二短边上，聚焦镜组36通过固定架34和2个螺钉被固定在大型l板19的第二短边上。发射模块的发射光束对准是通过xyz方向微调模块来实现的。 xyz方向微调模块包括y向微调台21、x向微调台22、z向微调台23。x、 y、z微调台是一体化的组合体，y向微调台21的下方通过4个螺钉被刚性地固定在顶架50上，z向微调台23的上面通过4个螺钉被刚性地固定在中型l板24上。
44.如图1所示，按照图中中型l板24与大型l板19的连接形式，也即第一连接孔与第二连接孔对齐后通过螺钉将中型l板24与大型l板19固定连接在一起，发射模块对柱面光栅基体39的柱面进行直刻，形成柱面光栅。除此以外，本实施例的光刻机还可刻制平面增量式圆光栅和绝对式平面编码盘：由于中型l板24与大型l板19之间是通过螺钉可拆卸地连接在一起的，将只要将型大l板从中型l板24上拆下，再将大型l板19向下方旋转90
°
，即第二短边由图1中的位于第二长边的下方旋转为第二短边位于第二长边的上方，使得激光由上向下发射至柱面光栅基体39的平面上，刻制平面圆光栅。当大型l板19旋转后只要将大型l板19上
的第三连接孔与第一连接孔对齐后通过螺钉即可实现大型l板19与型l板的固定连接，也即中型l板24φ5.5的第一连接孔与大型l板194
×
m5深8的第三连接孔对齐后通过螺钉紧固，便实现了本光刻机也能刻制平面光栅盘和平面光学编码盘的用途。本优选实施例中，第二光栅读数头42固定在小型 l板41的一端，小型l板41的另一端固定在顶架50上。
45.在一优选实施例中，四个所述线纹码道由外层至内层分别设为第一码道54、第二码道55、第三码道56及第四码道57。所述第一码道54设置为增量式60进制光栅码道，用于拾取增量式60进制光栅的检测基准信号，刻线数为64800对线/周，外径为432mm。第二码道55设置为增量式60进制光栅码道，用于拾取增量式60进制光栅的光刻触发基准信号，刻线数为 32400对线/周。所述第三码道56及第四码道57均包括两圈，第三码道56 的第一圈码道设置为增量式2进制光栅码道，用于拾取增量式2进制光栅的检测基准信号，刻线数为32768对线/周；第三码道56的第二圈设置为绝对式光栅码道，用于拾取绝对式光栅的检测基准信号；第三码道56的第一圈及第二圈联合用于拾取绝对式柱面光栅的检测基准信号。第四码道57的第一圈码道设置为增量式2进制光栅码道，用于拾取增量式2进制光栅的光刻触发基准信号，刻线数为16384对线/周；第四码道57的第二圈设置为绝对式光栅码道，用于拾取绝对式光栅的光刻触发基准信号；第四码道57 的第一圈及第二圈联合用于拾取绝对式柱面光栅的光刻触发基准信号。
46.在上述优选实施例中，光刻时的第二码道55刻线数为32400对线/周，而检测时的第一码道54刻线数为64800对线/周，检测用的码道精度比光刻时用的码道精度至少要高3倍，依据光栅检测行业标准是合理可行的。
47.如图3所示，对应第一码道54周向设置5个增量式码道的光栅读数头 a14，对应第二码道55周向设置5个增量式码道的光栅读数头b13，对应第三码道56周向设置5个绝对式码道的光栅读数头c12，对应第四码道57 周向设置5个绝对式码道的光栅读数头d11，因此共有20个第一光栅读数头。本实施例中的20个第一光栅读数头，通过读数头架组件16安装在对应多码道基准圆光栅46的上方，读数头架组件16通过螺钉刚性与基座1 上表面连接。同一码道中设置的5个第一光栅读数头拾取5路光栅信号，该5路光栅信号经加法器处理、放大、细分、整形、倍频或分频处理后，以方波信号形式输出，作为本光刻机的光刻和检测的光栅基准信号。
48.在上述优选实施例中，电机运动带动蜗轮副运动，带动锥形主轴6运转，多码道基准圆光栅46及定位轴10连同光刻对象柱面光栅基体39也一起同步运转，由于第一读数模块中的各个第一光栅读数头固定不动，随着基准圆光栅与第一光栅读数头的相对运动，便由多码道基准圆光栅46产生出用于光刻和检测的基准信号，该两种均将信号传递给控制计算系统，并由控制计算系统向激光光刻系统的激光器28发送光刻的指令。为实现光刻机的检测功能，当金属柱面光栅基体39被刻制好之后实施检测，检测时控制计算系统不再向激光器28发送指令，而只是通过第二光栅读数头42从刻好的柱面光栅基体39上拾取被测检测信号与第一光栅读数头在多码道基准圆光栅46所得到的检测基准信号，二者进行比较计算之后，由打印机绘制出被测柱面光栅基体39的误差曲线。
49.本实施例中激光束连续直刻的光刻范围：0
°
至360
°
，最大光刻直径 500毫米，光刻线纹最小宽度：4微米，最高测控分辨率：0.01角秒，光刻准确度等级：
±
5至
±
0.5角秒，线纹检测准确度等级：
±
0.5至
±
0.15角秒。
50.由上述优选实施例中，可以看出本技术的光刻机具备了既能刻制增量式60进制的金属柱面光栅，也能刻制增量式2进制的金属柱面光栅，还能刻制绝对式的金属柱面光栅。
51.在一优选实施例中，所述回转系统的顶端设有定位轴10，所述多码道基准圆光栅46安装在定位轴10的底端，所述定位轴10的顶端设置为倾斜面，所述柱面光栅基体39中心设有锥形内孔，所述柱面光栅基体39通过所述锥形内孔卡接在所述倾斜面上；所述柱面光栅基体39的顶端端面上连接有压紧块38。
52.本实施例中，光刻机的工作对象是柱面光栅基体39，安装时其锥形内孔被放置在定位轴10顶端的倾斜面上，并通过压紧块38和可拧入定位轴10顶端螺孔的压紧螺钉37来实现精准、快捷的定位安装，倾斜面与锥形内孔的参数匹配，采用了满足自锁条件的、相互吻合一致的结构参数。
53.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本技术的保护范围。