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的制作方法
技術領域：
本發明涉及光柵制作技術，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。
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部狀態記憶觸發器發生錯誤翻轉，則只有在測量頭通過零光柵參考點后，才能繼續正確地進行絕對位置的測量。為了克服上述缺點，在現代儀器設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。一種是金剛刀機刻系統，另一種是掩膜光刻系統。金剛刀機刻系統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，金剛刀有停止狀態，因而刻劃速度慢;掩膜光刻系統對光柵寬度變化的適應能力雖然比金剛刀機刻系統要強，但也不適宜制作圖案復雜的特殊編碼的圓光柵碼盤。
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，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雜編碼的圓光柵碼盤的逐點光刻劃方法及其系統。
本發明的逐點光刻劃方法包括使待刻劃碼盤勻速旋轉;產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的編碼信號;產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域并使所述刻劃光斑在所述待刻劃碼盤旋轉過程中沿該碼盤徑向直線進給，從而形成平面螺旋線的刻劃軌跡。
待刻劃碼盤每旋轉一周，刻劃光斑沿該碼盤徑向進給距離最好為刻劃光斑直徑的四分之一至四分之三。
本發明的光刻劃系統包括用于使待刻劃碼盤勻速旋轉的回轉臺裝置;用于產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的編碼信號的編碼信號產生裝置;受所述編碼信號控制，用于在所述碼盤的待刻劃區域中形成直徑為微米或亞微米級光斑的刻劃光斑產生裝置;用于在回轉臺旋轉過程中，使所述刻劃光斑產生裝置的刻劃光斑和回轉臺裝置在回轉臺徑向作相對移動的徑向直線進給裝置。
本發明的逐點光刻劃方法及其系統，由于是連續動態刻劃，因而具有刻劃速度快，刻劃精度高的優點;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的編碼圖形，因而本發明完滿地解決了現有技術在刻劃柵線寬度變化、圖案復雜的圓光柵碼盤時所存在的困難。
本發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，還可能應用于制作特大象素的圖案。
下面參照附圖敘述本發明的實施例，通過敘述，本發明所具有的優點和效果將會更加清楚，但這種敘述不限定本發明的范圍。


圖1是本發明的逐點光刻劃系統的框圖;
圖2是刻劃光斑產生裝置的構成示意圖;
圖3是調焦伺服環路的組成框圖;
圖4是回轉臺裝置的構成示意圖;
圖5是徑向直線進給裝置組成示意圖;
圖6是編碼信號產生裝置的組成框圖;
圖7是說明柵線圖案與編碼信號之間關系的圖;
圖8是說明刻劃途徑的圖。
參見圖1，本發明的逐點光刻劃系統包括刻劃光斑產生裝置(1)，回轉臺裝置(2)、徑向直線進給裝置(3)和編碼信號產生裝置(4)。刻劃光斑產生裝置(1)在置于回轉臺裝置(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生裝置(4)產生的編碼信號控制;回轉臺裝置(2)使置于其上的待刻劃碼盤勻速旋轉，且由徑向直線進給裝置(3)使之在旋轉過程中與刻劃光斑產生裝置(1)在徑向發生相對位移。當回轉臺旋轉一圈時。刻劃光斑就完成對待刻劃碼盤某一半徑位置處的刻劃，在徑向直線進給裝置(3)的作用下，刻劃光斑沿著回轉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;回轉臺裝置(2)向編碼信號發生裝置(4)輸出高精度角度位置電脈沖信號，以使編碼裝置(4)產生的編碼信號與待刻劃盤的角位置相關;編碼信號產生裝置(4)產生與待刻劃碼盤角位置鎖定且與待刻劃編碼圖形相應的編碼信號，該編碼信號用于控制刻劃光斑產生裝置(1)產生刻劃光斑。
參見圖2，圖2是圖1所示的刻劃光斑產生裝置(1)的構成示意圖，激光器(5)發出的激光光束經光調制器(6)、光擴束器(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臺裝置(2)的待刻劃碼盤，對其進行逐點刻劃。由編碼信號產生裝置(4)產生的編碼信號輸入至光調制器(6)，用于控制刻劃光斑輸出與否。(10)是調焦伺服環路，物鏡(8)安裝在音圈電機(9)上，它們的作用將在下面結合圖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，激光的波長與輸出功率根據待刻劃碼盤上的光記錄材料的響應光譜來選定，該激光器是連續激光器。光調制器(6)可以是電光調制器也可以是聲光調制器，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量。
參見圖3，圖3是調焦伺服環路(10)的組成框圖。由于會聚激光束的物鏡(8)的焦深小于5μm，而在回轉臺旋轉過程中，待刻劃碼盤的軸向跳動量一般遠大于焦深范圍，故需要對物鏡(8)進行自動調焦。物鏡(8)的失焦量即調焦誤差信號通常可采用激光視盤放送機或CD唱機中所使用的光學方法檢測。檢測出的調焦誤差信號由圖3所示的調焦伺服環路(10)處理后，驅動音圈電機(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PID校正器(12)和功率放大器(13)，以驅動與聚焦物鏡(8)一體設置的音圈電機(9)，由音圈電機(9)帶動聚焦物鏡(8)跟隨待刻劃碼盤表面上下運動，進行閉環控制，從而實現自動調焦的目的。PID校正器(12)主要是根據音圈電機(9)的頻率特性，用適當的網絡參數進行校正。它使閉環系統在開環增益較高的情況下能穩定地工作。
圖4是回轉臺裝置(2)的構成示意圖。參見圖4，待刻劃碼盤(14)安置在回轉臺(16)上。碼盤(14)表面涂復一層光記錄材料層(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，還需經顯影、定影處理后才能顯現出圖案;后者在刻劃光斑作用下或者被燒蝕，或者發生相變等，可直接形成碼盤圖案。
在回轉臺(16)上安裝一付高精度的標準光柵碼盤(15)，其柵線誤差例如為1(角)秒。標準光柵碼盤(15)和多光學頭讀出處理器(29)組成光柵發訊單元(30)。光柵發訊單元(30)、鑒相電路(18)、功率放大單元(19)、回轉電機(21)和晶體諧振器(20)構成穩速控制環路。二塊高精度的標準光柵碼盤(15)，其中一塊是動光柵，跟隨主軸轉動，在轉動時與另一塊定光柵發生相對位移，產生角位移基準信號，該角位移基準信號由多光學頭讀出處理器(29)讀出，讀出處理器(29)的設置是為了提高角位移基準信號的精度，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)的高精度標準頻率脈沖進行相位比較，所得的相位誤差信號經低通濾波后在功率放大單元(19)中進行功率放大，然后驅動回轉電機(21)，形成PLL閉環控制。由于回轉電機(21)、高精度標準光柵碼盤(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訊單元(30)發出的光柵電脈沖信號在時間上也是均勻分布的;因而，當PLL環路鎖定時，待刻劃碼盤的瞬時轉速是穩定的，其速度值由晶體諧振器(20)確定，光柵發訊單元(30)在回轉臺每旋轉一圈時，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到編碼信號發生裝置(4)中。回轉臺的旋轉速度的設計應考慮到光記錄介質的響應時間。例如選取60轉/分～600轉/分。
圖5是徑向直線進給裝置組成示意圖。參見圖5，直線進給裝置(3)是高精度一維進給工作臺，它由工作臺(26)、螺母(22)、絲桿(23)、蝸輪蝸桿(24)和驅動電機(25)組成。當絲桿(23)和蝸輪蝸桿(24)的參數選定之后，工作臺的直線進給量就取決于回轉電機(21)與驅動電機(25)的轉速比。驅動電機(25)可以采用力矩電機、步進電機或同步電機等，驅動電機(25)以某一速度旋轉，經減速機構蝸輪蝸桿(24)帶動絲桿(23)轉動，絲桿帶動螺母(22)推動進給工作臺(26)。螺母(22)、絲桿(23)、蝸輪蝸桿(24)可用熟知的其它減速機構來代替。如下所述，進給工作臺(26)移動將使刻劃光斑沿回轉臺(16)半徑方向移動，這種徑向直線進給與回轉臺(16)的旋轉平面的運轉相結合，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，在回轉臺(16)旋轉過程中，刻劃光斑需沿回轉臺(16)半徑方向勻速移動。這可有二種實施方法其一，固定刻劃光斑產生裝置(1)，由直線進給工作臺(26)驅動回轉臺裝置(2)作勻速移動。其二，固定回轉臺裝置(2)，而在工作臺(26)上安裝刻劃光斑產生裝置的部分光學部件。通常都采用后者，這是由于后一方式負荷較輕的緣故。
在回轉臺(16)旋轉過程中，徑向直線進給裝置(3)使刻劃光斑與刻劃碼盤(14)沿回轉臺(16)半徑方向發生相對勻速移動。其進給量的選定要考慮到最終形成的碼盤柵線圖案的質量和刻劃碼盤所需的時間，回轉臺(16)每旋轉一圈，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是編碼信號產生裝置的組成框圖。參見圖6，由回轉臺裝置(2)輸出的高精度角位置電脈沖信號輸入到數字頻率合成電路(27)，該電路產生滿足待刻劃碼盤(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(即對應圖案精度)，其相位與高精度標準光柵角位移基準信號嚴格相關。數字頻率合成電路(27)輸出的時鐘信號被輸到節拍編碼電路(28)。節拍編碼電路(28)通常可由微機、單板機或單片機實現，主要是根據待刻劃圖案的復雜程度而定。
將數字化了的待刻劃圖案信息預先存入節拍編碼電路(28)的計算機內，刻劃時，計算機根據回轉臺裝置(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該點的信號，控制光調制器(6)，即控制刻劃光斑輸出與否。對于刻劃二進制編碼光柵碼盤，通常使用格雷(Gray)碼。節拍編碼電路(28)也可以用通用邏輯電路設計完成。這種節拍編碼電路的構成是本領域技術人員所熟知的。由于編碼信號產生裝置(4)輸出的編碼信號是與高精度標準光柵(15)的角位移基準信號嚴格相關，因而編碼信號的產生(即對刻劃光斑的控制)與待刻劃碼盤(14)預定刻劃該圖案的角位置精確對應;又由于該編碼信號相應于待刻劃柵線圖案，因而該編碼信號可以控制光斑在待刻劃碼盤(14)的預定位置上產生預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為回轉臺旋轉方向，這里假定是逆時針方向旋轉。D是進給方向。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。這些柵線線條構成了光柵碼盤圖案的一部分。
以上對本發明的實施例作了詳細敘述，顯然，本領域的技術人員可以根據本發明的構思作出種種變換，但這些變換仍應認為落在本發明的權利要求所限定的范圍之中。
權利要求
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；產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的編碼信號；產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域并使所述刻劃光斑在所述待刻劃碼盤旋轉過程中沿該碼盤徑向直線進給，從而形成平面螺旋線的刻劃軌跡。
2.如權利要求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一周，所述刻劃光斑沿該碼盤徑向進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，其特征在于包括用于使待刻劃碼盤勻速旋轉的回轉臺裝置(2);用于產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的編碼信號產生裝置(4);受所述編碼信號控制、用于在所述碼盤的待刻劃區域形成直徑為微米級或亞微米級光斑的刻劃光斑產生裝置(1);用于在回轉臺旋轉過程中，使所述刻劃光斑產生裝置(1)的刻劃光斑和回轉臺裝置(2)在回轉臺徑向作相對移動的徑向直線進給裝置(3)。
4.如權利要求3所述的光刻劃系統，其特征在于所述的回轉臺裝置(2)包括待刻劃碼盤設置在其上的回轉臺(16)和穩速控制環路，所述穩速控制環路由安裝在所述回轉臺主軸上的高精度的標準光柵碼盤(15)和多光學頭讀出處理器(29)組成的光柵發訊單元(30)、及速度鑒相電路(18)、功率放大電路(19)、回轉電機(21)、晶體諧振器(20)所構成;所述的編碼信號產生裝置(4)包括數字頻率合成電路(27)和節拍編碼電路(28);所述的刻劃光斑產生裝置(1)包括激光器(5)，光調制器(6)、光擴束器(7)、聚焦物鏡(8)和調焦伺服環路(10);所述的徑向直線進給裝置(3)包括工作臺(26)，減速機構和驅動電機(25)。
5.如權利要求3或4所述的光刻劃系統，其特征在于，所述的回轉臺裝置每旋轉一周，徑向直線進給裝置使刻劃光斑在回轉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，該系統包括使待刻劃碼盤勻速旋轉的回轉臺裝置；產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的編碼信號的編碼信號產生裝置；受所述編碼信號控制、在碼盤的待刻劃區域中形成直徑為微米級或亞微米級光斑的刻劃光斑產生裝置；使所述刻劃光斑與待刻劃碼盤產生相對位移的徑向直線進給裝置。本發明具有刻劃速度快、精度高及可刻劃圖案復雜的光柵碼盤的優點。
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 優先權日1991年11月11日
發明者沈冠群, 吳賓初, 蔡康澤, 曹沛其, 黃宣邵, 陳墾 申請人:上海市激光技術研究所