本發(fā)明涉及激光直寫領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法。

背景技術(shù)：

激光直寫是利用強(qiáng)度可變的激光束對基片表面的抗蝕材料實(shí)施變劑量曝光，顯影后在抗蝕層表面形成所要求的浮雕輪廓。激光直寫的基本工作原理是由計(jì)算機(jī)控制高精度的激光束掃描，在光刻膠上直接曝光寫出所設(shè)計(jì)的任意圖形，從而把設(shè)計(jì)圖形直接轉(zhuǎn)移到掩膜上。

激光直寫技術(shù)在半導(dǎo)體器件、光電子器件以及微電子機(jī)械器件的制造過程中有著重要的位置，主流的激光直寫微納加工方法有三種：電子束光刻、聚焦離子束光刻、激光束光刻。由于用于電子束光刻、聚焦離子束光刻的設(shè)備都比較昂貴，并且需要在嚴(yán)苛的真空環(huán)境下制造，且生產(chǎn)效率較低，不適合大面積批量化的器件制備。因此目前應(yīng)用最為廣泛的還是激光束直寫光刻，且日益成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

大面積激光直寫系統(tǒng)中普遍采用的技術(shù)方案是利用振鏡或多面旋轉(zhuǎn)棱鏡帶動光束進(jìn)行光柵掃描步進(jìn)式移動，實(shí)現(xiàn)單幀或小范圍刻寫，在此基礎(chǔ)上借助直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)大面積拼接。但由于高速掃描的“拖尾效應(yīng)”、掃描軸與步進(jìn)軸的速度差異以及幀與幀之間拼接等因素的影響，該方法往往很難在大范圍刻寫時保持良好的均勻性，故而降低了該方法制備器件、研究材料的成功率和精確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由高速掃描的“拖尾效應(yīng)”、掃描軸與步進(jìn)軸的速度差異、以及幀間拼接等因素帶來的掃描方向和步進(jìn)方向的刻寫效果的差異。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種圖形刻寫方法，包括：

s1、旋轉(zhuǎn)源圖形文件并分割成多個可用于單幀刻寫的單幀圖形文件；

s2、將所有的單幀圖形文件導(dǎo)入到大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)中進(jìn)行刻寫并拼接。

作為優(yōu)選的，所述步驟s1具體包括：將原圖形文件逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)，再進(jìn)行邊緣的剪裁和校正，并分割輸出多個可用于單幀刻寫的單幀圖形文件。

作為優(yōu)選的，所述步驟s1中，源圖形文件旋轉(zhuǎn)角度為-45°～45°。

作為優(yōu)選的，所述步驟s1中，還包括對分割的單幀圖像文件按照位置關(guān)系進(jìn)行對應(yīng)編號。

作為優(yōu)選的，所述步驟s1中，進(jìn)行邊緣的剪裁和校正時，針對非周期結(jié)構(gòu)，根據(jù)源圖形文件的原始尺寸分割；針對周期結(jié)構(gòu)，將圖像進(jìn)行比例縮放，再進(jìn)行分割。

作為優(yōu)選的，在步驟s2中，所述激光直寫系統(tǒng)的激光脈沖為1～300mw，激光脈寬為10～20000ns。

作為優(yōu)選的，所述步驟s2具體包括：以二維振鏡或多面轉(zhuǎn)鏡為掃描模塊，通過光柵掃描步進(jìn)式刻寫模式在刻寫材料上刻寫，并通過氣浮式直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)拼接。

作為優(yōu)選的，所述刻寫材料為光刻膠、金屬薄膜或無極相變材料制成的，且以玻璃或硅為基底的單層或多層薄膜。

本發(fā)明提出一種基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法，通過將源圖形文件進(jìn)行一定角度順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)并沿周期性邊界裁剪校正，進(jìn)而輸出多個已分割并編號的單幀刻寫圖形，用以整合掃描方向和步進(jìn)方向刻寫效果的差異，使得最終刻寫出的大面積微納結(jié)構(gòu)在笛卡爾坐標(biāo)系的x/y方向均具有良好的均勻性，大幅度提高了光柵掃描步進(jìn)式激光直寫系統(tǒng)在多種材料上的刻寫質(zhì)量和成品率。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的源圖形文件及旋轉(zhuǎn)后的圖形文件示例示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的已分割并編號的多個單幀刻寫圖形文件示例示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的現(xiàn)有技術(shù)和使用本發(fā)明方法刻寫的均勻性對比示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的現(xiàn)有技術(shù)和使用本發(fā)明方法刻寫的均勻性對比示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了本發(fā)明的一種基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法，包括：

s1、將源圖形文件旋轉(zhuǎn)一定角度并分割成多個可用于單幀刻寫的圖形文件；

s2、將所有的已分割的單幀圖形文件導(dǎo)入到激光直寫系統(tǒng)中進(jìn)行刻寫并進(jìn)行大面積拼接。

在步驟s1中，所述源圖形文件為用于激光直寫系統(tǒng)光柵掃描步進(jìn)式刻寫的源圖形文件，經(jīng)過一定角度順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，源圖形文件旋轉(zhuǎn)角度為-45°～45°，然后在進(jìn)行邊緣的裁剪和校正，輸出多個已分割并編號的可用于單幀刻寫的單幀圖形文件，單幀圖像文件按照位置關(guān)系進(jìn)行對應(yīng)編號。

在步驟s1中，進(jìn)行邊緣的剪裁和校正時，針對非周期結(jié)構(gòu)，根據(jù)源圖形文件的原始尺寸分割；針對周期結(jié)構(gòu)，將圖像進(jìn)行比例縮放，使周期結(jié)構(gòu)的邊緣的像素相接盡可能少，然后再進(jìn)行分割。

在步驟s2中，采用光柵掃描步進(jìn)式激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行刻寫，激光功率在1～300mw之間，所用激光脈寬在10～20000ns之間；需要將分割后的單幀圖形文件進(jìn)行刻寫拼接；具體的，以二維振鏡或多面轉(zhuǎn)鏡為掃描模塊，掃描頻率在10～1000hz之間，通過光柵掃描步進(jìn)式刻寫模式在刻寫材料上刻寫，步進(jìn)速度在2～200μm/s，單幀掃描范圍在0.01～0.25mm²之間；并通過氣浮式直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)拼接，其中，刻寫材料為光刻膠、金屬薄膜或無極相變材料制成的，且以玻璃或硅為基底的單層或多層薄膜，每層薄膜的厚度為10～500nm。

實(shí)施例1

如圖2所示，本實(shí)施例中示出了一種基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法，通過將用于激光直寫系統(tǒng)光柵掃描步進(jìn)式的源圖形文件，經(jīng)過一定角度的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)行邊緣的剪裁和校正，輸出多個已分割并編號可用于單幀刻寫的圖形文件，再進(jìn)行刻寫拼接。

源圖形文件可由coreldraw/photoshop/matlab等軟件生成，其格式為bmp、png或jpg格式，灰度或彩色圖像，大小為mxn像素點(diǎn)；m稱為行數(shù)，n稱為列數(shù)，二者的取值均在200-200,000之間。在本實(shí)施例中，如圖2所示，采用coreldrawx4sp2軟件繪制生成源圖形文件，圖形為大面積二維光柵，尺寸為20,000x20,000像素，bmp格式，8bit灰度，線條寬度為1像素，線條周期為10像素。

在本實(shí)施例中，進(jìn)一步的，將圖形作一定角度順時針旋轉(zhuǎn)(45°)，并沿單元方框頂點(diǎn)方向分割為10x10的單幀圖形。單幀圖形的尺寸為2000x2000像素，bmp格式，8bit灰度，線條寬度為1像素，線條周期為10像素。

進(jìn)一步的，如圖3所示，單幀圖形的編號為1-1,1-2,1-3……2-1,2-2,2-3……10-9,10-10。

在本實(shí)施例中，所述步驟s2具體包括：

將未經(jīng)處理的源圖形文件導(dǎo)入ldwl100激光直寫系統(tǒng)，使用光柵掃描步進(jìn)式刻寫模式，選定刻寫參數(shù)，放入刻寫樣品1，開始刻寫，得到刻寫樣品1(a)，如圖4中所示；再將所有單幀圖形導(dǎo)入激光直寫系統(tǒng)，使用光柵掃描步進(jìn)式刻寫模式，選定刻寫參數(shù)，放入樣品，開始刻寫，得到刻寫樣品1(b)，如圖4中所示；圖中a為未使用本發(fā)明的刻寫均勻性，b為使用本發(fā)明實(shí)施例的方法后的刻寫均勻性。使用的源刻寫圖片以及本發(fā)明實(shí)施例處理后的刻寫圖片，其相鄰像素點(diǎn)間距為100nm。

本實(shí)施例中，在上述步驟中，所述激光直寫系統(tǒng)的激光光源為405nm波長的光源；刻寫樣品1參數(shù)為峰值功率32mw，脈沖寬度2000ns，掃描頻率500hz；刻寫樣品1為玻璃基底上的20nm厚度sn薄膜。

從圖4刻寫樣品對比圖發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所提出的圖形設(shè)計(jì)方法，可以解決由高速掃描的“拖尾效應(yīng)”、掃描軸與步進(jìn)軸的速度差異、以及幀間拼接等因素帶來的掃描方向和步進(jìn)方向的刻寫效果的差異，從而提高激光直寫系統(tǒng)光柵掃描步進(jìn)式大面積刻寫的整體均勻性。通過本發(fā)明，使得利用激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行器件制備、材料研究的成功率和精確性得到顯著提升。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中示出了一種基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法，通過將用于激光直寫系統(tǒng)光柵掃描步進(jìn)式的源圖形文件，經(jīng)過一定角度的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)行邊緣的剪裁和校正，輸出多個已分割并編號可用于單幀刻寫的圖形文件，再進(jìn)行刻寫拼接。

源圖形文件可由coreldraw/photoshop/matlab等軟件生成，其格式為bmp、png或jpg格式，灰度或彩色圖像，大小為mxn像素點(diǎn)；m稱為行數(shù)，n稱為列數(shù)，二者的取值均在200-200,000之間。在本實(shí)施例中，如圖2所示，采用coreldrawx4sp2軟件繪制生成源圖形文件，圖形為大面積二維光柵，尺寸為20,000x20,000像素，bmp格式，8bit灰度，線條寬度為1像素，線條周期為10像素。

在本實(shí)施例中，進(jìn)一步的，將圖形作一定角度順時針旋轉(zhuǎn)，并沿單元方框頂點(diǎn)方向分割為10x10的單幀圖形。單幀圖形的尺寸為2000x2000像素，bmp格式，8bit灰度，線條寬度為1像素，線條周期為10像素。

進(jìn)一步的，如圖3所示，單幀圖形的編號為1-1,1-2,1-3……2-1,2-2,2-3……10-9,10-10。

在本實(shí)施例中，所述步驟s2具體包括：

更換樣品2，將未經(jīng)處理的源圖形文件導(dǎo)入ldwl100激光直寫系統(tǒng)，使用光柵掃描步進(jìn)式刻寫模式，選定刻寫參數(shù)，開始刻寫，得到刻寫樣品2(a)；再將所有單幀圖形導(dǎo)入激光直寫系統(tǒng)，使用光柵掃描步進(jìn)式刻寫模式，選定刻寫參數(shù)，放入樣品，開始刻寫，得到刻寫樣品2(b)；其對比效果如圖5，圖中a為未使用本發(fā)明實(shí)施例的方法的刻寫均勻性，b為使用本發(fā)明實(shí)施例的方法后的刻寫均勻性。

本實(shí)施例中，在上述步驟中，所述激光直寫系統(tǒng)的激光光源為405nm波長的光源；刻寫樣品2參數(shù)為峰值功率26mw，脈沖寬度400ns，掃描頻率500hz；刻寫樣品2為玻璃基底上的100nm厚度ge2sb2te5薄膜。

從圖5刻寫樣品對比圖發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所提出的圖形設(shè)計(jì)方法，可以解決由高速掃描的“拖尾效應(yīng)”、掃描軸與步進(jìn)軸的速度差異、以及幀間拼接等因素帶來的掃描方向和步進(jìn)方向的刻寫效果的差異，從而提高激光直寫系統(tǒng)光柵掃描步進(jìn)式大面積刻寫的整體均勻性。通過本發(fā)明，使得利用激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行器件制備、材料研究的成功率和精確性得到顯著提升。

綜上所述，本發(fā)明提出一種基于大面積超分辨激光直寫系統(tǒng)的圖形刻寫方法，通過將源圖形文件進(jìn)行一定角度順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)并沿周期性邊界裁剪校正，進(jìn)而輸出多個已分割并編號的單幀刻寫圖形，用以整合掃描方向和步進(jìn)方向刻寫效果的差異，使得最終刻寫出的大面積微納結(jié)構(gòu)在笛卡爾坐標(biāo)系的x/y方向均具有良好的均勻性，大幅度提高了光柵掃描步進(jìn)式激光直寫系統(tǒng)在多種材料上的刻寫質(zhì)量和成品率。通過本發(fā)明，使得利用激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行器件制備、材料研究的成功率和精確性得到顯著提升。

最后，本發(fā)明的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。