ЛАЗЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ РАБОТЫ В ПОЛЯРНОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ

Полезная модель относится к разделу технологического оборудования оптоэлектроники и может быть использована для улучшения технических характеристик оптических дифракционных элементов (ДОЭ) или высокоточных углоизмерительных структур (УИС), формируемых с помощью лазерных генераторов изображений, работающих в полярной системе координат и реализующих технологию записи топологии ДОЭ и УИС в режиме кругового сканирования.
Известен лазерный генератор изображений (ЛГИ), работающий в полярной системе координат и используемый для синтеза микрорельефа дифракционных оптических элементов произвольной структуры (см. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P. at al. / Polar coordinate lather pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Appl. Opt. 1999. 38, N 8, p. 1295), содержащий мощный аргоновый лазер, оптический канал записи, каретку линейных перемещений и узел вращения, установленные на гранитной плите, которая имеет специальное сквозное отверстие для размещения узла вращения. Гранитная плита, в свою очередь, размещается на виброизолирующем основании. Смонтированный на гранитной плите оптический канал записи включает в свой состав оптику для транспортировки излучения аргонового лазера, акустооптические модуляторы, управляющие уровнем мощности оптического излучения, подводимого к фоточувствительному слою, и головку записи с системой автоматической фокусировки микрообъектива. В известном ЛГИ оптическое излучение аргонового лазера подводится к головке записи точно по ходу движения каретки линейных перемещений. В свою очередь каретка линейных перемещений используется для позиционирования головки записи оптического канала в радиальном направлении и состоит из портала с аэростатическими подшипниками, опирающимися на круглую и плоскую направляющие и перемещаемого с помощью двух линейных двигателей, установленных на гранитной плите вблизи упомянутых направляющих. Каретка линейных перемещений позиционирует головку записи с помощью системы управления, в обратной связи которой используется лазерный интерферометр. Узел вращения ЛГИ служит для сканирования подложки с фоточувствительным слоем в угловом направлении и состоит из аэростатического шпинделя со встроенным двигателем вращения, предметного столика для фиксации подложки с фоточувствительным слоем и датчика угла поворота.
Важнейшим недостатком известного лазерного генератора изображений является то, что сравнительно небольшие (порядка 1°C) температурные изменения окружающей среды приводят к температурным дрейфам его головки записи на уровне 3,5-4,0 мкм (как в продольном, так и в поперечном направлениях), что с позиций качества исполнения топологии дифракционных оптических элементов является весьма значительным искажением.
Результаты исследований погрешности синтеза оптических элементов с помощью лазерных генераторов изображений, работающих в полярной системе координат, представлены в ряде источников (см. например, Guhr J. «Test results of the circular laser writing system CLWS-300» // Diffractive Optics: EOS Topical Meeting Digest Serial. 1997. Vol. 12. P. 206-207 или Полещук А.Г., Коронкевич В.П., Корольков В.П. и др. / «Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат: погрешности изготовления и их измерение» // Автометрия. 1997. №6. С. 42-56).
Известно техническое решение, представленное в первоисточнике (см. А.В. Кирьянов, В.П. Кирьянов / «Улучшение метрологических характеристик лазерных генераторов изображений с круговым сканированием» // «Автометрия», 2010, том 46, №5, с. 77-93), в котором рассмотрены технические решения, направленные на улучшение метрологических характеристик лазерных генераторов изображений, работающих в полярной системе координат, которое выбрано в качестве прототипа. В прототипе отмечается, что в известном ЛГИ с целью обеспечения удобств оператору при его работе на данном ЛГИ шпиндельный узел смещен относительно центра симметрии плиты ближе к краю (к оператору), а плоская направляющая конструктивно отодвинута несколько назад, при этом головка записи крепится на ближней кромке портала. Выполненные при этом исследования показали (см. указанный выше первоисточник с. 78-90), что отмеченные особенности отрицательно сказываются на точности формируемых элементов.
Недостатками известного технического решения являются:
- нарушение принципа компарирования Аббе в реализованной конструкции портала каретки линейных перемещений;
- наличие некомпенсируемого вращательного момента инерции со стороны аэростатического подшипника плоской направляющей;
- наличие значительного «мертвого» хода лучей в воздухе в измерительном плече интерферометра;
- наличие неконтролируемого отрезка материала портала между оптической осью записывающей головки и оптическим центром ретрорефлектора измерительного плеча интерферометра;
- неконтролируемые движения поверхности с фоточувствительным слоем, обусловленные прецессией и нутацией оси ротора шпинделя из-за дисбаланса вращающихся масс, соединенных с ротором.
Нарушение принципа компарирования Аббе в реализованной конструкции портала состоит в том, что в направлении, перпендикулярном направлению перемещению головки записи, полностью отсутствует оперативный контроль текущего положения головки записи. Необходимость в этом обусловлена тем, что головка записи находится на значительном (порядка 200 мм) расстоянии от оси аэростатического подшипника круглой направляющей, на которую в данной конструкции портала возлагается ответственность за стабилизацию положение портала вдоль главного направления перемещений (за счет кругового силового замыкания). Так как на плоской направляющей силовое замыкание реализовано только в вертикальном направлении, то портал имеет возможность свободно расширяться в боковом направлении при изменении температуры окружающей среды. В этих условиях записывающая головка смещается в боковом направлении на 4,4 мкм на каждый градус Цельсия (4,4 мкм/°C) и за счет этого вносит искажения в синтезируемые структуры.
Отсутствие полного силового замыкания аэростатического подшипника плоской направляющей приводит также к тому, что возникает значительный вращательный момент инерции массы портала и деталей самого плоского подшипника, который приводит к угловым качаниям портала (а, следовательно, и записывающей головки) в переходных режимах, когда действуют наибольшие ускорения со стороны линейного привода, что также приводит к искажениям топологии элементов.
В конструкции известного ЛГИ, в составе системы управления линейными перемещениями каретки используется классический лазерный интерферометр с отражателями (ретрорефлекторами) на основе триппель-призм. Выполнение измерений с учетом требований принципа компарирования Аббе в направлении перемещений записывающей головки вынуждает размещать лазерный интерферометр вне поля перемещения портала, а ретрорефлектор его измерительного плеча - устанавливать на некотором удалении от контролируемого объекта (луча мощного лазера, проходящего по оси микрообъектива). В результате этого излучение стабилизированного по частоте лазера, входящего в состав интерферометра, вынуждено проходить значительный путь в воздухе, показатель преломления которого непрерывно меняется при изменении параметров среды: температуры, давления и влажности воздуха. В лазерной интерферометрии эта ситуация известна как проблема учета «мертвого» хода лучей в измерительном плече. Кроме того, при изменении окружающей температуры меняется температура гранитной плиты, в результате чего изменяется расстояние между центром интерферометра и осью вращения ротора узла вращения, что также приводит к искажениям топологии синтезируемых элементов. Изменения хода лучей в измерительном плече интерферометра из-за действия указанных причин составляют 4,2 мкм/°C и 3,3 мкм/°C, соответственно.
И, наконец, то, что в известном ЛГИ оптическая ось микрообъектива отстоит от оптического центра ретрорефлектора измерительного плеча интерферометра на 100 мм, добавляет еще одну неопределенность, искажающий вклад которой составляет порядка 2,2 мкм/°C.
Перед авторами ставилась задача разработать конструкцию лазерного генератора изображений для работы в полярной системе координат, обеспечивающего более высокую точность формирования объектов.
Поставленная задача решается тем, что в лазерном генераторе изображений для работы в полярной системе координат, состоящего из источника оптического излучения, оптического канала с системой поворотных зеркал и акустооптических модуляторов, управляющих уровнем мощности оптического излучения, подводимого к фоточувствительному слою через микрообъектив головки записи, каретки линейных перемещений, обеспечивающей, посредством узла управления на основе лазерного интерферометра и двух линейных двигателей, контролируемое смещение по R координате, установленной на ней головки записи с узлом перемещений микрообъектива по Z координате и узлом автоматической фокусировки микрообъектива, узла вращения, включающего шпиндель и предметный столик для фиксации стеклянной заготовки с фоточувствительным слоем, и гранитной плиты, установленной на виброизолирующем основании и предназначенной для размещения на ней источника оптического излучения оптического канала, каретки линейных перемещений и узла вращения, размещенного в сквозном отверстии, в гранитной плите, и в теле гранитной плиты со стороны ее рабочей поверхности сформирован продольный паз, среднее сечение которого лежит в главной плоскости лазерного генератора изображений, совпадающей с осью вращения ротора шпинделя узла вращения и вектором перемещений каретки, в сформированный продольный паз плотно вставлены, симметрично относительно оси вращения ротора шпинделя узла вращения, два прямоугольных гранитных бруска, вертикальные стенки которых являются направляющими для первой группы аэростатических подшипников каретки линейных перемещений, а на горизонтальных установлены статоры линейных двигателей, индукторы которых установлены на каретке линейных перемещений, при этом рабочая поверхность гранитной плиты является направляющей для второй группы аэростатических подшипников каретки линейных перемещений, при этом каретка линейных перемещений имеет дополнительную поперечную арку для установки головки записи и дополнительную пару плоских аэростатических подшипников, опирающихся на рабочую поверхность гранитной плиты, при этом головка записи с системой автоматической фокусировки микрообъектива установлена на поперечной арке каретки линейных перемещений с помощью дополнительного однокоординатного столика, направление перемещений которого ориентировано ортогонально главной плоскости лазерного генератора изображений, оптическое излучение, используемое для экспозиции фоточувствительного слоя, подводится к головке записи ортогонально главной плоскости лазерного генератора изображений с помощью дополнительного поворотного зеркала, установленного на краю каретки линейных перемещений в плоскости перемещений дополнительного однокоординатного столика, при этом лазерный интерферометр в узле управления выполнен в виде интерферометра дифференциального типа с четырьмя индивидуальными отражателями, установленными на корпусных деталях каретки линейных перемещений и узла вращения, соответственно, симметрично относительно оси вращения ротора узла вращения в плоскости, проходящей через ось вращения ротора узла вращения ортогонально главной плоскости лазерного генератора изображений.
Технический эффект, заявляемого технического решения заключается в уменьшении погрешности формируемых объектов до уровня, не превышающего 10 нм.
На фиг. 1. представлены схемы двух проекций лазерного генератора изображений для работы в полярной системе координат (фиг. 1, а - горизонтальная, фиг. 1, б - фронтальная), где 1 - гранитная плита, 2 - виброизолирующий стол, 3 - каретка линейных перемещений, 4 - интерферометр дифференциального типа, 5 - поворотное зеркало интерферометра, 6 - узел вращения, 7 - поперечная арка, 8 - головка записи, 9 - оптический канал, 10 - акустооптический модулятор первый, 11 - акустооптический модулятор второй, 12 - источник оптического излучения, 13 - индукторы линейных двигателей, 14 - продольный паз, 15 - предметный столик, 16 - стеклянная заготовка, 17 - зеркало поворотное оптического канала.
На фиг. 2 представлена изометрическая проекция гранитной плиты ЛГИ, где 1 - гранитная плита, 14 - продольный паз, 18 - главная плоскость лазерного генератора изображений (ГПУ).
На фиг. 3 представлена изометрическая проекция гранитной плиты с вставленными прямоугольными гранитными брусками, где 1 - гранитная плита, 19 - прямоугольный гранитный брусок, 20 - горизонтальная стенка, 21 - горизонтальная плоскость, 22 - вертикальная стенка.
На фиг. 4 представлена боковая проекция лазерного генератора изображений (ЛГИ), где 1 - гранитная плита, 3 - каретка линейных перемещений, 13 - индукторы линейных двигателей, 19 - прямоугольный гранитный брусок, 23 - дополнительная пара плоских аэростатических подшипников, 24 - первая группа плоских аэростатических подшипников, 25 - вторая группа плоских аэростатических подшипников, 26 - статоры линейных двигателей.
На фиг. 5 представлено центральное сечение лазерного генератора изображений ЛГИ (ортогонально ГПУ), где 1 - гранитная плита, 3 - каретка линейных перемещений, 6 - узел вращения, 7 - поперечная арка, 8 - головка записи, 15 - предметный столик, 16 - стеклянная заготовка, 17 - дополнительное поворотное зеркало оптического канала. 23 - дополнительная пара плоских аэростатических подшипников 27 - отражатели измерительного плеча интерферометра, 28 - отражатели референтного плеча интерферометра, 29 - однокоординатный столик, 30 - узел автоматической фокусировки микрообъектива, 31 - оптическое излучение, 32 - поворотное зеркало, 33 - узел перемещений по Z-координате.
На фиг. 6 представлена принципиальная схема интерферометра дифференциального типа, где 4 - интерферометр дифференциального типа, 5 - поворотное зеркало интерферометра, 6 - узел вращения, 15 - предметный столик, 16 - стеклянная заготовка, 27 - отражатель измерительного плеча, 28 - отражатель референтного плеча, 34 - триппель-призма, 35 - четвертьволновые пластины, 36 - поляризационный светоделитель.
Заявляемый лазерный генератор изображений для работы в полярной системе координат работает следующим образом. Стеклянную заготовку 16 с нанесенным фоточувствительным слоем (см. фиг. 1) размещают на предметном столике 15 узла вращения 6. После этого устанавливают необходимую скорость вращения ротора шпинделя узла вращения 6. Каретку линейных перемещений 3 по команде от управляющего компьютера (на фиг. 1 не показан) выводят с помощью системы управления линейными перемещениями на требуемый радиус записи. С помощью узла перемещений по Z-координате 33 (фиг. 5) головку записи 8 подводят к поверхности фоточувствительного слоя стеклянной заготовки 16, включают систему автоматической фокусировки, которая с помощью узла автоматической фокусировки микрообъектива 30 удерживает микрообъектив головки записи 8 в положении наилучшей фокусировки оптического излучения от источника оптического излучения 12. Затем включают в работу акустооптический модулятор первый 10 и акустооптический модулятор второй 11, входящие в оптический канал с системой поворотных зеркал и акустооптических модуляторов, первый из которых осуществляет быстрое прерывание поступающего на него излучения, а второй - стабилизирует на своем выходе уровень выходного излучения на требуемом значении. Благодаря дополнительному поворотному зеркалу оптического канала 17, так же входящего в оптический канал с системой поворотных зеркал и акустооптических модуляторов, оптическое излучение 31 от источника оптического излучения 12 поступает на вход головки записи 8. В составе головки записи 8 имеется поворотное зеркало 32, которое направляет оптическое излучение 31 на узел автоматической фокусировки микрообъектива 30 и далее на стеклянную заготовку 16 для формирования топологии ДОЭ или УИС.
Для того, чтобы при изменениях температуры окружающего воздуха лазерный генератор изображений (ЛГИ) продолжал формировать топологию элементов с минимальными искажениями в предлагаемом ЛГИ выделяют главную плоскость лазерного генератора изображений (ГПУ) 18 (фиг. 2), которая располагается ортогонально рабочей плоскости гранитной плиты 1, установленной на виброизолирующем столе 2 (фиг. 1), и включает в себя продольную ось симметрии гранитной плиты 1, вдоль которой должны происходить перемещения каретки линейных перемещений 3 с головкой записи 8, при этом компоновку ЛГИ выполняют таким образом, чтобы обеспечить точное соблюдение принципа симметричного расположения критических узлов ЛГИ относительно ГПУ 18, в том числе расположения точек приложения сил от используемых в ЛГИ двигателей либо точно в ГПУ 18, либо симметрично относительно ее. В соответствии с этой концепцией в теле гранитной плиты 1 (фиг. 2) со стороны ее рабочей поверхности выполняется продольный паз 14, среднее сечение которого лежит в главной плоскости 18 лазерного генератора изображений. В этой же главной плоскости 18 лазерного генератора изображений располагаются и ось вращения ротора шпинделя узла вращения 6, и вектор перемещений каретки линейных перемещений 3.
В сформированный продольный паз 14 плотно вставлены (симметрично относительно оси вращения ротора шпинделя узла вращения 6 два прямоугольных гранитных бруска 19 (фиг. 3), вертикальные стенки 22 которых являются направляющими для первой группы хотя бы из четырех плоских аэростатических подшипников 24 каретки линейных перемещений 3 (фиг. 4). На горизонтальных стенках 20 прямоугольных гранитных бросков 19 установлены строго вдоль главной плоскости ГПУ 18 статоры 26 линейных двигателей, при этом индукторы 13 линейных двигателей размещены на каретке линейных перемещений 3 на обеих сторонах симметрично относительно центра каретки линейных перемещений 3. При этом горизонтальная (полированная) поверхность 21 гранитной плиты 1 является направляющей для второй группы хотя бы из четырех плоских аэростатических подшипников 25 каретки линейных перемещений 3 (фиг. 4).
При таком расположении индукторов линейных двигателей 13 точки приложения тяговых усилий от индукторов линейных двигателей 13 располагаются точно в главной плоскости 18 лазерного генератора изображений и складываются между собой, не вызывая нежелательных разворотов каретки линейных перемещений 3. Кроме того, возможное тепловое расширение гранитной плиты 1 и двух гранитных прямоугольных брусков 19 происходит в разные стороны и симметрично относительно главной плоскости 18 лазерного генератора изображений, что не приводит к температурному дрейфу в боковом направлении оптической оси головки записи 8, размещенной на поперечной арке 7 каретки линейных перемещений 3.
Как уже упоминалось, для установки головки записи 8 на каретке линейных перемещений 3 в ее серединном сечении предусмотрена дополнительная поперечная арка 7. В местах соединения арки 7 с кареткой линейных перемещений 3 установлена дополнительная пара плоских аэростатических подшипников 23, которые опираются на рабочую поверхность 21 гранитной плиты 1, и не допускают прогиба каретки линейных перемещений 3 в вертикальном направлении и, тем самым, стабилизируют в этом направлении пространственное положение головки записи 8 на каретке линейных перемещений 3 (фиг. 5). Известно, что при сборке ЛГИ изначально, как правило, не удается точно совместить ось микрообъектива головки записи 8 с центром вращения ротора шпинделя узла вращения 6. Для решения данной проблемы головка записи 8 вместе с узлом перемещений по Z-координате 33 установлена на дополнительной поперечной арке 7 каретки линейных перемещений 3 с помощью дополнительного однокоординатного столика 29, осуществляющего перемещения указанной головки записи 8 в направлении, ортогональном ГПУ 18 лазерного генератора изображений (фиг. 5). Дополнительный однокоординатный столик 29 имеет диапазон перемещений, позволяющий скомпенсировать возникающее после сборки несовпадение оптической оси микрообъектива головки записи 8 и оси вращения ротора шпинделя узла вращения 6. Т.к. указанное несовпадение в радиальном направлении всегда может быть скомпенсировано смещением каретки линейных перемещений 3 в штатном направлении, то с помощью дополнительного однокоординатного столика 29 выполняется компенсация несовпадений, ориентированных ортогонально главной плоскости ГПУ 18 лазерного генератора изображений. Чтобы дополнительный однокоординатный столик 29 при длительных записях больших массивов данных не вносил дополнительных дрейфов, он блокируется от спонтанных смещений с помощью механизма, стопорящее усилие которого прикладывается точно в главной плоскости ГПУ 18 лазерного генератора изображений (или в двух точках, расположенных симметрично относительно ГПУ).
В связи с тем, что окончательная юстировка положения головки записи 8 осуществляется смещением ее в направлении, ортогональном главной плоскости ГПУ 18 лазерного генератора изображений, оптическое излучение 31, используемое для экспозиции фоточувствительного слоя, подводится к головке записи 8 также ортогонально главной плоскости ГПУ 18 лазерного генератора изображений с помощью дополнительного поворотного зеркала оптического канала 17, установленного на краю поперечной арки 7 каретки линейных перемещений 3 в плоскости перемещений однокоординатного столика 29.
Для устранения имевших место в известных ЛГИ значительных дрейфов положения оптической оси микрообъектива головки записи 8 относительно центра вращения ротора шпинделя узла вращения 6, вызванных изменением температуры окружающей среды и разогревом двигателя вращения, установленного в узле вращения 6, в предлагаемой полезной модели ЛГИ предлагается использовать интерферометр дифференциального типа 4, принципиальная схема которого приведена на фиг. 6. Интерферометр дифференциального типа 4 состоит из поляризационного светоделителя 36, триппель-призмы 34, трех четвертьволновых пластин 35, поворотного зеркала интерферометра 5, отражателей измерительного плеча интерферометра 27 и отражателей референтного плеча интерферометра 28. При этом отражатели измерительного плеча интерферометра 27 используются в измерительном плече интерферометра 4 и установлены на корпусных деталях каретки линейных перемещений 3, а отражатели референтного плеча интерферометра 28 используются в референтном плече интерферометра 4 и установлены на корпусных деталях узла вращения 6, причем каждая пара отражателей измерительного плеча интерферометра 27 и отражателей референтного плеча интерферометра 28 размещена симметрично относительно оси вращения ротора шпинделя узла вращения 6 в плоскости, проходящей через ось вращения ротора ортогонально ГПУ 18 лазерного генератора изображений.
Применение интерферометра дифференциального типа 4 позволяет свести к нулю т.н. «мертвый» ход лучей в измерительном плече лазерного интерферометра. Для этого оба отражателя референтного плеча интерферометра 28 интерферометра дифференциального типа 4 располагаются в непосредственной близости от исходного положения отражателей измерительного плеча интерферометра 27 (крайнее положение отражателей измерительного плеча интерферометра 27 показано на фиг. 6 пунктирными линиями). В связи с тем, что ретрорефлекторы каждого плеча интерферометра дифференциального типа 4 представлены парой плоских отражателей измерительного плеча интерферометра 27 и отражателей референтного плеча интерферометра 28, соответственно, то это позволяет с высокой точностью совместить между собой оптические центры ретрорефлекторов измерительного плеча и ретрорефлекторов референтного плеча интерферометра дифференциального типа 4. А это позволяет устранить собственный неконтролируемый дрейф нуля интерферометра дифференциального типа 4.
Кроме того, совмещение оптических центров отражателей измерительного плеча интерферометра 27 с оптическим центром головки записи 8 позволяет полностью устранить неконтролируемый дрейф положения головки записи 8 относительно нуля интерферометра 4.
Для того, чтобы система управления перемещениями каретки линейных перемещений 3 автоматически учитывала температурные дрейфы пространственного положения узла вращения 6, обусловленные, как указывалось выше, изменением температуры гранитной плиты 1 из-за изменений температуры воздуха и разогревом корпуса двигателя вращения ротора в узле вращения 6, отражатели референтного плеча интерферометра 28 размещены непосредственно на корпусных деталях узла вращения 6 (фиг. 4).
-7
-8
Таким образом, наиболее важным фактором, вносящим неопределенность в позиционирование записывающей головки 8, является дисперсия показателя преломления воздуха на отрезке между текущим положением отражателей измерительного плеча интерферометра 27 и отражателей референтного плеча интерферометра 28. Максимальный размер этого отрезка в предлагаемом ЛГИ составляет 120 мм. В современных лазерных интерферометрах, в т.ч. дифференциального типа, относительная неопределенность стабилизации частоты лазера интерферометра и вводимых поправок на изменение показателя преломления воздуха составляет 10 за 24 часа и 10 на интервалах, не превышающих 1 час непрерывной работы интерферометра. Если для оценки достижимой неопределенности позиционирования каретки линейных перемещений 3 взять более грубый показатель, то на максимальных расстояниях между отражателями реализуется неопределенность порядка (10-12) нм, что, как минимум, на порядок меньше, чем у известных ЛГИ.
Таким образом, предварительная оценка стабильности положения записывающей головки 8 относительно центра вращения ротора шпинделя узла вращения 6 по X и Y направлениям показала возможность достижения значений, не превышающих 10 нм, при изменении температуры окружающей среды на 0,2°C за 8 часов, что соответствует современным требованиям к технологическому оборудованию оптоэлектроники, эксплуатируемого в помещениях типа «чистых комнат».