本发明涉及超高道密度伺服信息极坐标光刻系统及设备，它属于 信息存贮技术。

为了实现本世纪末和21世纪初道密度达到17000～25000TPI超大 容量磁记录目标，国外在80年代起就开始从事这一技术的研究。国内 外现有的光刻技术有：

1.成都706专用设备厂生产的光刻机，它使用的是碘钨灯光源， 而用发射光掩膜进行光刻，但光刻胶较厚，只能复制，而不能直接刻 制图形；

2.电子束曝光光刻机，它虽可直接制作图形，但由于是直角坐标， 在生成圆弧时，得不到真正光滑的圆，当图形较复杂、线纹较细、数 据量大时，生成的图形质量就达不到要求了，实践证明，光刻大于 4000TPI的道密度就做不到了，而这种设备在国内是目前半导体技术 的重要设备，花费2500万美金进口的；

3.光盘母盘光刻机，它只能生成槽沟，只可写图标信息，却记录 在槽底，而不能做复杂的图形。

4.可供参考的现有技术还有中国专利No：91103003.4。

本发明的目的是旨在刻制超高道密度磁盘伺服图形的光刻技术， 以解决上述利用通用的直角坐标电子束曝光机不利于制作高道密度圆 形图案的问题，同时也考虑到其他的用途，如刻制光盘母盘、录写 CD-ROM信息以及文字、图形的微雕等，发明一种超高道密度伺服信息 极坐标光刻系统及设备。

本发明所说的超高道密度伺服信息极坐标光刻系统及设备主要包 括有：主轴回转系统、磁盘盘片定位夹持系统、超高精度定位系统、 闭环控制直线位置检测系统、快速与精定位三套滚动导轨联合驱动系 统、光刻聚焦光路及调制系统、激光器调焦伺服控制系统、工作平台 隔振系统、微机及接口控制系统等部分。

本发明的总体结构如图1、图2所示。

主轴回转系统与磁盘盘片定位夹持机构在同一轴线上，主轴回转 系统设置在工作平台的下部，磁盘盘片定位夹持系统设置在工作平台 的上部；所说的超高精度定位系统包括有闭环控制直线位置检测系统 和快速与精定位三套滚动导轨联合驱动系统、光刻聚焦光路及调制系 统、激光器调焦伺服控制系统均可设置在工作平台上；激光刻蚀头安 装在靠推杆与空气压力气膜之间的作用而移动的空气静压导轨的滑台 上。

本发明所说的超高道密度伺服信息极坐标光刻系统及设备的微机 与接口控制系统包括；双步进电机定位控制、主控板伺服码刻写控制、 主轴电机稳速调速控制、激光束聚焦控制等由微机与接口构成一个全 自动实时控制。

所说的双步进电机的定位，先控制第一步进机进行粗定位，再由 控制逻辑的细分电路控制第二步进电机进行精定位，每次步进可达到 1/128步。

所述的主控板在刻写时，每个磁道的伺服码信息先写入缓冲区， 再由圆光栅传感器产生的时钟信号，经地址计数器扫描缓冲区的地址， 读出缓冲区的内容。

所述的主轴回转系统，采用永磁直流力矩电机驱动，精密圆光栅 传感器信号反馈以及锁相稳速技术，实现±2″的圆周精度和优于1× 10-6的稳速精度。

所述的激光束聚焦控制回路，采用精密直线音圈电机驱动，由调 焦误差检测，滤波，PID调节以及功放等组成闭环系统，以达到±0.2 微米的调焦精度。

与上述现有前三种光刻机相比，本发明的特点是：

1.现有技术的光刻对象是硅片或金属，本发明的光刻对象是磁盘；

2.现有技术光刻光盘的母盘，需两套设备，一台只能做预刻槽定 位，另一台写数据信息，本发明只需一次就能生成磁记录所需要的各 种复杂图形。

实现这一技术，目前既无商品，也没有看到有关报导，本发明针 对现有技术不能解决的问题，瞄准21世纪实现超大容量磁记录的技术 指标，确定了以高精度作为最主要的目标，即以亚微米级，甚至纳米 为追求目标，集精密机械、动态检测、激光、光学、电子学、磁记录、 自动控制、微机、软件等多种高难技术于一体，研制出结构简单、性 能可靠、经济条件许可的光刻系统、方法及设备。

图1：本发明所说的系统、设备总体结构示意图；

图2：本发明所说的系统、设备总体结构俯视示意图；

图3：空气静压主轴系统示意图；

图4：磁盘盘片定位夹持机构示意图；

图5：定位驱动机构示意图；

     A)主视图；                 B)俯视图；

图6：光记录系统结构示意图；

图7：光功率调控系统与光脉冲发生装置示意图；

图8：聚焦及聚焦检测光路示意图；

图9：调焦执行机构——音圈电机结构示意图；

图10；光刻机电气控制系统框图；

图11：接口卡框图。

由于本发明所说的技术是一种超高道密度伺服信息极坐标光刻系 统及设备。又是在现有技术中所没有的，所以，以下对构成本系统设 备的各个部分进行描述。

一、主轴回转系统

主轴转速伺服系统如图3所示。由永磁式直流力矩电机14、弹性 联轴节18、圆光栅传感器5、空气静压轴承19、磁盘盘片定位安置台 20、消振元件等组成，整个系统安装在花岗石隔振台21上。由于主轴 回转系统是用来安装被光刻的磁盘盘片22的，所以要求有极高的精度， 如回转速度在90～200r.p.m内任意可调，稳速精度达0.001％，空气静 压轴承19支承主轴23，主轴23动态径向全跳动≤0.05μm。为了满足该 技术要求，永磁式直流力矩电机14用弹性隔振器24固定在支架25上， 以隔绝电机振动对主轴系统的干扰，并通过弹性联轴节18与圆光栅传 感器5联接，以隔离电机振源并起到电机轴与圆光栅轴不同心的补偿 作用。圆光栅传感器5在圆周上的条纹数为18000条/圈并经72倍电子 细分，使它的分辨率达到1″，精度为±2″。从而构成稳速闭环控制系 统。圆光栅传感器5通过十字联轴节26与空气静压轴承19联接，磁盘 盘片定位夹持机构安置在与空气静压轴承19相连接的主轴23上。

二、磁盘盘片定位夹持机构

磁盘盘片定位夹持机构如图4所示。

磁盘盘片定位夹持机构、主要由弹性夹头27、弹性轴向加压器28、 塑性加压块32、自动锁紧与卸载机构29等构成一个自动定心；自动调 节加载力的弹性夹持系统，需要进行光刻的磁盘盘片22放置在主轴23 上的磁盘安置台20上；在定位夹持机构上设置有磁盘夹持装置，磁盘 夹持装置上设有精密弹性夹头27，依靠精密弹性夹头27自动定心，磁 盘夹持装置上设置有弹性轴向加压器28，弹性轴向加压器28一方面通 过锥形顶头30上的弹簧31a将弹性夹头27均匀张开，同时通过另一弹 簧31b将塑性加压块32均匀地靠弹性力压向磁盘盘片22，以完成自动 锁紧的功能，保证盘片精确定位与可靠夹紧，而不损坏盘片。自动锁 紧与卸载机构29上设置有开合钩33，推动开合弹簧34使开合钩33脱离， 自动锁紧与卸载机构29上的簧片35带动磁盘夹持装置离开磁盘盘片22； 关闭开合钩33时，则磁盘夹持装置上的弹性夹头27，弹性轴向加压器 28，锥形顶头30，塑性加压块32等机件作用于磁盘盘片22，并使磁盘 盘片22精确定位与可靠夹紧。

二、超高精度定位驱动系统

超高精度定位驱动系统构成极坐标光刻技术，(如图2、图5所 示)。主要由空气静压导轨36、直线位置检测元件3、快速精定位滚动 导轨37a、37b、37a联台运动组成快速超精定位驱动系统。在现有技 术“闭环定位装置”(专利号：91103003.4)的基础上，本发明技术 中的滑合采用更高精度的空气静压导轨；检测元件采用更高分辨率和 精度的光电传感器，驱动与定位分开而且采用空气压力气膜联接，以 便有效地隔绝振源，确保超精定位；传动采用滚珠丝杆，以便消除空 回，减小摩擦磨损，轻便灵活，达到快速响应之目的。

超高精度定位驱动系统中的工作台定位系统采用封闭式结构的空 气静压导轨36驱动系统，由三套高精度滚动导轨37a、37b、37c所组 成。首先快速定位驱动，即第一步进电机12a通过弹性联轴节与丝杆 连成一体，通过丝杆—螺母副将步进电机12a的旋转运动转换为导轨 37a的滑台的直线位移，在这一级的控制中，如果步进电机12a的步距 角为0.9°；丝杆螺距t＝0.8mm，则位移的脉冲当量为2μm/1脉冲，使 导轨37a的滑台快速地位移2μm，滑台的位移误差通过直线位置检测 元件3实时反馈给第二步进电机12b实现微细补偿，达到要求的定位精 度；微细定位驱动系统又是由第二步进电机12b、滚珠丝杆38、螺母 副、楔块39、滚动顶杆40、精密滚动导轨37b的滑台等组成，其技术 参数为：步进电机12b步距角0.9°，滚珠丝杆38导程2mm，楔块39斜 度1∶50～1∶100，再经电子10细分使其分辨率达到0.01～0.005μm。

第三套精密滚动导轨37c的滑台上安装推杆41，通过它驱动空气 静压导轨36的滑台42进行直线定位，而该推杆41与滑台42的联接不是 机械方式，而是靠空气压力的气膜43传动，这样从根本上消除了驱动 系统的各种误差对定位精度的影响。

超高精度定位驱动系统如图5所示。该系统技术指标为：

①、直线微进给定位精度±0.1μm；

②、直线微进给最高分辨率0.005μm-0.01μm；

③、导轨运动在50mm行程内水平方向的直线性＜0.2μm；

④、导轨运动在50mm行程内垂直方向的直线性＜0.2μm。

四、光刻聚焦光路与调制系统

光记录系统的基本要求：1.亚微米级的聚焦光斑直径；2.聚焦伺 服系统；3.曝光功率控制系统；4.激光束的调制。为达到以上要求， 需采取以下措施：

1.激光器：选用He-Cd激光器，波长441.6nm，功率为70毫瓦。它 的短波长有两个目的：①其聚焦光点直径比长波长的要小，从而有利 于提高记录密度，②它的波长在光刻胶的波长敏感感光范围内。激光 器的功率足以保证曝光的要求。

2.亚微米级光斑：光斑直径0.9um，通过对光束整形，滤波，并 选择适当大数值孔径(0.45)的镜头，可使He-Cd激光束在焦平面上聚 焦成0.9um光斑。

3.聚焦伺服系统；引入一波长832.8nm的He-Ne激光器，该波长不 在光刻胶感光敏感范围内，用它提供聚焦伺服可在任意时刻使He-Cd激光处于良好聚焦状态。

4.光束调制：采用一高性能声光调制器。激光衍射效率60±20％ 可调。脉冲调制频率1MHz以上，消光比1∶1000。

光记录系统结构即光刻聚焦光路与调制系统如图6所示。

光刻聚焦光路与调制系统由He-Cd激光器44、声光调制器9、反光 镜45、透镜46、小孔光阑47、He-Ne激光器48、偏振分光镜49、1/4波 片50、物镜51、磁盘22、耦合透镜52、滤光片53、柱面镜54、四象限 PIN接受器55等组成。由图6中可见，He-Cd激光器44发出的441.6nm 光束，经过反射镜45a与部分透射镜56后，用声光调制器9调制衍射效 率和光束通断，(由于反光镜的作用在于引导其光束的路径，所以根 据光路的设计，可在必要的光路中设置必要的反光镜，如图6中的反 光镜45a、45b、45c、45d、45e、45f等，也就是说在图6中的反光镜 45a～45b，其中的反光镜45a、45b、45c、45d、45c、45f可根据需要 进行设置或不设置)，再经过小孔光阑47的整形和滤波作用，成为一 准直的调制束。该光束经偏振分光镜49、1/4波片50和聚焦物镜51在 磁盘22片表面会聚成亚微米级光斑，曝光涂于盘片上的光刻胶，从而 刻蚀出伺服图形。

在声光调制器9的两边设置有透镜46a和透镜46b，透镜46a用于提 高调制频率，透镜46b使聚焦光束恢复成平行光束。在小孔光阑47的 前、后设置有短焦距透镜46c和长焦聚透镜36d。

光功率调控系统与光脉冲发生装置如图7所示。光功率调控 He-Cd激光器44的光束，经过部分透射镜56时将光束一分为二，一小部 分激光束，由光电接收器57接收，通过光功率控制电路58转变为与光 强成比例的电信号，可由计算机1采样分析，计算机1根据当前激光器 功率调节光强。大部分激光束经透镜46a会聚于声光调制器9，在与声 光调制器9相连的驱动电源60作用下，声光调制器9使激光束发生衍射， 经小孔光阑47遮挡，只允许一级衍射光通过。串行二进制码产生电路 59则根据计算机送来的数据，产生符合编码规则的脉冲串，控制声光 调制器9驱动电源60的断通，从而产生光强可控的一连串激光脉冲。

五、聚焦伺服控制系统

聚焦伺服控制系统如图8所示。聚焦采用像散法。

聚焦检测系统由物镜51、1/4波片50、偏振分光镜49、耦合透镜 52、滤光片53、柱面镜54、四象限PIN接收器55组成。平行入射的激 光束通过物镜51聚焦在磁盘盘片22上，并由磁盘盘片22返回物镜51， 通过1/4波片50和偏振分光镜49，光束射向耦合透镜52，通过滤光片 53后，滤除λ＝441.6nm的光，使λ＝632.8nm的He-Ne激光束通过， 经过柱面镜54后，成像在四象限PIN接收器55上。此光束经耦合透镜 52会聚于柱面镜54，经柱面镜54像散后的光束随聚焦状况的不同而反 映为在四象限PIN接收器55上的不同形状的椭圆光斑。从而产生聚焦 误差信号，驱动电路15根据此信号驱动音圈电机装置17使物镜51上下 运动，确保良好的聚焦。

聚焦及聚焦检测部分主要完成两项任务，一是将He-Cd激光器射 出的激光束在磁盘面上聚焦成亚微米光斑；二是从磁盘面反射光中取 出He-Ne激光束，经聚焦检测系统，检出光斑在磁盘面上的聚焦状态， 并进行自动调焦。由于同时有λ＝441.6nm和λ＝632.8nm的两束激光 通过物镜聚焦，而且是用λ＝632.8nm的聚焦情况来判定λ＝441.6nm 的聚焦情况，为使聚焦检测能真实地反映刻录光束的聚焦情况，设计 物镜时已对这两种光消色差。

偏振分光镜和1/4波片在这里起到使从磁盘面返回的光束不会再 回馈到激光器的作用，这样可以避免光噪声。

物镜调焦控制的执行机构是音圈式的调焦机构，如图9所示。其 构成及原理为；

物镜51固定在物镜轴61内，物镜轴61上设置有线圈骨架62和线圈 63，物镜轴61为音圈的活动部分，音圈电机装置17固定部分包括杉钴 (YISZ-2004)永久磁铁64和软铁65构成的闭合磁路、物镜轴61在滑动 轴承66内上下运动，滑动轴承66由氟塑料制成，具有良好的耐磨性和 润滑性，物镜轴61与滑动轴承66研配而成；以保证紧密配台。当线圈 中有电流通过时，线圈电流产生的磁场与闭合磁路的磁场相互作用， 产生的作用力与电流大小成正比，当作用力与物镜可动部分的重力平 衡时，物镜便处于平衡位置，磁盘旋转时，由于轴向跳动而产生的调 焦误差信号，经放大等处理，使流经线圈的电流量作相应改变，从而 驱动物镜上下运动，达到调焦的目的，调焦范围为±25μm，调焦精度 达到±0.2μm。

为了便于控制并使焦深处于最佳的起始位置，还设计了微调机构， 旋转调节微调螺母67可使整个音圈执行机构移动到最佳位置。

六、微机与接口控制系统

本发明所说的超高道密度伺服信息极坐标光刻系统及设备的光刻 机微机与接口控制系统如图10所示。

1.直线光栅传感器3检测的位置信号经数显表4处理后，通过 RS232串口联接微机1，再由主控板2通过编程控制产生步进脉冲信号 送入步进电机控制逻辑10，经功率放大器11a、11b放大后，驱动步进 电机12a、12b，实现直线定位控制。

2.由圆光栅传感器5检测到主轴电机14的速度信号，经数显箱6放 大处理后，联接到主轴电机控制逻辑电路13产生对力矩电机14的稳速 控制，并且数显箱6送入主控板2作为时钟同步信号。

3.由光功率传感器7、功率控制/调制电路8和声光调制器9构成 了对激光束的光强控制和调制。

4.聚焦信号检测电路16是由四象限光电传感器55和放大电路组成， 检测到的聚焦误差信号送入聚焦误差信号产生与驱动电路15控制音圈 电机装置17直线运动，调整焦距。

图11为接口卡框图。