高速激光点阵光刻机的设计

摘  要： 为了制作大尺寸激光防伪商标，开发了高速激光点阵光刻机。该光刻机以工控机为上位机，ARM LPC2138和单片机STC12C5401AD为下位机，采用直线电机直接驱动X-Y工作台，实现了高速高精度定位。
关键词： 激光直写；直线电动机；光刻；光栅；ARM LPC2138；单片机
       激光全息防伪技术是采用激光作为光源，通过复杂的光路设计，记录拍摄物体图像信息的干涉条纹等图像，通过光刻机对光刻胶进行刻蚀，再经过显影和电铸制作全息母板，用特殊的机械模压设备进行大量廉价的复制。在普通光照明下，承载这种干涉条纹的复制品材料呈现出变换的色彩、三维的图像文字信息以及动态变化的时空信息[1-2]。全息母板制作技术复杂，涉及刻蚀显影工艺、电化学工艺等，其中最为关键的技术是光刻机根据图像信息对光刻胶进行刻蚀。传统的点阵光刻机采用静态曝光的工作模式，工作效率低，难以实现大尺寸防伪商标的制作。本文介绍了一种单光束激光点阵光刻机的设计，该设备采用双向逐行扫描、动态曝光的工作方式，使光刻工作速度提高了10～12倍，解决了大尺寸防伪商标制作难的问题，提高了防伪商标制作的技术水平。
1 光刻机的工作原理与主要技术指标
1.1 工作原理
     点阵光刻机制作激光全息防伪商标的母板是通过点-线-面形成一幅画面。X-Y工作台由两台直线电机分别控制X轴与Y轴方向上的位移，采用双向逐行扫描的方式工作[3-4]。首先系统位置初始化，读第一行图像的文件，运行X-Y工作台，转动光栅转角，检测到曝光位置时触发激光器对光刻胶感光、关闭激光器、转动光栅转角，直致X轴方向走完一行，然后Y轴方向上移动一个步距，如此交替进行，直到一幅画面完成。为了提高激光光刻制版的速度，本系统采用动态曝光的工作方式[5]，在激光器曝光时，工作台不会停止运行，因此对定位精度、位移判断的速度和曝光时间都提出了较高的要求。
1.2 主要技术指标
     光刻机的主要技术指标有：(1)定位精度±1 μm；(2)光刻精度2 540 dpi(最大)；(3)光刻速度50～500点/s；(4)制作尺寸400 mm×600 mm。
2 光刻机的硬件结构
     光刻机采用上位机和下位机的结构形式，上位机采用工业控制计算机，下位机采用ARM LPC2138和单片机STC12C5401AD。主要由X-Y工作台、激光器、自动调焦机构、控制器（X-Y位移控制、交流伺服控制、自动调焦控制）、计算机等组成[6]，其结构示意图如图1所示，结构框图如图2所示。
   
   2.1 X-Y工作台
     X-Y工作台采用直线电机驱动的全闭环系统，位移检测传感器采用光栅尺，以ARM LPC2138和可编程逻辑器件FPGA为核心控制器件，控制X-Y工作台以双向逐行扫描的方式工作。由于直线电机结构简单、运动平稳、噪声小、动态响应快，在加速度和精度方面明显优于“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的驱动方式，有效提高了工作台的运动速度和光刻定位精度（光刻定位精度优于±1 μm）。
     光栅尺输出的方波信号有A相、B相和Z相三个电信号，A相与B相信号周期相同（均为W）相位差90°，构成正交脉冲，Z相信号作为校准信号以消除累积误差。正相运动时A相超前B相90°，反相运动时B相超前A相90°。本设备采用英国RENISHAW公司的RGH25型光栅尺，分辨率为0.1 μm。光栅尺输出的A、B相正交脉冲送入FPGA构成正交脉冲计数处理电路。
2.2 正交脉冲计数处理电路
     采用Altera公司的FPGA EP3C80F484构成正交脉冲计数处理电路，由数字滤波电路、细分辨向电路、32 bit可逆计数电路、32 bit数据锁存电路、接口处理电路集成构成，可同时接收两路（X轴、Y轴）正交脉冲，完成工作台位移方向和距离的检测任务。正交脉冲计数处理电路如图3所示，各引脚功能如表1所示，使用VHDL语言实现。
   
   
   2.2.1 数字滤波电路
     X轴与Y轴光栅尺输出的正交脉冲信号由CHAX、CHBX、CHAY、CHBY端输入，通过施密特触发器进入数字滤波电路。通过施密特触发器后的信号，只有当一定大小的电平维持足够长时间后，才认为输入的电平是有效的，否则认为是脉冲噪声，不改变滤波器的输出电平。小于1 V的低电平噪声被滤除，高电平、持续时间短的噪声脉冲通过数字滤波器时也被滤除。正交脉冲信号经数字滤波电路滤除干扰信号后送入细分辨向电路。
2.2.2 细分辨向电路
     经数字滤波输出的X轴正交脉冲信号CHAX、CHBX与Y轴正交脉冲信号CHAY、CHBY送入细分辨向电路，首先进行四倍频细分，然后进行辨相，这种先细分后辨向的信号处理模式提高了光栅尺的测量精度。若正交脉冲信号CHAX、CHBX经细分辨向后从CNTX信号端输出细分脉冲，则UP/DNX端输出方向信号，UP/DNX高电位表示X轴光栅尺正向运动，低电位表示光栅尺反向运动；若正交脉冲信号CHAY、CHBY经细分辨向后从CNTY信号端输出细分脉冲，则UP/DNY端输出方向信号，UP/DNY高电位表示Y轴光栅尺正向运动，低电位表示光栅尺反向运动。
2.2.3 32 bit可逆计数器
     两个32 bit可逆计数器分别对X轴与Y轴脉冲进行计数。输入信号定义为：时钟CLK、X轴计数脉冲CHTX、方向信号UP/DNX、校准信号RX、清零信号CLRX；Y轴计数脉冲CHTY、方向信号UP/DNY、校准信号RY、清零信号CLRY。对应X轴的32 bit可逆计数器输出信号定义为OX0～OX；对应Y轴的32 bit可逆计数器输出信号定义为OY0～OY31。当方向信号UP/DNX(或UP/DNY)为高电平时，对应的32 bit可逆计数器作为加法计数器；当方向信号UP/DNX（或UP/DNY）为低电平时，对应的32 bit可逆计数器作为减法计数器。
2.2.4 32 bit数据锁存器
     32 bit数据锁存器的输入信号定义为IX0～IX31、IY0～IY31，输出信号定义为DX0～DX31、DY0～DY31，读控制信号定义为OE。32 bit可逆计数器的计数结果OX0～OX31、OY0～OY31分别从该锁存器的输入端IX0～IX31、IY0～IY31输入，由该锁存器的输出端DX0～DX31、DY0～DY31输出。由于内部各计数单元工作属于动态过程，为了保证读出正确稳定的数据，在读取数据时，应该先给其发出读控制信号，使数据锁存后再读取数据。锁存器输出设计为三态门输出，与外部数据总线连接。三态门的使能信号（读控制信号）由 LPC2138提供。
2.2.5 接口处理电路
     接口处理电路的输入信号分别定义为：DX0～DX31、DY0～DY31、数据字节选择端为SEL1、SEL2，读控制信号为OE，选相信号为X/Y。接口处理电路的输出数据线为D0～D7 8 bit。因此，32 bit的数据需要通过改变输出数据字节选择端SEL1、SEL2的值分4 B依次读出。当X轴、Y轴信号选择端X/Y=1，SEL1、SEL2为00、01、10、11时，分别读出数据DX0～DX7、DX7～DX15、DX16～DX23和DX24～DX31。
2.3 控制电路
       控制电路以LPC2138为核心，包括显示、RS232接口、键盘等外围设备，实现对X-Y工作台、交流伺服和调焦机构的控制。
2.3.1 X-Y工作台控制
     LPC2138是一个支持实时仿真和跟踪32 bit ARM7TDMI-S核的微控制器，具有1个10 bit 8路A/D转换器、2个32 bit定时器/计数器、6路PWM单元输出、2个硬件I2C接口和47个GPIO、2个16C550工业标准UART以及多达9个边沿或电平触发的外部中断[7]。LPC2138读取X轴与Y轴的位移脉冲，控制X-Y轴直线电机控制器，使X-Y移动工作台按照逐行扫描的方式工作。
2.3.2 交流伺服控制
     LPC2138接收上位机的指令，控制交流伺服执行机构根据每点图像像素对角度旋转的要求，通过交流伺服控制器，使交流伺服电机带动光栅旋转，把图像信号转换为光栅旋转的角度信号。当图像为白色时，光栅旋转的角度是0°；当图像为黑色时，光栅旋转的角度是90°，因此光栅旋转的最大角度是90°。在光栅旋转最大角度时，设备每秒钟曝光50次，这就要求交流伺服执行机构在20 ms内使光栅旋转90°。因此，在选择交流伺服电机时要选择转动惯量小、动态响应快和加速度大的电机。本文选用交流伺服电机型号是安川SGMAS-01ACA21，交流伺服控制器工作在位置控制模式。
2.3.3 调焦机构控制
     自动调焦机构用来保持光刻时的激光调焦位置。这个机构由Z轴电机和自动调焦传感器电路组成。自动调焦传感器电路的原理是基于在光刻表面照射的红外半导体激光束反射位置的改变，控制Z轴电机调整激光聚焦位置。在Z轴电机上有刻度尺用于监视调焦位置和范围。
2.4 曝光控制电路
     该光刻机提高光刻速度的主要措施是采用了动态曝光技术，即一幅画面所有的曝光点都是在运动的状态下完成的，这对位移检测的时间和曝光速度提出了较高的要求。采用了两种解决方法：一是对曝光位移的检测使用独立的单片机，该单片机采用增强型8051内核，1个时钟(即1个机器周期)的STC12C5401AD，速度比普通8051快8～12倍；二是选用美国光波公司生产的型号为AWAVE-351-100 mW-1K半导体激光器。该激光器触发响应时间快（<100 ns），能瞬间发出较大的功率。
2.5 通信接口电路
     LPC2138、STC12C5401AD与上位机之间采用串行通信的方式。由于两块芯片采用不同的电压，因此采用两路RS-232串行通信电路，而电路结构相同。通过RS-232串行接口，实现了上位机与下位机之间的通信，传输的信息包括图像像素、曝光的点距、曝光时间、运行速度等。
3 软件设计
     软件设计包括LPC2138、STC12C5401AD和上位机PC控制程序的设计。
     LPC2138的程序设计基于嵌入式C语言，采用模块化结构，由主程序、位移测量控制子程序、X-Y工作台控制子程序、交流伺服控制子程序、按键功能子程序、与上位机通信子程序构成。主程序主要实现系统初始化，主要包括引脚配置初始化、中断初始化、系统参数初始化、调用子程序完成测试功能等，其主程序流程图如图4所示。
   
       为了保证单片机STC12C5401AD的程序执行效率，采用汇编语言编程，主要包括主程序、曝光位置控制子程序、与上位机通信子程序。主程序主要实现单片机的初始化，包括引脚初始化、中断初始化、系统相关参数初始化、调用子程序完成测试功能等，其主程序流程图如图5所示。