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1、(10)申请公布号 CN 103425821 A(43)申请公布日 2013.12.04CN103425821A*CN103425821A*(21)申请号 201310303059.3(22)申请日 2013.07.17G06F 17/50(2006.01)(71)申请人大连理工大学地址 116024 辽宁省大连市凌工路2号(72)发明人杜立群 阮晓鹏(74)专利代理机构大连理工大学专利中心 21200代理人侯明远(54) 发明名称一种自由曲面灰度掩膜的设计方法(57) 摘要一种自由曲面灰度掩膜的设计方法，属于微制造技术领域。其特征是利用计算机辅助设计软件建立目标曲面模型的过程间接控制灰度掩膜。
2、上灰度单元透射率；利用计算机辅助制造中的刀路模拟对目标曲面模型进行曲面离散；利用计算机辅助制造中的刀路模拟间接控制灰度掩膜图中灰度单元的排列方式；利用改进后的铺路法沿固定铺路节点纵向铺路来逐次生成灰度单元；在Visual Studio开发环境下使用C+语言、AutoCAD二次开发工具ObjectARX，对AutoCAD进行二次开发，进行自由曲面灰度掩模设计。本发明的效果和益处是：本发明将计算机辅助产品造型设计、计算机辅助制造和灰度编码相关理论相结合，首次实现了自由曲面灰度掩模的数字化设计。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书6页 附图5页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明。
3、专利申请权利要求书1页 说明书6页 附图5页(10)申请公布号 CN 103425821 ACN 103425821 A1/1页21.一种自由曲面灰度掩膜设计方法，其特征包括五部分：第一部分：利用计算机辅助设计软件建立目标曲面模型的过程间接控制灰度掩膜上不同区域灰度单元的透射率；第二部分：利用计算机辅助制造中的刀路模拟对目标曲面模型进行曲面离散；第三部分：利用计算机辅助制造中的刀路模拟间接控制灰度掩膜图中灰度单元的排列方式；第四部分：利用改进后的铺路法沿固定铺路节点纵向铺路来逐次生成灰度单元；第五部分：在Visual Studio开发环境下使用C+语言、AutoCAD二次开发工具ObjectA。
4、RX，对AutoCAD进行二次开发，进行自由曲面灰度掩模设计。2.根据权利要求1所述的一种自由曲面灰度掩膜设计方法，其特征在于，是从三维立体模型到二维灰度掩膜图。3.根据权利要求1所述的一种自由曲面灰度掩膜设计方法，其特征在于，将灰度掩膜振幅编码调制与CAM中直线插补刀轨生成原理相结合。4.根据权利要求1所述的一种自由曲面灰度掩膜设计方法，其特征在于，灰度掩模图设计程序开发工具的选择。5.根据权利要求1所述的一种自由曲面灰度掩膜设计方法，其特征在于，灰度掩模图设计程序直接嵌入AutoCAD中运行。权 利 要 求 书CN 103425821 A1/6页3一种自由曲面灰度掩膜的设计方法技术领域00。
5、01 本发明属于微制造技术领域，涉及三维微结构制造类，特别涉及到一种自由曲面灰度掩模的设计方法。背景技术0002 灰度光刻是一种三维微结构批量化制作的有效方法，其关键技术之一是灰度掩模图的设计。灰度光刻技术通过一次曝光就能够完成三维微结构的批量制作，在三维微结构制作方面能简化制备工艺、降低制作成本，具有广阔的应用前景，逐渐受到科研人员的关注。C.M.Waits等人利用灰度值沿长度方向渐变的灰度掩模版首先制作出了楔形光刻胶结构，然后以得到的胶结构作为硅深反应离子刻蚀的掩蔽层制作了硅楔形微结构，并利用灰度光刻技术成功地对传统微压缩机进行了结构优化(参考文献1:C.M.Waits,B.Morgan,。
6、M.Kastantin,R.Ghodssi.Microfabrication of3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etchingJ.Sensors and Actuators A119(2005):245-253）。Brian Morgan等人利用灰度光刻技术和深反应离子刻蚀技术在硅基底上制作了菲涅尔衍射透镜，其采用的灰度掩膜版外形为圆形，掩膜版的灰度值从中心向外围振荡式变化，同一直径的圆周上灰度值相等（参考文献2：Brian Morgan,Christopher M.W。
7、aits Development of a Deep Silicon Phase Fresnel Lens Using Gray-Scale Lithography and Deep Reactive Ion Etching.Journal Of Microelectromechanical Systems,2004，13（1）:113-120）。张新宇等人讨论了灰度光刻技术在近场集成光学镜头中的应用前景，给出了轮廓形状为圆形和矩形的微透镜灰度掩模设计，其灰度值从掩膜板中心向外围渐变（参考文献3：张新宇,裴先登,谢长生.用于近场集成光学头微透镜器件的灰度掩模技术J.光学技术,2002，28(4。
8、):291-295）。目前在灰度光刻技术的研究中掩模图的设计都只是停留在初等解析曲面（如球面、圆环面、平面）的层次上，没能实现自由曲面灰度掩膜的设计，所以灰度光刻技术只能加工出表面为初等解析曲面的三维微结构，其应用范围受到了一定限制。一幅自由曲面灰度掩膜图包含数万至数十万个灰度单元，其设计的难点在于怎样实现灰度掩膜上不同灰度单元灰度值的控制，现有的灰度掩模设计方法一直无法实现自由曲面灰度掩膜的设计。0003 目前在微机电系统领域，急需实现自由曲面的三维微结构的制作，以拓宽三维微型器件的应用范围。发明内容0004 本发明的目的是提供一种自由曲面灰度掩膜设计的方法，解决制作复杂自由曲面的三维微结构。
9、时的掩膜版设计问题。0005 本发明的技术方案是：利用计算机辅助设计（CAD）建立目标曲面模型间接控制灰度掩膜上不同区域灰度单元的透射率；利用计算机辅助制造（CAM）中刀轨模拟方法对目标曲面模型表面进行离散以获得有序的曲面特征点；利用计算机辅助制造中的刀路模拟间接说 明 书CN 103425821 A2/6页4控制灰度掩膜图中灰度单元的排列方式；利用改进后的铺路法沿固定铺路节点纵向铺路来逐次生成灰度单元；然后以Visual Studio2008（VS2008）作为开发环境，在VS2008开发环境下调用AutoCAD开发平台的二次开发工具ObjectARX，使用C+编程语言对AutoCAD进行二。
10、次开发来实现自由曲面灰度掩模的设计。本发明获得的灰度掩模图设计程序能够直接嵌入AutoCAD中运行，能调用AutoCAD的核心函数和访问AutoCAD数据库，具有较强的通用性。0006 本发明提出的基于计算机辅助设计、计算机辅助制造以及AutoCAD二次开发设计自由曲面灰度掩模的方法，具体步骤为：0007 步骤一、根据所要加工器件的技术要求建立目标曲面模型；0008 步骤二、确定灰度掩膜图的基本设计参数：灰度单元铺路步长、灰度单元透射率计算公式、节点优化系数、最小铺路步长、甩胶高度值以及缩放倍数M；0009 步骤三、离散曲面以获得目标曲面有序的特征点；0010 步骤四、提取刀轨文件中的切削刀轨。
11、三维坐标点；0011 步骤五、特征点误差校核；0012 步骤六、配置AutoCAD二次开发环境；0013 步骤七、编写程序，建立ObjectArx类型工程文件,选择ObjectARX/DBX/OMF Project模板,然后注册命令。0014 步骤八、生成固定铺路节点；0015 步骤九、生成灰度单元透射率链表；0016 步骤十、利用改进后的铺路法生成灰度单元并提交到灰度单元链表；0017 步骤十一、编译程序，AutoCAD程序会自动启动，加载编译得到后缀名为arx的文件，输入上述注册的命令并运行，得到灰度掩膜图，最后再将其等比例缩放M倍得到灰度掩膜图。0018 所述步骤一的具体过程是：利用三维。
12、建模软件（如UG,Pro/E等）进行曲面建模，其特征尺寸适当放大若干数量级以便于建模（如放大三个数量级）。0019 所述步骤二中各参数的具体确定方法如下：0020 灰度单元铺路步长确定方法0021 铺路单元的铺路尺寸P必须满足PMAXRC，其中PMAX为铺路尺寸P可取的最大值。光刻机分辨率RC计算公式如下式所示：0022 0023 式中为光刻机光源波长、为部分相干因子、NA为光刻成像系统的数值孔径。0024 灰度单元透射率计算公式确定方法0025 参考文献2,采用标定掩膜板对某一光刻胶进行工艺试验来确定灰度单元透射率计算公式。具体实施方式为：首先利用AutoCAD软件绘制标定掩膜版，掩膜版上灰。
13、度单元透射率范围设置为（0.2-0.8），透射率取值从最小值以增量0.1依次增加，同种透射率的灰度单元以1010为一组，组成独立的正方形区域；然后利用标定掩膜板对某一光刻胶进行工艺试验，得到不同透射率下对应的光刻胶高度值；进行曲线拟合，得到光刻胶高度和透射率之间的曲线方程，最后得到在这种工艺条件下的透射率计算公式。说 明 书CN 103425821 A3/6页50026 节点优化系数和最小铺路步长确定方法0027 节点优化系数主要由掩膜制造商所能加工的最小线宽、掩膜版制作价格以及所要制作的三维微结构的技术要求决定，一般取（0.4-0.6）；0028 最小铺路步长=铺路步长节点优化系数。0029。
14、 甩胶高度值确定方法0030 甩胶高度值由所要加工的三维微结构的技术要求、实际工艺条件综合决定。0031 缩放倍数M确定方法0032 假设建模时放大了倍数M，那么缩放倍数就是M.0033 所述步骤三的具体过程是：利用CAM软件对所建立的曲面进行刀轨仿真，选择固定轴轮廓铣，刀具采用球头刀，切削方式为单向，步距值与灰度单元铺路步长相等，最大步距值为灰度单元的铺路步长，机床控制的运动输出为线性，将切削刀轨和非切削刀轨设定为不同颜色；仿真完成后，保存刀轨文件，刀轨仿真示意图如图1所示。0034 所述步骤四的具体过程是：如图1所示，曲面表面的刀轨为切削刀轨，曲面外的刀轨为非切削刀轨；通过将其设置成不同颜。
15、色，然后利用其颜色不同编写代码，提取出切削刀轨的三维坐标点，这些点即为曲面的特征点，将其保存为文本文档文件。0035 所述步骤五的具体过程是：将曲面模型和曲面特征点导入逆向工程软件，利用点云到曲面距离功能，得到点云和曲面间的误差，误差计算结果示意图如图3所示。0036 所述步骤六的具体过程是：查看AutoCAD的版本号，在Visual Studio中安装相应版本的AutoCAD ObjectArx开发包，并将ObjectARX的inc目录和lib目录添加包含。0037 所述步骤八的具体过程是：读取步骤四中得到的三维坐标点的文本文件，将其写入特征节点链表；将节点间的间距和最小铺路步长、最大铺路步。
16、长的大小关系作为优化的依据，具体优化方法如图4所示；优化过程如图5所示：图5（a）中因为N2-N3小于最小铺路步长，而N2-N4介于最小铺路步长和最大铺路步长之间，依据图4，节点N3被舍弃，优化完的节点为图5（b）所示；在图5（c）中，N2-N4间的距离大于最大铺路步长，依据图4，舍弃原节点N3，取N2，N4的中点作为新的N3节点；新建固定铺路节点链表，将优化后的特征节点链表复制到新建的固定铺路节点链表中，最后将铺路节点链表的所有Z坐标值置零。0038 所述步骤九的具体过程是：读取优化后的特征节点链表，根据链表中各坐标点的Z坐标值和透射率计算公式计算透射率，并依次存入新建的透射率链表中。003。
17、9 所述步骤十的具体过程是：首先按照顺序读取固定铺路链表中的两个固定铺路节点（如图6中N1、N2所示），然后沿X轴方向正方向，以N1点为起点，在距离N1一个P处生成铺路单元第三个节点M1，如图6中M1所示，同理可得点M2；连结N1、N2、M1、M2四个节点可组成铺路单元；确定铺路单元的中心点坐标，即可得到灰度单元的中心点坐标；根据铺路单元的面积和该节点处灰度单元的透射率大小计算出二者的相似比，根据相似比可计算得到灰度单元节点坐标，如图6（c）中n2、n1、m1、m2所示；然后填充即可得到灰度单元，如图6（d）所示；将生成的灰度单元提交到新建的灰度单元链表，然后读取N2、N3两个节点，重复上述步。
18、骤，生成新的灰度单元并提交到链表；当程序判断到某一列铺路完成，则从第二列开始继续铺路，如图6（e）所示；灰度单元全部生成后，删除所有辅助的点线元素，最终得到的灰度掩膜图如图6（f）所示。0040 本发明的效果和益处是：本发明将计算机辅助产品造型设计、计算机辅助制造和说 明 书CN 103425821 A4/6页6AutoCAD二次开发相结合，首次实现了自由曲面灰度掩模的数字化设计；将灰度掩膜振幅编码调制与计算机辅助制造中直线插补刀轨生成原理相结合，使得灰度单元根据目标曲面曲率变化实现自适应加密，在同等要求下减少灰度掩膜图中灰度单元的数量，节省了程序运算时间和掩膜版制造成本。附图说明0041 附。
19、图1是刀轨仿真结果示意图。0042 附图2是自由曲面模型示意图。0043 附图3是误差计算结果示意图。0044 附图4是节点优化方法流程图。0045 附图5是节点优化过程示意图，其中图5（a）和图5（c）为优化前节点示意图，图5（b）和图5（d）为优化后节点示意图。0046 附图6是改进后的铺路法铺路过程示意图，其中图6（a）为固定铺路节点示意图，图6（b）为铺路单元生成过程示意图，图6（c）为灰度单元节点生成过程示意图，图6（d）为灰度单元填充示意图，图6（e）为其它灰度单元生成过程示意图，图6（f）为最后生成的灰度掩膜图示意图。0047 附图7是自由曲面灰度掩膜算例示意图。具体实施方式00。
20、48 以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。0049 以Mickey脸谱模型为例的复杂自由曲面灰度掩膜设计具体步骤如下：0050 步骤一、利用Imageware逆向造型软件建立自由曲面模型Mickey，如图2所示，其特征尺寸为长781.6mm、宽697.4mm、高50mm，特征尺寸放大了1000倍。0051 步骤二、根据所要加工器件的技术要求和实际工艺条件确定的最小铺路步长为2.8m、节点优化系数0.4、甩胶高度66m、缩放系数0.001，透射率计算公式如下式所示：0052 0053 HP是显影后目标光刻胶高度值。0054 步骤三、利用UG/CAM软件离散曲面0055 打开UG软。
21、件，打开曲面模型Mickey，进入加工模式；0056 创建加工程序，选择平面轮廓铣类型；0057 创建刀具，选择球头刀，刀具直径为1.0mm，长度15mm，锥角0，刀刃长度10mm，刀刃数2；0058 驱动方法选择区域铣削，切削模式为单向，步距值恒为铺路步长值且步距值应用于平面上，刀轴方向为正Z轴；0059 机床控制的运动输出选择为“仅线性”；0060 刀轨设置中设置最大步长为2.8mm，余量设置为0，部件公差和边界公差设置为0.15mm；说 明 书CN 103425821 A5/6页70061 将切削刀轨单独设置成淡蓝色，与其他刀轨相区分；0062 生成刀轨，列出刀轨，然后保存为“Micke。
22、y刀轨.txt”文本文件。0063 步骤四、提取出刀轨文件中的切削刀轨三维坐标点：用python脚本语言编写程序逐行读取刀轨文本文件，将刀轨文件中淡蓝色所对应的的代码作为切削刀轨的识别标志，进而提取出切削刀轨的三维坐标点，保存为“Mickey曲面离散点.txt”文件。0064 步骤五、特征点误差校核：用UG软件打开曲面模型Mickey，另存为“Mickey.igs”文件；打开ImageWare软件，首先导入“Mickey.igs”文件和“Mickey曲面离散点.txt”文件，然后依次选择Surface-Surface to cloud difference，误差计算结果如图3所示；误差等比例缩。
23、放1000倍后计算得到曲面离散点的轮廓高度平均误差为0.0374m，标准偏差为0.0260m。0065 步骤六、配置开发环境：选择AutoCAD ObjectARX2010开发包，并配合VS2008来使用。在VS2008中安装开发包，然后进行如下配置：工具-选项-项目和解决方案-VC+目录，选择“包含目录”，添加ObjectARX的inc目录；同理，在“库文件”中，添加ObjectARX的lib目录。0066 步骤七、新建工程文件：在VS2008中新建ObjectARX类型工程文件，选择ObjectARX/DBX/OMF Project模板,注册新命令Spring。在新建工程文件的属性页选择属。
24、性配置-调试-命令，添加AutoCAD2010的启动文件。0067 步骤八、生成固定铺路节点：读取步骤4）中得到的“Mickey曲面离散点.txt”文件，将其写入链表List_3D，并按照节点间的间距和最小铺路步长、最大铺路步长的大小关系对List_3D进行优化，具体优化方法如图4所示，将优化后的链表存入新建链表List_3D_OPT；新建固定铺路节点链表List_2D，将优化后的链表List_3D_OPT复制到新建的铺路节点链表List_2D中，最后将铺路节点链表List_2D的所有Z坐标值置零。0068 步骤九、生成灰度单元透射率链表：读取优化后的链表List_3D_OPT，根据链表中各坐。
25、标点的Z坐标值和透射率计算公式(1)计算透射率，并依次存入新建的透射率链表List_TSL中。0069 步骤十、生成灰度单元并提交到灰度单元链表:首先按照顺序读取链表List_2D中的两个固定铺路节点，然后生成铺路单元另外两个节点，四个节点组成铺路单元；打开透射率链表List_TSL，读取第一个节点处的透射率值，计算得到灰度单元和铺路单元的相似比，以铺路单元中心点为灰度单元的中心点，结合铺路单元节点坐标值和相似比生成灰度单元节点，然后填充铺路单元即可得到灰度单元；将生成的灰度单元提交到新建的填充链表，然后读取第二、第三两个节点，重复上述步骤，生成新的灰度单元并提交到链表；当程序判断到某一列铺路。
26、完成，则从第二列开始继续铺路；灰度单元全部生成后，删除所有辅助的点线元素。0070 步骤十一、编译程序，启动AutoCAD程序，然后加载编译得到的arx文件，输入上述命令“spring”并运行程序，将得到的灰度掩膜图按照等比例缩放1000倍，最终得到Mickey自由曲面灰度掩膜图，如图7所示；生成的Mickey自由曲面灰度掩膜图透射率范围为(0.3-0.867),共包含39637个灰度单元，掩膜文件大小为3.02MB，程序运行时间为525s，图形面积为0.31mm2，轮廓高度平均误差为0.0374m，标准偏差为0.0260m。0071 本发明提出的灰度掩膜设计方法，实现了自由曲面灰度掩膜的设计，且设计误差说 明 书CN 103425821 A6/6页8较小，耗时较短，生成的灰度掩膜图为AutoCAD通用文件格式，便于掩膜的后期加工制作。设计完成的灰度掩膜程序具备很强的通用性，对于不同的目标曲面和加工要求，只须更改程序中的透射率公式、铺路步长、节点优化系数等参数即能实现灰度掩膜的设计。说 明 书CN 103425821 A1/5页9图1图2说 明 书 附 图CN 103425821 A2/5页10图3说 明 书 附 图CN 103425821 A10。