专利名称：一种用于新型陀螺仪信号读取图形的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于新型陀螺仪信号读取图形的制作方法，特别涉及一种用于高精度 陀螺仪信号读取图形的制作方法。
技术背景新型陀螺仪把超导电性和经典力学理论相结合，使陀螺仪的性能和测量精度有了极大 的提高。作为新一代的陀螺仪，它的出现和应用将使惯性导航的精度达到一个新的高度。 新型陀螺仪的转子是一种与其它部件无接触的高精度自由转子，其测量只能采用非接触式 的测量方法。新型陀螺仪的转子顶部平面刻有特定形状的图形，陀螺仪的信号读取系统采 用非接触式光电传感器读取转子表面刻线漫反射产生的信号来获取转子的姿态信息，因此 表面刻线图形的制作精度及分辨率直接影响陀螺仪信号读取系统的精度和分辨率，亦即直 接影响陀螺仪的精度。因此要研制高精度的新型陀螺仪，在设计满足精度要求的转子漂移 测量方案的同时必须研究转子表面漫反射图形的制作技术。在文献刘建峰等，新型陀螺仪数字式信号提取图形的研究，中国惯性技术学报.2005， 13 (3)， 64-69的报道中，目前关于新型陀螺仪刻线图形的制作方法主要有高精密机床刻 制法、表面镀层法和扫描式激光刻蚀技术。利用这些制作方法制作精细线条时对加工设备 要求较高。高精密机床刻制法是把所刻的图形用编好的程序输入到机床控制系统中，但是 这种方法只能刻制直线，通过控制精密刻刀的走向来合成所需图形，因此对于不规则图形 制作的轮廓分辨率不高。而且机床转子夹具的设计难度较大，易损伤转子表面性能。对于 本发明的陀螺仪信号图形，这种方法只能利用长度不同的直线来合成梯形衝案，梯形的两 条斜边轮廓的边缘分辨率不高，光电传感器检测的脉冲信号上升沿和下降沿对称性下降， 获取的转子相位信号误差增大。利用高精密机床刻制技术可以制作刻线最小线宽为5um左 右，而且每两条刻线间的距离误差在0.5um左右；镀层法制作刻线图形的技术相对成熟但 漫反射效果并不理想。要使图形产生较好的漫反射效果，图形表面镀层相对厚一些，为了 使读取信号有足够高的分辨率，转子表面和镀层面之间对光的反差度要大，对所镀金属颗 粒要求大一些。这样造成转子表面的局部质量不均匀，影响了转子的静平衡和动平衡，对 陀螺性能产生了较大影响，从而影响了陀螺的精度；扫描式激光刻蚀技术将转子表面所需 刻制的图形用CAD软件合成后存入刻蚀机的控制中心，激光束入射在两反射镜上，计算机
根据己输入的图形控制反射镜分别沿X-Y轴进行扫描，从而刻制出所需图形。此方法与高 精密机床刻制法一样不能刻制出任意不规则图形，图形的边缘分辨率不高，影响了信号读 取的精度。
以上几种陀螺仪信号读取图形制作方法不能适应制作高精度信号读取图形的需求。利 用溅射镀膜、紫外光刻加离子束刻蚀的制作方法可以将图形刻线线宽提高到微米量级，图 形具有更高的精度和轮廓分辨率，而且对转子表面性能无损伤。
离子束刻蚀是用高能离子束轰击样品，使样品中的原子从表面溅射出来，以物理的方 式进行刻蚀加工；湿法刻蚀容易对掩模下的衬底边缘进行刻蚀，其刻蚀具有各向同性的特 点；反应离子束刻蚀对于材料的选择性较高，而且不适合进行大深宽比图形的制作。离子 束刻蚀方法最显著的特点就是最高刻蚀图形线宽分辨率和优良的轮廓控制能力以及刻蚀各 向异性。离子束刻蚀是转移微米图形的优选技术之一，并在100纳米左右线宽领域的技术 竞争中占有优势。但是，离子束刻蚀同样有其局限性，就是刻蚀的二次效应。二次效应带 来的直接影响之一就是造成侧壁倾斜和刻区变窄，制作图形误差增大。中国专利CN1983509 在利用离子束刻蚀图形时为了避免二次效应的影响制作出高精度、高侧壁陡度的图形，在 刻蚀区的两侧用离子束刻蚀出两个槽口，以减小离子束再沉积导致图形侧壁陡度的下降， 但其对于多沟槽结构图形并不适用。新型陀螺仪信号读取图形为均匀多沟槽的光栅结构图形，并不是单一刻蚀某个沟槽，为了保证整体图形的完整和使用功能，不能采用上述专利中两侧开沟槽减小再沉积效应的方法。
发明内容
本发明的目的是为克服现有陀螺仪信号读取图形制作精度低、对转子表面性能破坏大、 线条沟槽侧边不够陡直等缺点，提出一种利用溅射镀膜、紫外光刻加离子束倾斜入射刻蚀 的微细加工方法，使陀螺仪检测面均匀多沟槽光栅结构的信号读取图形尺寸精度和图形边 缘轮廓分辨率大大提高，从而提高陀螺仪测量精度。本发明对转子表面无损伤，适用于制 作高精度的陀螺仪信号读取图形。
本发明经一次溅射镀膜、 一次光刻、 一次离子束刻蚀获得精细图形。其制作工艺步骤 如下
步骤l、在陀螺转子顶部平面溅射得到金属薄膜；步骤2、在金属膜上旋涂光刻胶；步骤3、进行紫外曝光及显影得到光刻胶图形；步骤4、采用15°到30°入射角离子束进行刻蚀，得到信号读取图形。 本发明所述的制作方法的步骤1，在陀螺转子顶部平面溅射得到金属薄膜是采用磁控溅
射镀膜方法获得的，金属膜厚lum左右。本发明所述的制作方法的步骤2，光刻胶为瑞红RJZ-306，旋涂转速为2000rpm。在转 子顶部平面的金属膜上旋涂光刻胶后，用烘箱对光刻胶进行前烘。本发明所述的制作方法的步骤3，利用紫外光刻机进行曝光，然后对光刻胶进行曝光后 的后烘，再进行显影，对显影后的光刻胶图形进行后烘，即在金属膜表面获得所需的光刻 胶图形。本发明所述的制作方法的步骤4，是采用15°到30°入射角离子束刻蚀金属衬底,去除 残余光刻胶即得到所需的信号图形。本发明首先在转子顶面溅射一层微米级的金属衬底，在金属衬底上制作获取信号读取 图形，相比于其他制作方法如高精密机床刻制法、激光刻蚀法和表面镀层法等对转子表面 的直接损伤，本发明对转子表面没有损伤。本发明采用了紫外光刻加离子束刻蚀获取轮廓图形的办法，利用紫外光刻非接触获取 所需的掩模图形，不仅掩模图形的精度很高可达到微米量级，而且较其他制作方法如机床 刻制法、激光刻蚀法可方便获得任意形状的高精度图形。本发明采用15°到30°入射角离子束进行刻蚀。离子束刻蚀出的沟槽侧壁上某位置的 再沉积量与该位置的离子束入射角有关。增大离子束入射角会使离子束对侧壁的入射角减 小，侧壁的再沉积量减少，而再溅射量增强,使图形侧壁陡度得到改善。因此控制离子束入 射角可以控制再沉积和再溅射效应，选择适当的离子束入射角可提高侧壁陡度。 一般离子 束入射角在0-45°范围内选取。本发明为了在刻蚀图形中尽量避免二次效应的影响，刻蚀 出高精度信号读取图形保证读取信号的精度，采用15°到30°范围入射角时图形侧壁陡度 较好，获得的图形质量高，增加了陀螺仪信号的读取精度。
图la至ld是本发明的制作工艺流程图，图la溅射镀膜后图形示意图，图lb是旋涂 光刻胶后图形示意图，图1C是光刻显影后图形示意图；图ld离子束刻蚀后图形示意图；图2为本发明制作陀螺仪信号图形整体示意图；图3为本发明制作方法制作的陀螺仪信号图形沟槽示意图；图4为本制作方法采用的离子束30°入射角刻蚀时图形侧墜的示意茵；具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。本发明方法的工艺步骤顺序如下1、用磁控溅射镀膜方法在陀螺转子顶部平面40i溅射沉积金属薄膜； 2、 在金属膜上旋涂光刻胶，在转子顶部平面的金属薄膜上旋涂光刻胶瑞红RJZ-306, 旋涂转速为2000rpm，之后，用烘箱对光刻胶进行前烘，在100 ° C到在120 ° C温度下 烘烤60秒到90秒。3、 利用紫外光刻机曝光30-60秒，曝光光源采用波长435mn的汞灯光源。然后对光刻 胶进行曝光后的后烘，在90 ° C到llO ° C的温度下烘烤60秒到90秒。再在20 ° C到 23 ° C的RZX-3038显影液中浸泡30秒到60秒。然后对显影后的光刻胶图形进行后烘， 在100 ° C到120° C的温度下烘烤卯秒到120秒。4、 采用15°到30°范围入射角离子束进行刻蚀，并去除残余光刻胶，得到金属信号 读取图形。本发明信号读取图形的制作方法是经过一次溅射镀膜、 一次光刻和一次离子束刻蚀， 获得金属衬底的信号读取图形。如图1所示，本发明制作图形的方法步骤为1、 如图la所示，用磁控溅射镀膜方法在陀螺转子顶部平面101溅射沉积金属薄膜102， 膜厚lum;2、 如图lb所示，在金属薄膜上旋涂光刻胶103，用烘箱对光刻胶进行前烘；3、 如图lc所示，利用紫外光刻机进行曝光，然后对光刻胶进行曝光后的后烘，再用 RZX-3038显影液进行显影，对显影后的光刻胶图形进行后烘，即在金属膜表面获得所需的 光刻胶图形104。4、 如图ld所示，利用光刻胶图形104做掩模，采用30°入射角离子束刻蚀金属衬底， 去除残余光刻胶即得到所需的信号图形105。实施例1用磁控溅射镀膜方法在陀螺转子顶部平面101溅射沉积金属薄膜102，膜厚lum。金属 薄膜上旋涂光刻胶为瑞红RJZ-306，旋涂转速为2000rpm。在转子顶部平面的金属膜上旋涂 光刻胶后，用烘箱对光刻胶进行前烘，温度100 ° C，时间60秒。利用紫外光刻机进行 曝光30秒，曝光光源采用波长435nm的汞灯光源。然后对光刻胶进行后烘，温度90 ° C， 烘烤60秒。再用RZX-3038显影液进行显影，在20 ° C显影液中浸泡30秒。对显影后的 光刻胶图形进行后烘，温度IOO ° C，烘烤卯秒，'即在金属膜表面获得所需的光刻胶图形 104。利用光刻胶图形104做掩模，采用15°入射角离子束刻蚀金属衬底，去除残余光刻胶 即得到所需的信号图形105。实施例2用磁控溅射镀膜方法在陀螺转子顶部平面101溅射沉积金属薄膜102，膜厚lmn。金属
薄膜上旋涂光刻胶为瑞红RJZ-306，旋涂转速为2000rpm。在转子顶部平面的金属膜上旋涂 光刻胶后，用烘箱对光刻胶进行前烘，温度110 ° C，时间70秒。利用紫外光刻机进行 曝光40秒，曝光光源采用波长435nm的汞灯光源。然后对光刻胶进行后烘，温度100 ° C， 烘烤70秒。再用RZX-3038显影液进行显影，在22 ° C显影液中浸泡50秒。对显影后的 光刻胶图形进行后烘，温度110 ° C，烘烤100秒，即在金属膜表面获得所需的光刻胶图 形104。利用光刻胶图形104做掩模，采用20°入射角离子束刻蚀金属衬底,去除残余光刻 胶即得到所需的信号图形105。 实施例3用磁控溅射镀膜方法在陀螺转子顶部平面101溅射沉积金属薄膜102，膜厚lum。金属 薄膜上旋涂光刻胶为瑞红RJZ-306，旋涂转速为2000rpm。在转子顶部平面的金属膜上旋涂 光刻胶后，用烘箱对光刻胶进行前烘，温度120 ° C，时间90秒。利用紫外光刻机进行 曝光卯秒，曝光光源采用波长435nm的汞灯光源。然后对光刻胶进行后烘，温度120 ° C， 烘烤卯秒。再用RZX-3038显影液进行显影，在23 ° C显影液中浸泡卯秒。对显影后的 光刻胶图形进行后烘，温度120 ° C，烘烤110秒，即在金属膜表面获得所需的光刻胶图 形104。利用光刻胶图形104做掩模，采用30°入射角离子束刻蚀金属衬底，去除残余光刻 胶即得到所需的信号图形105。图2是陀螺仪信号读取图形结构整体示意图。用本发明方法制作完成的201窗口位置 信号读取图形、202起始位置信号读取图形，203转子偏移信号读取图形均为多沟槽光栅 结构，均通过无沟槽面的全反射和沟槽结构面的漫反射来提取所需的信号。起始位置信号 读取图形202和转子偏移信号读取图形203中提取的图形信号结合起来可以测量转子旋转 轴的偏移大小。窗口位置信号读取图形201和起始位置信号读取图形202提取得图形信号 结合起来可以产生转子旋转的驱动信号。图3为本发明制作方法制作的信号读取图形沟槽结构示意图。301为微细图形条纹的突 出部分，302为离子刻蚀形成微细图形条纹的沟槽部分。条纹突出部分宽lum，条纹沟槽线 宽lum，沟槽深度lum。条纹线宽误差0.2um,沟槽侧壁陡度70°左右。图4是进行离子束刻蚀时离子束以30°入射角时所刻蚀的沟槽侧壁陡度的示意图，401 为沟槽上表面，402为沟槽侧壁，403为沟槽下表面。选择15°到30°范围离子束入射角 刻蚀出的图形侧壁陡度能够达到70。左右。本发明的主要优点1)采用光刻加离子束刻蚀工艺，提高了图形制作精度，使刻线宽度达到微米量级。高 精密车床最高能达到5um左右，而采用此工艺制作的线条宽度可在lum甚至更低，而且加
工误差小。2) 解决了制作图形轮廓边缘分辨率低的技术难点，可根据设计需要制作任意形状图形。3) 采用溅射金属基底形成所需图形，对转子表面性能无损伤。4) 采用15°到30°离子束入射角刻蚀图形沟槽，得到较好的侧壁陡度，提高了图形 的精度，减小了信号读取图形的测量误差。本发明提出的方法具有积极的效果。为制作高精度陀螺仪信号读取图形提供了先进、 高效的制作方法。
权利要求
1.一种用于新型陀螺仪信号读取图形的制作方法，其特征在于经一次溅射镀膜、一次光刻、一次离子束刻蚀获得信号读取图形；其制作工艺步骤顺序如下步骤1、采用磁控溅射方法在陀螺转子顶部平面溅射得到金属薄膜；步骤2、在步骤1制得的金属薄膜上旋涂光刻胶，然后进行前烘；步骤3、采用紫外光刻机进行紫外曝光，曝光后烘后用显影液显影，然后进行后烘，在金属薄膜表面获得所需的光刻胶图形；步骤4、采用15°到30°入射角离子束对转子顶部进行刻蚀，并去除残余光刻胶，得到金属信号读取图形；清除转子顶部平面残余的光刻胶，得到所需的信号读取图形。
2. 根据权利要求1所述的新型陀螺仪信号读取图形制作方法，其特征在于，所述信号读 取图形包括窗口位置信号读取图形(201)、起始位置信号读取图形(202)和转子偏移信号 读取图形(203)。
全文摘要
一种用于新型陀螺仪信号读取图形的制作方法，采用经一次溅射镀膜、一次光刻、一次离子束刻蚀获得微米级信号读取图形。其工艺步骤如下1.在陀螺转子顶部平面溅射得到金属薄膜；2.在金属膜上旋涂光刻胶；3.进行紫外曝光及显影得到光刻胶图形；4.采用15°到30°入射角离子束进行刻蚀并去除残余光刻胶，在转子表明获得金属信号读取图形。
文档编号G03F7/20GK101126641SQ20071017533
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月28日 优先权日2007年9月28日
发明者戴银明, 晖 王, 王秋良, 胡新宁, 立 韩, 黄天斌 申请人:中国科学院电工研究所