专利名称：动力学压印反射式光栅的制作方法
技术领域：
本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种反射式光栅的新型制造方法。
背景技术：
高精度位移测量技术是精密机械加工的基础，位移测量精度决定了整个制造业的制造精度。随着精密制造技术不断发展，被加工对象精度的提高要求位移测量仪器具有高精度、高分辨率、高可靠性、大量程、小体积和低成本的特点。在微电子、超精加工等现代工业技术领域，对精密位移测量的要求也越来越高。光栅具有测量基准固定、不受环境影响、 对光源稳频要求不高、成本低的优点，已广泛地应用于精密位移测量、角度测量。在数控加工、微电子等领域大量采用。随着微纳加工技术的不断进步，光栅的工作波长从微米级发展到亚微米甚至纳米级，目前采用的制作方法包括全息光刻、X射线和电子束光刻。全息光刻系统非常昂贵、复杂，制备纳米图案的光刻工艺条件苛刻；X射线和电子束光刻制作的面积小、成本高、制作周期较长。纳米压印是一种高分辨率、高可控性、低成本的任意图形复制方法。对纳米级光栅和沟道结构的要求促进了纳米压印技术的发展，然而，目前传统的下压式纳米压印工艺在实际生产中无法满足对产量的需求，辊压印技术作为纳米压印领域的一种新型技术，能够在一定程度上提高产量，但在加工过程中压印辊的旋转周期会存在狭缝区域，破坏图形连续性，难以大幅度提高大量程光栅的加工速度。针对常规工艺在光栅图案连续性、生产效率及加热温度方面的局限性，本发明采用一种滚动与刻划成形相结合的动力学辊压印工艺，将纳米压印与刀具刻划工艺相结合， 能够实现大量程光栅的高速、连续成型，批量生产光栅，提高生产效率。并能够在基底上实现图形的高保真度复型，制备出高质量、大量程反射式光栅。
发明内容
本发明的目的在于克服现有纳米压印工艺制作大量程反射式光栅过程中，生产效率低、图案连续性差、由于模板与基底连续接触磨擦影响加工精度、模板寿命及加工质量等困难，提供一种动力学压印反射式光栅的制作方法。该方法不仅能够实现大量程光栅的批量加工，提高生产效率，而且能够极大地延长模具的使用寿命。保持图案的连续性。为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现。本发明的技术方案是这样实现的包括下列步骤1)使用电子束法，首先在模板上镀金属Cr或Pt层，再旋涂一层电子束胶作为抗蚀剂，然后用电子束刻蚀抗蚀剂，再以抗蚀剂作为掩膜抗蚀剂图形转移到Cr或Pt层上，然后将该模板放置在反应离子刻蚀机中刻蚀模板基材，其表面的Cr或Pt层作为保护层，最后使用湿法腐蚀去除模板基材表面的Cr或Pt，形成表面具有微结构的模板；2)将模板与基底对准，对模板加热，压印辊转动的同时，模板表面圆环状刀具沿着基底表面与压印辊中心轴线垂直的方向运动，刀具的自转与基底产生的滑动相结合，工艺过程依次分为4步，第一步，模板与将要被压印的基底材料初次接触；第二步，对模板进行局部加热，加热区域集中在压印辊表面圆环状刀具微结构，温度控制在100°c -150°c之间， 接触部位的基底材料也受热变软，随着模板圆环刀具的转动及滑动，对受到压印的聚合物所施加的压力逐渐增大，并达到稳定值；第三步，刀具锋利的边缘对基底的金属施加压力使之产生塑性变形，当模板向前滑行时，在基底形成光栅沟道；第四步，模板经过之后，聚合物产生弹性恢复，并决定光栅沟道最终的几何形貌。本发明的特点在于与常规纳米压印工艺不同的是，在动力学压印过程中，模板的微结构(圆环刀具) 对基底金属进行刻划，刻划过程中，圆周微刀具的每个部分都参与光栅结构的成型，避免了以往加工工艺中单一接触部位刻划过程中产生的磨损及变形，充分保证了模具的使用寿命。
图1为用辊压印模具与基底接触过程示意图(图中部位1 压印辊；2 圆环刀具； 3 金属层；4 聚合物层；5 垫层；6 加热或UV区域；7 塑性变形区；8 弹性恢复区。图2为模具与基底接触部位局部加热示意图；图3为光栅成型过程示意具体实施例方式下面结合附图本发明做进一步的详细说明。如图1，本发明设计的压印模板表面具有圆环状刀具阵列，各圆环刀具之间平行排列。为保证带有刀具微结构的压印辊在给定压力下，实现大变形量的可控性，应选择形变模量较低的聚合物材料。基底材料要具有足够高的韧性，以避免模板在进行刻划的过程中造成基底破碎或产生残余碎片积累而影响加工过程。本发明的基本工作原理为压印辊转动过程中，模板表面圆环刀具与基底接触 (如图1)。将模板加热至100°c-150°c，由于模板与基底的接触面积很小，基底升温很快，并且仅局限于接触部位附近区域，不会影响其他区域。压印辊转动的同时，基底沿着与相切处切点运动方向相反的方向，以速度ν运动，使得模具表面的圆环刀具在自身转动的同时，与基底之间有滑动过程。相互平行的凸起圆环像“刀具”一样，在基底刻划出许多道相互平行的光栅结构，如图3所示。局部加热使聚合物迅速软化，为模板的高速移动提供了保障，极大提高了生产效率。具有圆环状刀具的模板保证了成型过程中模板材料不会出现在单一辊压印过程中因为某一部位的无间断过度使用而造成磨损及性能降低。在整个压印过程中， 金属层始终处于受到压印的聚合物膜的上层，没有被移除。(1)用电子束制备压印模版，在模版得到预先设计的圆环凸起微结构图案；(2)在平整的金属层表面铺涂聚合物层，随后在聚合物表面铺设一层垫层。(3)采用动力学压印与刻划工艺相结合的技术，使模板与基底进行接触，模板上的圆环状凸起微结构在自身转动的同时，以滑动方式刻划基底。步骤(1)使用的是辊压印模板，使用硅及硬质金属作为模板基材。
模版表面镀有很薄一层Cr或Pt，以保证微结构表面硬度及耐磨性能。模板图案是以压印辊圆柱体横截面与压印辊中心轴线交点为圆心，位于各个横截面内的一系列圆环。各圆环之间相互平行。圆环宽lOOnm-lOOum，内外径差值5-8um，同心圆环刀具周期为 200nm-200um。步骤O)中基底材料选用的金属必须具有足够高的韧性，以免模板刻划过程中产生碎片。聚合物要有低模数，以便在给定应力下产生应有的变形量。模板在刻划微结构之前，先进行预热，温度在10(TC -150°C，使基材软化，利于刻划顺利进行。光栅周期为200nm-200um，槽宽100nm_100um，高度为5um_8um，长度为20cm。通过圆环圆心的断面形状可为正方形、长方形、梯形、菱形或六边形以及其他不规则图形等，根据光栅的形状进行设计和制造。这种反射式光栅动力学压印制造的具体实施过程如下(1)压印模板的制备。使用电子束法，首先在模板上镀金属Cr或Pt层，再旋涂一层电子束胶作为抗蚀剂，然后用电子束刻蚀抗蚀剂，再以抗蚀剂作为掩膜抗蚀剂图形转移到Cr或Pt层上。然后将该模板放置在反应离子刻蚀机中刻蚀模板基材，其表面的Cr或Pt 层作为保护层，最后使用湿法腐蚀去除模板基材表面的Cr或Pt，形成表面具有微结构的模板；(2)将模板与基底对准，对模板加热，如图2所示，压印辊转动的同时，模板表面圆环状刀具沿着基底表面与压印辊中心轴线垂直的方向运动，刀具的自转与基底产生的滑动相结合，工艺过程依次分为4步。第一步，模板与将要被压印的基底材料初次接触(图1)； 第二步，对模板进行局部加热(图幻，加热区域集中在压印辊表面圆环状刀具微结构，温度控制在100°C -150°C之间，接触部位的基底材料也受热变软。随着模板圆环刀具的转动及滑动，对受到压印的聚合物所施加的压力逐渐增大，并达到一个稳定值；第三部，刀具锋利的边缘对基底的金属施加了足够大的压力使之产生塑性变形(区域1)。当模板向前滑行时，在基底形成光栅沟道；第四步，模板经过之后，聚合物在一定程度上产生弹性恢复(区域2)，并决定光栅沟道最终的几何形貌。本发明采用动力学压印与刻划工艺相结合的方式，能提高大量程度光栅的生产效率，实现批量生产，解决批量制造的问题，并使成本大大降低。
权利要求
1.动力学压印反射式光栅的制作方法，其特征在于，包括下列步骤1)使用电子束法，首先在模板上镀金属Cr或Pt层，再旋涂一层电子束胶作为抗蚀剂， 然后用电子束刻蚀抗蚀剂，再以抗蚀剂作为掩膜抗蚀剂图形转移到Cr或Pt层上，然后将该模板放置在反应离子刻蚀机中刻蚀模板基材，其表面的Cr或Pt层作为保护层，最后使用湿法腐蚀去除模板基材表面的Cr或Pt，形成表面具有微结构的模板；2)将模板与基底对准，对模板加热，压印辊转动的同时，模板表面圆环状刀具沿着基底表面与压印辊中心轴线垂直的方向运动，刀具的自转与基底产生的滑动相结合，工艺过程依次分为4步，第一步，模板与将要被压印的基底材料初次接触；第二步，对模板进行局部加热，加热区域集中在压印辊表面圆环状刀具微结构，温度控制在100°C -150°C之间，接触部位的基底材料也受热变软，随着模板圆环刀具的转动及滑动，对受到压印的聚合物所施加的压力逐渐增大，并达到稳定值；第三步，刀具锋利的边缘对基底的金属施加压力使之产生塑性变形，当模板向前滑行时，在基底形成光栅沟道；第四步，模板经过之后，聚合物产生弹性恢复，并决定光栅沟道最终的几何形貌。
全文摘要
本发明公开了动力学压印反射式光栅的制作方法，该方法基于传统光刻工艺制作成本随加工精度的提高急剧增加，传统压印工艺加工速度无法满足实际需求，加工精度有待提升的要求，合理设计和制造出连续辊压印与刻划技术相结合的大量程光栅制造工艺。该方法采用电子束制备辊压印光栅模具，模具表面为平行排列的圆环状凸起微结构。基底采用三层结构，依次为从上至下金属层、聚合物层以及垫层。加工过程中，通过压印辊自身的转动及其与基底的相对滑动，批量制造出大量程光栅。
文档编号B81C1/00GK102213784SQ201110147448
公开日2011年10月12日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者丁玉成, 刘红忠, 卢秉恒, 史永胜, 尹磊, 徐维 申请人:西安交通大学