CN101016634A - 一种具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，包括下列步骤：(1)在金属滚筒上涂布光刻胶，在光刻胶上制作微结构掩膜，通过显影去除感光部分至露出金属表层；(2)将上述处理后的金属滚筒置于电铸溶液中，连接至电源阴极，进行金属电沉积，沉积厚度为150～500纳米；(3)从电铸溶液中取出金属滚筒，去除剩余的光刻胶即得到具有表面浮雕微结构的金属滚筒。本发明通过光刻与电铸的结合实现了具有表面浮雕结构的金属滚筒的制作，不需要进行平版卷绕拼接，不会产生拼缝，且可以获得高硬度的浮雕微结构，因而特别适用于高速连续滚动式模压复制；同时，金属光栅深度可以得到控制。

Description

一种具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法

技术领域

本发明涉及对金属表面进行微细加工领域，具体涉及一种采用激光干涉光刻、电铸等方式结合对滚筒表面进行浮雕微结构加工的方法。

背景技术

为了大批量复制表面浮雕微结构，通常采用LIGA(光刻-电铸)工艺，便于母板复制，具体工艺流程是，先对光刻胶浮雕表面进行金属化处理，生产电极，然后，置于电铸槽的阴极上，在光刻胶上沉积成一定厚度的金属镍版，再与光刻胶分离，金属镍板上形成了浮雕结构，制成了金属镍母版。再用母版翻铸金属工作版，这里，光刻-电铸工艺的优点是，电铸复制快速、简便。

在实际复制生产工艺中，需要将这种平面工作镍版包裹在模压机器的滚筒上，对PET或者BOPP进行连续滚动式模压复制。上述方法存在下列缺点：

(1)镍版硬度较低，在模压生产中容易受到损伤，影响使用寿命；(2)由于制作平面工作镍版，再包裹在滚筒上，会产生一个拼接缝，在连续滚动模压时，每隔一个周长就会有一个接缝，生产出的产品上会存在大量拼缝，因而不适合连续性高速轮转印刷。

研发先进微纳米结构制造技术以适应和满足新型工业应用的需要是十分必要的。作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，激光微加工已形成固定模式并投入规模化生产中。

目前，先进微纳米结构制造技术主要应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。由于更加有效的激光源不断涌现，比如具有非常高峰值功率和超短脉冲固体激光的出现，加上更为精确、高速的数控操作平台，激光微加工尺寸可达几个到几百微米，激光脉冲的宽度在飞秒(fs)到纳秒(ns)之间。

在激光加工领域中，目前，较多地采用高功率密度、高光束质量的二极管泵浦固态激光器(DPSSL)，如Nd:YAG激光器(输出波长1060nm，重复脉冲频率50kHz)，Nd:YFL激光器(输出波长1053nm，重复脉冲频率15kHz)，这类激光器平均功率均可达50W，光束脉宽～20ns，经过倍频处理后，平均功率可达25W。现有的激光加工方式是：采用单光束激光聚焦形成加工光束，其光斑为多横模结构，通过高重复频率的脉冲工作(～20kHz)方式，扫描时在同一加工位置上形成多次重复的激光脉冲加工。存在的问题是，(1)波长1060nm、532nm的脉冲激光在对材料(如金属)表面加工时，材料对光的吸收率低，热效应非常明显，在加工时通过在局部产生高温来烧蚀材料，大量的光能被转变成热能，形成陨石坑效应；(2)为了得到高平均功率的激光输出，采用的激光光束是多横模光斑，光斑质量差(M²＜10)，由此，一般最小光点在30-50μm左右，多模激光束不能聚焦成更细的光束，加工精度有限；(3)为了得到更深的加工效果，采用高重复频率脉冲工作(～20kHz)方式，扫描时采用矢量化方式，在同一加工位置上(光点处)形成多次重复的激光脉冲加工，材料对首脉冲激光的吸收率低，但对后继的脉冲的能量吸收增高，有利于进行更深的加工，但更容易形成陨石坑效应。

我们知道，微结构图形制作采用干涉光刻方法，附图1所示，为两束激光相干形成干涉条纹，条纹的结构精细程度取决于波长λ、干涉光相交的角度θ，形成的光栅周期d为，

d＝λ/[2sin(θ/2)

角度θ越大、波长越短，光栅d越精细。中国发明专利CN1350211A公开了在光阻剂(photoresist)上进行光变图像的激光干涉光刻的一种方法及实现装置，可适用于前述的光刻-电铸工艺。

在中国发明专利申请CN1821883A中公开了一种对光滑表面进行微米结构光刻蚀的方法及装置，提出了用紫外大功率激光单模光束干涉进行光滑表面微结构光刻蚀的方法和装置。采用这种方法，可以对高强度材料表面进行光刻蚀，实现浮雕微结构，从而有可能解决上述电铸镍版使用寿命低的问题，然而，这种方法属于高温激光加工工艺，对于激光器制造、激光刻蚀系统内部的光学器件特性有严格技术要求，系统制造成本高。

另一种可以参考的方法是半导体微结构加工，在半导体微结构加工方法中，主要工艺步骤有：

1.硅基片加工与清洗；

2.涂布光刻胶(photoresist coating)；

3.光刻图形Lithography(电子束、激光束等)；

4.显影；

5.感应等离子体(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)；

6.真空溅镀导电层。

上述工艺过程是针对平面硅基设计的，主要工艺步骤均比较成熟，光刻图形作为掩膜，用RIE方法进行硅基刻蚀，硅片比光刻胶的刻蚀速率高，有利于硅片的深刻蚀。

然而，将上述工艺直接移植到金属滚筒表面上加工微结构时，却遇到了困难。主要的问题是，与硅基片不同，金属的刻蚀速率要比光刻胶的刻蚀速率低很多，这样，需对光刻胶深刻蚀，当光刻胶光栅槽形的占空比(深度/条纹宽度)大于2∶1时，光刻胶的刻蚀比较困难；另一方面，滚筒式的离子刻蚀机或者感应等离子刻蚀机还没有商品化机型，因此，必须找到在金属滚筒上制造微结构的新工艺方法。

发明内容

本发明目的是提供一种能够在金属滚筒上进行微结构加工的方法，用于在光滑金属表面上制作出浮雕的微结构图像，以满足连续性高速轮转印刷的需要。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，包括下列步骤：

(1)在金属滚筒上涂布光刻胶，在光刻胶上制作微结构掩膜，通过显影去除感光部分至露出金属表层；

(2)将上述处理后的金属滚筒置于电铸溶液中，连接至电源阴极，进行金属电沉积，沉积厚度为150～500纳米；

(3)从电铸溶液中取出金属滚筒，去除剩余的光刻胶即得到具有表面浮雕微结构的金属滚筒。

上文中，在实际操作时，应当先对金属滚筒进行表面抛光，以形成镜面；为了减少金属表面的针孔，可以在金属滚筒表面先沉和一层金属铜、金属镍或者金属铬，然后再进行表面抛光处理。光刻胶的涂布厚度根据微结构的尺寸确定；在显影去除部分光刻胶后，为保证沉积层的连接强度，需要对有微结构掩膜的金属滚筒进行清洁和活化处理，再进行电铸；电铸时，为保证良好而均匀的电沉积，金属滚筒应不断旋转，本领域技术人员能够根据电铸槽的参数情况确定旋转速度，并通过控制电铸电流和沉积时间，获得所需的沉积厚度；在步骤(3)中，可以采用碱性溶液或有机溶剂，将光刻胶完全去除，形成全金属化的滚筒。

优选的技术方案是，所述微结构掩膜为光栅掩膜；采用激光干涉方法制作。

上述技术方案中，在步骤(1)中完全去除底部光刻胶残留，光栅浮雕深度范围为0.5～10微米。所述金属沉积厚度小于光栅掩膜的浮雕深度。

上述技术方案中，所述金属滚铜的基材选自镜面钢、镀铬、镀镍或镀铜材料；所述金属滚筒的表面平整度小于20微米。

优选的技术方案，所述电铸沉积的金属选自铬、镍或镍钨合金。

为获得更好的效果，上述技术方案中的具体工艺要求可以表述如下：

1.金属滚筒上抛光的过程应非常仔细，应形成良好的镜面效果，无针孔和划痕。

2.为了在最终生产的薄膜材料上得到高衍射效率(亮度)，材料的微结构的深度h一般应满足：反射型材料：h＝λ/4(，λ为使用光的波长)，一般h控制在0.15～0.25微米之间；透射型材料：h＝λ/[2(n-1)])(n是材料的折射率)，一般h控制在0.5微米左右。考虑到压印复制过程中的深度损失，光栅槽形深度在500～1000nm的范围内，光刻胶涂布的厚度为700nm～1200nm左右，涂布厚度误差应小于30nm。

3.光刻时，激光光点内的干涉条纹强度尽可能均匀，采用光束整形方法，获得强度均匀的干涉光点，保证光栅槽形刻蚀的一致性，采用单脉冲激光加工方式，保证微结构槽形的质量。光刻的方法可以采用中国发明专利申请CN1821883A中公开的方法。

4.显影过程的温度控制在20度恒温显影，严格控制时间，保障槽形底部露底。将槽形底部的光刻胶完全清除，保证光栅槽形底部金属导电性和槽形占空比。

5.在电铸沉积时，旋转滚筒，保证槽形内金属沉积厚度的一致性，采用微电流电铸方式，使光栅槽形的沉积均匀。槽形内金属沉积厚度不应超过光刻胶槽形的深度。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过光刻与电铸的结合实现了具有表面浮雕结构的金属滚筒的制作，与以往的LIGA工艺方法不同，过去的电铸翻版是一种无选择整体沉积，本发明仅在光刻胶被显影去除的部分进行电沉积，能够直接在平整的滚筒表面上获得浮雕微结构；

2.由于可以直接形成表面浮雕结构的金属滚筒，不需要进行平版卷绕拼接，不会产生拼缝，因而特别适用于高速连续滚动式模压复制；

3.本发明采用电铸方式实现金属生长，可以获得高硬度的浮雕微结构，从而延长金属滚筒的使用寿命；

4.本发明光刻时能采用二极管泵浦的固态激光器(DPSSL)，平均激光功率200mW@1.5kHz，单横模光斑保证了两束光形成干涉，属于激光冷加工，通过TTL信号控制光束脉冲频率、电流调整控制光束能量，解决了现有技术中大功率干涉光场直接在金属加工微结构时，对于整个光学系统器件的性能极高，光栅深度控制主要靠激光束能量的调整，同时对光斑的均匀性要求极高的技术难题。

5.本发明的工艺中，通过金属“生长”，金属光栅深度可以得到控制。

附图说明

附图1为本发明所述的干涉条纹的产生方法；

附图2为本发明所述的矩形光点刻蚀的光栅图像示意图；

附图3为本发明中滚筒式激光干涉光刻系统的结构示意图；

附图4为本发明的工艺过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图4所示，一种具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，包括下列步骤：

[1]先制成抛光的金属滚筒；

[2]涂布光刻胶；

[3]在光刻胶滚滚筒上进行干涉光刻，采用附图3所示的干涉光刻装置，

其光刻方法是：将图像分布转换成脉冲控制信号，根据其中单元光栅的取向和空频，同时进行干涉光学头、平台运动、光栅高速旋转和光脉冲输入、逐行迂回在滚筒型光刻胶上连续曝光，曝光时滚筒、光学头、分束元件无需暂停，直至完成整个图像的制作。

实现上述方法的激光光刻直写系统，包括由具有TTL信号接口的紫外光输出的DPSSL激光光源1、扩束器与准直镜2、可变矩形光阑3、光束整形系统4，5，17(透镜f1，f2与光阑构成缩微功能的4F系统)、分束系统(包括分束元件石英位相光栅18、成像透镜组8、高速转台9)，上述由光源、光束整形系统、分束系统构成的干涉型光学头，装配在水平运动(X方向)的系统10上，金属滚筒11放置在工作平台12(Y方向运动)上，并可以相对于工作平台转动，还包括TTL与功率控制电源13、运动系统控制系统14、15和计算机16。

所述光源1可以是一种低功率的紫外输出脉冲激光光源；所述的矩形光阑可以调节。所述分光元件放置在转台上，转台可以转动来选择不同条纹周期的位相光栅，从而改变光的干涉角度；所述金属滚筒11放置在工作平台12上并使其记录面位于干涉光束的焦面上；所述的光束整形系统包括可调矩形光阑3、透镜4、反射镜5和透镜6，所述的分束干涉系统将位相光栅的衍射光会聚在金属滚筒11上。

[4]将光刻完成后的滚筒置于显影液中，旋转滚筒，控制显影温度和时间，保证光栅槽形的底部露底(直到金属表面)，清洗后，在50度的烘箱中烘干。

[5]将显影后的滚筒至于电铸液中，将金属滚筒与电源阴极连接，阳极放置于金属铬材料，通电后，阳极的铬材料通过电离后阳离子Cr离子向阴极沉积。控制电流、时间，并循转金属滚筒，以保证沉积的均匀性，形成金属镀铬微结构滚筒。

[6]沉积完成后，进行清洗，然后对旋转的滚筒喷洒碱性溶液或光刻胶的溶剂，将光刻胶彻底去除。

[7]清洗后，完成金属滚筒的微结构加工。

实施例二：参见附图4所示，

[1]先制成抛光的金属滚筒；

[2]涂布光刻胶；

[3]在光刻胶滚滚筒上进行干涉光刻；

[4]将光刻完成后的滚筒至于显影液中，保证光栅槽形的底部露底(直到金属表面)，清洗；

[5]对金属滚筒进行活化处理，置于电铸液中，将金属滚筒接在阴极，阳极放置镍金属材料，通电后，阳极镍电离后，形成阳离子向阴极沉积。这样形成金属镀镍滚筒。

[6]沉积完成后，进行清洗，然后对旋转的滚筒喷洒碱性溶液或光刻胶的溶剂，将光刻胶彻底去除。

[7]清洗后，完成金属滚筒的微结构加工。

Claims (8)

1.一种具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，包括下列步骤：

(1)在金属滚筒上涂布光刻胶，在光刻胶上制作微结构掩膜，通过显影去除感光部分至露出金属表层；

(2)将上述处理后的金属滚筒置于电铸溶液中，连接至电源阴极，进行金属电沉积，沉积厚度为150～500纳米；

(3)从电铸溶液中取出金属滚筒，去除剩余的光刻胶即得到具有表面浮雕微结构的金属滚筒。

2.根据权利要求1所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：所述微结构掩膜为光栅掩膜。

3.根据权利要求2所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：所述光栅掩膜采用激光干涉方法制作。

4.根据权利要求2或3所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：在步骤(1)中完全去除底部光刻胶残留，光栅浮雕深度范围为0.5～10微米。

5.根据权利要求4所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：所述金属沉积厚度小于光栅掩膜的浮雕深度。

6.根据权利要求1所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：所述金属滚铜的基材选自镜面钢、镀铬、镀镍或镀铜材料。

7.根据权利要求6所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：所述金属滚筒的表面平整度小于20微米。

8.根据权利要求1所述的具有表面浮雕微结构金属滚筒的制作方法，其特征在于：所述电铸沉积的金属选自铬、镍或镍钨合金。

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