CN101539642A - 一种高温云纹光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高温云纹光栅的制作方法，属于光学器件制造、光测力学领域。将试件基底材料抛光、清洗、烘干后，在试件基体材料表面沉积一层在高温下抗氧化的金属膜；根据模板上云纹光栅尺寸的特点和光刻胶的型号调整温度、压力、时间等参数，将模板的表面图案转印到基底材料的光刻胶上；经过干法或湿法刻蚀，在基底材料上再镀一层在高温下抗氧化的金属膜，去除光刻胶后，可制成高温云纹光栅。所述的高温为为800～1000℃范围；所述的试件基底材料采用耐高温的金属合金或非金属材料。光栅制作的原理清晰，且操作方便、效率高、成本底，可批量生产。

Description

一种高温云纹光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及一种高温云纹光栅的制作方法，属于光学器件制造、光测力学领域。

背景技术

转移或直接刻蚀在被测物体表面的光栅作为物体表面变形信息的载体，在光测力学领域中是几何云纹法、云纹干涉法和电镜云纹法中进行物体表面变形测量的基本元件。随着新型材料高温力学性能研究的开发及航空、动力工业等部门对在役高温元件的变形实测研究工作的需要，发展云纹干涉法在高温领域的应用日益受到国内外学者的关注，随之提出了高温云纹光栅的制作研究。

目前较为成熟的高温云纹光栅的制作方法是在可动光源制作全息光栅方法的基础上的双镀层光刻法。

全息光刻法是利用电机使入射激光成为可动光源，通过复杂的光路系统，对光刻胶曝光，形成全息光栅。全息光刻法的出现是光栅制作技术领域中的一个里程碑，将光栅制作技术向前推进了一大步。全息光刻法的不足之处是所需光学元件较多，光路复杂。

专利CN1924622是一种双频率高温光栅的制作方法。该发明是在聚焦离子束显微镜下通过调整系统的放大倍数、束流强度、刻蚀深度和线间距等参数并利用系统自身的精密定位系统，完成双频率高温光栅的制作。但是，对非专业人员而言，实施起来不但相当困难，而且效率很低。

发明内容

本发明的目的是提供一种易操作、高效率的高温云纹光栅制作的新方法。制作原理简单，速度快、成本底，可批量生产。

本发明的技术方案如下：

一种高温云纹光栅的制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将试件基底材料抛光后，清洗、烘干，在试件基体材料表面沉积一层在高温下抗氧化的金属膜，厚度在0.2～1μm；

2)将光刻胶旋涂在试件基底材料上，烘干定胶后，将正交云纹光栅模板覆盖在烘干定胶后基底材料上；通过温控设备升温，达到光刻胶的转变温度T_g以上后施加压力，压力的大小p和保持的时间t根据模板云纹光栅尺寸和光刻胶的型号确定；将温度降低至室温后卸压，将云纹光栅模板与试件基底材料分离；此时，云纹光栅模板表面的图案转印到了试件基底材料表面的光刻胶上；

3)采用干法或者湿法对试件基底材料进行刻蚀；在试件基底材料表面再镀一层在高温下抗氧化的金属膜，方法与第一层金属膜相同；去除基底材料上的光刻胶，最终制成在高温下使用的云纹光栅。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：工艺简单，制作成本底、效率高，可大批量加工产品；光栅制作的原理清晰，具体操作简单、容易实现，无需专业专业人员操作；制作的光栅频率高，能达到纳米量级；能适用于高温环境。

附图说明

图1为本发明的操作流程图。

图2为AFM显微镜下的三维表面相貌图。

图3为云纹干涉图(a为U场，b为V场)。

具体实施方式

现结合附图1来对本发明的具体实施方式作进一步说明。

将试件基底材料清洗、烘干后，在试件基体材料表面沉积一层在高温下抗氧化的金属膜。将光刻胶旋涂在试件基底材料上，烘干定胶后，覆盖上正交云纹光栅模板。通过温控设备升温，达到光刻胶的转变温度T_g以上后施加压力，在正交云纹光栅模板上产生向下的均匀分布的压力，压力的大小p和保持的时间t根据模板云纹光栅尺寸和光刻胶的型号确定。具体来说，先确定光刻胶的粘度：

$\log \frac{{\mathrm{\η}}_0\left(T\right)}{{\mathrm{\η}}_0\left(T_g\right)}=-\frac{C_1\·(T-T_g)}{C_2+(T-T_g)}$

其中：C₁、C₂为常数，由光刻胶的型号唯一确定；η₀为光刻胶的粘度，它是温度T的函数；再选择压力的大小p和保持的时间t：

$t=\frac{{\mathrm{\η}}_0\left(T\right)L^2}{2p}(\frac{1}{h_f^2}-\frac{1}{h_0^2})$

其中：L为云纹光栅的栅距，h₀为光刻胶初始的厚度，h_f为光刻胶最终的厚度。将温度降低至室温后卸压，将云纹光栅模板与试件基底材料分离。此时，云纹光栅模板表面的图案转印到了试件基底材料表面的光刻胶上。根据试件基底材料，采用干法或者湿法对试件基底材料进行刻蚀，在试件基底材料表面再镀一层在高温下抗氧化的金属膜，去除基底材料上的光刻胶，包装后最终制成可在高温下使用的云纹光栅。

实施例1：

试件基底材料为LY12铝合金，光刻胶为聚甲基丙烯酸甲脂(AR-P 671.09 E-Beam ResistPMMA 950K)，模板为40线/毫米的正交云纹光栅。将试件表面抛光，不平度应小于0.01mm，表面粗糙度为0.08μm，清洗烘干，镀一层金膜，把试件放在涂胶机上，用滴管滴1-2滴光刻胶在其中心处。启动涂胶机以6200转/分钟的转速持续50秒，旋涂后基底材料表面的光刻胶层厚度约为1微米。将烘干机升温至180℃，把涂有光刻胶层的基底材料放上烘干1分钟，以便增强两者的结合力。升高温度到125℃，施加4MPa的压力，并保持约5分钟，等温度降低至室温后卸压。分离模板，采用化学溶液腐蚀基底材料。镀金膜最后，采用超声去除基底材料上的光刻胶，最终得到40线高温的正交光栅。

在上述过程中采用其它耐高温的金属合金代替LY12铝合金作为基底材料也得到了同样结果。

实施例2：

试件基底材料为不锈钢片，光刻胶为聚甲基丙烯酸甲脂(AR-P 671.09 E-Beam Resist PMMA950K)，模板为1200线/毫米的正交云纹光栅。将试件表面抛光，表面不平度应小于0.01mm，表面粗糙度为0.12μm，清洗烘干，镀一层铬膜，把试件放在涂胶机上，用滴管滴1-2滴光刻胶在其中心处。启动涂胶机以7000转/分钟的转速持续60秒，旋涂后基底材料表面的光刻胶层厚度约为0.6微米。将烘干机升温至180℃，把涂有光刻胶层的基底材料放上烘干1分钟，以便增强两者的结合力。升高温度到150℃，施加3MPa的压力，并保持约2分钟，等温度降低至室温后卸压。分离模板，采用化学溶液腐蚀基底材料。镀铬膜最后，采用超声去除基底材料上的光刻胶，最终得到1200线高温的正交光栅。如图2所示，在AFM显微镜下，可以清晰地看到表面的点阵结构。将表面带有高温云纹光栅的材料制成标准的拉伸试件，通过高温云纹干涉仪测试，可以观察到云纹干涉图，如图3所示。

在上述过程中采用镍膜或者铂-锗合金膜代替铬膜也得到了同样结果。

实施例3：

试件基底材料为硅片，光刻胶为聚甲基丙烯酸甲脂(495PMMA A Resists solid：2％inAnisole)，模板为1200线/毫米的正交云纹光栅。将试件表面抛光，使表面不平度小于0.01mm，表面粗糙度为0.16μm，清洗烘干，镀一层金膜，把试件放在涂胶机上，用滴管滴1-2滴光刻胶在其中心处。启动涂胶机以1000转/分钟的转速持续50秒，旋涂后基底材料表面的光刻胶层厚度约为0.1微米。将烘干机升温至180℃，把涂有光刻胶层的基底材料放上烘干1分钟，以便增强两者的结合力。升高温度到150℃，施加2MPa的压力，并保持约3分钟，等温度降低至室温后卸压。分离模板，采用化学溶液腐蚀基底材料。镀金膜最后，采用超声去除基底材料上的光刻胶，最终得到1200线高温的正交光栅。

在上述过程中采用其它耐高温的非金属材料代替硅片作为基底材料也得到了同样结果。

Claims (5)

1.一种高温云纹光栅的制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将试件基底材料抛光，清洗、烘干后，在试件基体材料表面沉积一层在高温下抗氧化的金属膜；

2)将光刻胶旋涂在试件基底材料上，烘干定胶后，将正交云纹光栅模板覆盖在烘干定胶后基底材料上；通过温控设备升温，达到光刻胶的转变温度T_g以上后施加压力，压力的大小p和保持的时间t根据模板云纹光栅尺寸和光刻胶的型号确定；将温度降低至室温后卸压，将云纹光栅模板与试件基底材料分离；此时，云纹光栅模板表面的图案转印到了试件基底材料表面的光刻胶上；

3)采用干法或者湿法对试件基底材料进行刻蚀；在试件基底材料表面再镀一层在高温下抗氧化的金属膜，方法与第一层金属膜相同；去除基底材料上的光刻胶，最终制成在高温下使用的云纹光栅。

所述的高温为800～1000℃范围。

2.按照权利要求1所述高温云纹光栅的制作方法，其特征在于：所述的试件基底材料采用耐高温的金属合金或非金属材料。

3.按照权利要求1所述高温云纹光栅的制作方法，其特征在于：所述的金属膜采用金膜、铬膜、镍膜或铂-锗合金膜。

4.按照权利要求1所述高温云纹光栅的制作方法，其特征在于：所述的光刻胶为不同型号的聚甲基丙烯酸甲脂。

5.按照权利要求1所述高温云纹光栅的制作方法，其特征在于：光刻胶旋涂的厚度在0.1～1.0微米范围，压力的大小p在1.0～4.0MPa范围，保持的时间t在1.0～5.0分钟范围。

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