CN102566260A - 超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，包括以下步骤：1)选择辊压模具，2)辊压模具清洗，3)辊压模具表面涂胶，4)辊压模具前烘处理，5)辊压模具的固定，6)掩膜版的选取和调整，7)曝光。本发明采用曝光拼接的旋转曝光技术，将掩膜版上的光栅微结构图形转移至辊压模具表层的光刻胶上面，显影过后，辊压模具表面形成一层光栅结构图形化掩蔽层，再利用刻蚀或者电铸的方法，将此图形化掩蔽层复制到辊压模具表面上；运用此模具，可以利用辊压印或者逆辊压印的方法，将此表面的光栅微结构连续的复制的光栅尺胚上面，实现了超长光栅的连续制造。此种方法对外部环境要求较低，生产效率高，从而有效降低光栅尺的制造成本。

Description

超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法

【技术领域】

本发明涉及微细加工中的光刻技术，特别涉及一种制造机床用超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法。

【背景技术】

随着数控机床的发展和技术的进步，生产中要求数控机床达到更高的精度和更高的生产效率，光栅尺作为数控机床中位置检测装置的重要的组成部分，直接影响机床的加工精度。所以要提高机床的加工精度，必须要求光栅尺有高的分辨率和定位精度。

机床用超长光栅尺的加工方法一般有机械刻划法、全息光栅工艺和光刻工艺的方法或者是制作一个母版光栅，利用母版光栅进行复制的方法。采用纳米压印技术复制光栅具有生产效率高，成本低。克服了传统光栅加工中很多问题。

辊压印技术利用母光栅柱面模具回转运动，将母光栅直接转移到光栅尺胚表面，而且能实现超长高精度光栅微结构的连续制造。而模具的加工尤为重要。利用旋转曝光的方法在辊压模具表面做图形化掩蔽层，为制作辊压光栅模具提打下良好基础。

辊压光栅模具加工制作周期长，成本相对较高。但是其加工出的辊压模具使用周期长，复制加工机床用超长光栅尺效率高，尤其是采用辊压印技术或者逆辊压印技术，极大的降低了超长光栅尺的加工制造成本，同样提高了生产效率。从大批量生产的角度上来看，花一定时间和资金加工一个辊压模具是非常必要的。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超长光栅尺辊压模具图形化的快速加工方法，该方法为母光栅模具加工提供了很好的前提，通过母光栅辊压模具，可以采用辊压印的方法加工机床用长光栅尺，克服了传统光栅制造中环境条件依赖性高、制造效率低、成本高的缺点。通过此辊压模具，可以提高光栅尺的生产效率，降低光栅尺的加工成本。因此制造光栅尺过程中利用辊压模具是非常有必要的，而其表面图形化掩蔽层的加工是制造辊压模具必不可少的前提。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，包括以下步骤：

1)选择合适的辊压模具：选择圆筒状辊压模具；

2)辊压模具表面的清洗：超声波清洗去除辊压模具表面的油污和颗粒杂质；

3)辊压模具表面涂胶：采用提拉法在辊压模具表面形成一层均匀的光刻胶；

4)辊压模具前烘处理：将辊压模具放入烘箱中前烘，挥发掉光刻胶中的溶剂；

5)辊压模具的固定：将辊压模具固定到旋转平台上，并通过调整旋转平台上面XY双向位移调整台，使辊压模具的回转中心线与旋转平台回转中心线重合；

6)掩膜版的选取和调整：将具有栅线微结构的掩膜版固定到掩膜版支架上，掩膜版的曲率半径和辊压模具的外径相同，通过掩膜版支架下面的多自由度调整机构，使掩膜版保持竖直方向，并与辊压模具的外圆周面相切；

7)辊压模具曝光：利用紫外光源发出的紫外光线穿过掩膜版上的微结构对辊压模具上的光刻胶进行曝光。

本发明进一步的改进在于：辊压模具的材质为金属铜、殷钢或非金属石英，其直径为Φ50mm～Φ500mm；长度为50mm～500mm，其表面粗糙度Ra小于1.6，圆度和圆柱度误差均小于或等于0.01mm。

本发明进一步的改进在于：掩膜版为曲面掩膜版或柔性掩膜版，掩膜版上面的栅线结构的周期为100nm～200um。

本发明进一步的改进在于：旋转平台的最小分度值为0.1秒。

本发明进一步的改进在于：步骤3)中辊压模具表面采用提拉法在辊压模具表面形成一层均匀的光刻胶前进行等离子处理；光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。

本发明进一步的改进在于：所述正性光刻胶为瑞红系列正性光刻胶、安智系列正性光刻胶或PRP200正性光刻胶；所述负性光刻胶为BN608负性光刻胶或NR9负性光刻胶。

本发明进一步的改进在于：步骤6)中所述多自由度调整机构为五自由度调整机构。

本发明进一步的改进在于：掩膜版上栅线结构的角度为360/N度，第一次曝光结束后，转动旋转平台使辊压模具旋转360/N度，重复曝光；直至使辊压模具整个周长完全曝光；N≥1，N为自然数。

本发明进一步的改进在于：N＝6。

本发明进一步的改进在于，所述快速加工方法还包括以下步骤：

8)辊压模具的辊子中烘处理：将步骤7)完全曝光后的辊压模具放到烘箱中，调整烘箱的温度为光刻胶的中烘温度，保持1小时，然后冷却至室温；

9)显影：将步骤8)处理后的整个辊压模具浸入显影液中显影，然后使用超纯水或者无水乙醇进行漂洗；

10)后烘坚膜：将步骤9)处理后的辊压模具在烘箱中进行后烘，将表层的残余光刻胶或清洗液挥发掉。

本发明进一步的改进在于，步骤4)、8)和10)中对涂有光刻胶的辊压模具滚子分别进行前烘、中烘和坚膜处理，烘烤温度分别为90℃、100℃、和150℃，时间分别为30分钟、30分钟、60分钟。

本发明进一步的改进在于，紫外光源所发出的紫外光波长为248nm或365nm，所述波长在光刻胶的敏感波段范围。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明采用曝光拼接的旋转曝光技术，将掩膜版上的光栅微结构图形转移至辊压模具表层的光刻胶上面，显影过后，辊压模具表面形成一层光栅结构图形化掩蔽层，再利用刻蚀或者电铸的方法，将此图形化掩蔽层复制到辊压模具表面上。运用此模具，可以利用辊压印或者逆辊压印的方法，将此表面的光栅微结构连续的复制的光栅尺胚上面，实现了超长光栅的连续制造。此种方法对外部环境要求较低，生产效率高，从而有效降低光栅尺的制造成本。

【附图说明】

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明方法所用装置的示意图。

在图1中，部件1为隔振光学平台，2为多自由度调整机构，3为紫外光源周向移动导轨，4为紫外光源，5为掩膜版支架，6为掩膜版，7为辊压模具，8为XY双向调整台，9为高精度旋转平台。

图2为图1另一角度的视图。

图3是旋转曝光过程示意图。

图4是旋转曝光过程中局部曝光区域示意图。

图5是旋转曝光过程中拼接示意图。

【具体实施方式】

下面通过附图及具体实施实例对本发明做进一步说明。

请参阅图1至图5所示，本发明超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法的具体实施方式是通过下述步骤来实现的。该方法包括以下步骤：

第一步、选择合适的辊压模具：选择圆筒状金属铜、殷钢等或者选择非金属圆筒石英胚材作为辊压模具7的材料；辊压模具7的直径为Φ50mm～Φ500mm，长度为50mm～500mm，经过传统机械车、铣、磨加工，使得辊压模具7表面粗糙度Ra小于1.6，圆度和圆柱度误差均小于或等于0.01mm；

第二步、辊压模具表面的清洗：将辊压模具7先浸入丙酮并配合超声清洗10分钟，然后浸入酒精中超声清洗10分钟，通过两次清洗洗掉表层的油污、颗粒杂质；然后放入烘箱烘到150℃，保持2小时，使完全干燥，然后冷却至室温；

第三步、辊压模具表面涂胶：对辊压模具7外圆柱面进行等离子处理，增加表面能，提高光刻胶和模具7表面的粘合力，增强光刻胶在表面的流动性，采用提拉法涂瑞红正性光刻胶，提拉速度为5mm/s，使光刻胶流动均匀；在辊压模具7表面形成一层均匀的光刻胶10。本发明根据需要还可以采用安智系列、PRP200等正性光刻胶，或采用BN608、NR9系列负性光刻胶。

第四步、辊压模具前烘处理：将辊压模具7放入烘箱中前烘，挥发掉光刻胶中的溶剂，从而使得胶膜干燥，并增加其粘附力和耐磨性。对于瑞红正性光刻胶，在65℃下对光刻胶进行烘30分钟，然后调整烘箱温度到90℃烘20分钟，使胶膜里面的溶剂慢慢挥发出来，从而使得胶膜干燥，并增加其粘附力和耐磨性；

第五步、辊压模具的固定：将辊压模具7固定到高精度旋转平台9的XY双向调整台8上，通过调整高进度旋转平台9上面XY双向调整台8，使辊压模具7的辊子旋转轴和高进度旋转平台9旋转轴重合；使辊压模具7能与高进度旋转平台9同心转动；

第六步、掩膜版的选取和调整：选取具有栅线结构的曲面掩膜版6，掩膜版上面的栅线结构60的尺寸的周期(即明线加暗线的宽度)为100nm～200um；掩膜版6的曲率半径和辊压模具7的外径相同，将掩膜版6固定到掩膜版支架5上，通过五自由度调整机构2，使掩膜版6保持竖直方向，并使其与辊压模具7相切贴在辊压模具7外周；本发明同样可以选用柔性掩膜版，将其弯曲后使其曲率半径与辊压模具7的外径相同，然后再固定到掩膜版支架5上，通过五自由度调整机构2，使柔性掩膜版保持竖直方向，并使其与辊压模具7相切。

第七步、辊压模具的曝光：根据涂胶量的多少，调整光源位置使紫外光源4距离掩膜版70mm，设置照射时间为2分钟，对涂有光刻胶的辊压模具7进行曝光，每次曝光结束，转动精密旋转平台9使辊压模具7旋转60度(掩膜版6的栅线结构的角度为60度)，重复曝光过程6次，直到辊压模具7的辊子一周完全曝光。

第八步、辊压模具的辊子中烘处理：将辊压模具7放到90℃烘箱中保持1小时，然后冷却至室温，此过程对于化学增幅型的光刻胶非常重要，中烘条件的好坏直接影响复制图形的质量；此处的中烘温度对应每种光刻胶的中烘温度。

第九步、显影：将整个辊压模具7浸入显影液中1分钟，然后使用超纯水或者无水乙醇进行漂洗；

第十步、后烘坚膜：调整烘箱温度，让辊压模具7在150℃烘箱中保持2小时，将表层的残余光刻胶或清洗液挥发掉。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择合适的辊压模具：选择圆筒状辊压模具；

2)辊压模具表面的清洗：超声波清洗去除辊压模具表面的油污和颗粒杂质；

3)辊压模具表面涂胶：采用提拉法在辊压模具表面形成一层均匀的光刻胶；

4)辊压模具前烘处理：将辊压模具放入烘箱中前烘，挥发掉光刻胶中的溶剂；

5)辊压模具的固定：将辊压模具固定到旋转平台上，并通过调整旋转平台上面XY双向位移调整台，使辊压模具的回转中心线与旋转平台回转中心线重合；

6)掩膜版的选取和调整：将具有栅线微结构的掩膜版固定到掩膜版支架上，掩膜版的曲率半径和辊压模具的外径相同，通过掩膜版支架下面的多自由度调整机构，使掩膜版保持竖直方向，并与辊压模具的外圆周面相切；

7)辊压模具曝光：利用紫外光源发出的紫外光线穿过掩膜版上的微结构对辊压模具上的光刻胶进行曝光。

2.按照权利要求1所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，辊压模具的材质为金属铜、殷钢或非金属石英，其直径为Φ50mm～Φ500mm；长度为50mm～500mm，其表面粗糙度Ra小于1.6，圆度和圆柱度误差均小于或等于0.01mm。

3.按照权利要求1所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，掩膜版为曲面掩膜版或柔性掩膜版，掩膜版上面的栅线结构的周期为100nm～200um。

4.按照权利要求1所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，旋转平台的最小分度值为0.1秒。

5.按照权利要求1所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，步骤3)中辊压模具表面采用提拉法在辊压模具表面形成一层均匀的光刻胶前进行等离子处理；光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶。

6.按照权利要求5所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，所述正性光刻胶为瑞红系列正性光刻胶、安智系列正性光刻胶或PRP200正性光刻胶；所述负性光刻胶为BN608负性光刻胶或NR9负性光刻胶。

7.按照权利要求1所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，步骤6)中所述多自由度调整机构为五自由度调整机构。

8.按照权利要求1至7中任一项所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，掩膜版上栅线结构的角度为360/N度，每次曝光结束后，转动旋转平台使辊压模具旋转360/N度，重复曝光；直至使辊压模具整个周长完全曝光；N≥1，N为自然数。

9.按照权利要求8中所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，N＝6。

10.按照权利要求8中所述的超长光栅尺辊压模具表面图形化的快速加工方法，其特征在于，所述快速加工方法还包括以下步骤：

8)辊压模具的辊子中烘处理：将步骤7)完全曝光后的辊压模具放到烘箱中，调整烘箱的温度为光刻胶的中烘温度，保持1小时，然后冷却至室温；

9)显影：将步骤8)处理后的整个辊压模具浸入显影液中显影，然后使用超纯水或者无水乙醇进行漂洗；

10)后烘坚膜：将步骤9)处理后的辊压模具在烘箱中进行后烘，将表层的残余光刻胶或清洗液挥发掉。

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