CN102707572A

CN102707572A - 在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置及方法

Info

Publication number: CN102707572A
Application number: CN2012101849929A
Authority: CN
Inventors: 董连和; 冷雁冰; 孙艳军; 陈哲
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2012-10-03

Abstract

在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置及方法属于光刻技术领域。现有的机械扫描方式只适用于平面工件。本发明为：工件卡具转轴的轴线z呈垂直形态并由转动电机驱动，喷嘴由悬臂吊装在工件卡具上方，喷嘴轴线与工件卡具转轴轴线z相交；悬臂摆轴轴线x与转轴轴线z正交。光学元件由工件卡具夹持，工件卡具以角速度旋转；喷嘴接近光学元件表面，绕摆轴轴线x移动同时恒流量喷胶，光学元件待涂胶面为凸球面，凸球面球心位于工件卡具转轴轴线z与悬臂摆轴轴线x的交点O，凸球面为半球或球冠，其底面呈水平状态；喷嘴在平面y-z内沿圆弧匀加速或均减速移动，该圆弧曲率中心位于点O，该圆弧曲率半径r₂大于凸球面曲率半径r₁的部分为喷嘴与凸球面的间隙。

Description

在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置及方法，属于光刻技术领域。

背景技术

在球面光学元件上加工微细图形由光刻工艺来实现，其工艺步骤为，在光学元件的表面涂布一层厚度均匀的光刻胶膜，然后曝光、显影及刻蚀，得到所需微细图形。所述球面光学元件包括凸球面光学元件和凹球面光学元件。

申请号为200810050936.X的一件中国发明专利申请公开了一项名称为“凹球面光学器件旋涂光刻胶的方法”的技术方案，该方法是在凹球面光学器件开口向上并静置的状态下，将光刻胶注入到凹球面的中心处，然后立即将凹球面光学器件转为开口向下及水平状态并旋转，待光刻胶液固化后停止旋转，即在光学器件的凹球面上获得均匀的光刻胶膜层。该方法并不适用于凸球面光学元件。

而在凸球面光学元件上涂布光刻胶的现有方法则是将凸球面光学元件凸球面向上装夹在平面离心涂胶机的旋转工件台上，旋转工件台以30～60r/min的速度低速旋转，同时用滴管将汲取的光刻胶分散滴在凸球面上，并伴随使用塑料膜片从凸球面顶心处逐步向边缘移动，将光刻胶展开在整个凸球面上，形成初始涂层，然后旋转工件台再以3000～4500r/min的速度高速旋转，在离心力的作用下光刻胶初始涂层厚度变得均匀，多余的光刻胶也被甩离凸球面，最终在凸球面上形成光刻胶膜，胶膜厚度虽然能够达到0.1~1.5μm，但是不均匀度却大于10%，然而，其中的滴管滴胶和塑料膜片刮胶均为手工操作，不仅涂布效率低，而且所形成的初始涂层厚度偏厚且各处薄厚不一，整个初始涂层厚度及变化范围为5～15μm，经离心减薄涂匀处理后，光刻胶的利用率低于10%，光刻胶大量浪费并污染环境。虽然采取离心方式进一步调整初始涂层的厚度，但是，由于从凸球面中心区域与边缘区域离心力差异较大，使得凸球面中心区域胶膜厚度大于边缘区域胶膜厚度，且相差高达一倍，不均匀度偏高，非常不利于光刻工艺的后续操作。

专利号为ZL98101653.7的一件中国发明专利公开了一项名称为“光刻胶喷涂的装置及其方法”的技术方案，该方案待涂胶工件为圆形平面晶片，晶片呈水平状态并旋转，光刻胶喷嘴自晶片上方向晶片表面喷胶，其特征在于，当晶片旋转达到预定初始速度时，喷嘴开始喷胶并自晶片边缘沿直线向晶片中心匀速移动，与此同时，晶片旋转速度线性或者非线性提高，在离心力和表面张力的共同作用下，完成光刻胶的扫描喷涂。然而该方案仅适用于平面光学元件。

发明内容

本发明的目的是实现在凸球面光学元件上借助于机械装置以扫描喷涂的方式涂布光刻胶，获得薄而匀的胶膜，同时避免光刻胶的浪费，进而减轻对环境的污染，以及提高光刻胶涂布效率，为此我们发明了一种在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置及方法。

本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置其结构为，见图1所示，工件卡具1的转轴2的轴线z呈垂直形态并由转动电机3驱动，喷嘴4由悬臂5吊装在工件卡具1上方，其特征在于，喷嘴4轴线与工件卡具1转轴2轴线z相交；悬臂5的摆轴6的轴线x与转轴2的轴线z正交。

本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法为，见图1所示，光学元件7由工件卡具1夹持，工件卡具1以角速度ω旋转；喷嘴4接近光学元件7表面，绕摆轴6的轴线x移动同时恒流量喷胶，其特征在于，光学元件7的待涂胶面为凸球面，凸球面球心位于工件卡具1的转轴2的轴线z与悬臂5的摆轴6的轴线x的交点O，凸球面为半球或者球冠，其底面呈水平状态；喷嘴4在过轴线z并与轴线x垂直的平面y-z内移动，移动轨迹为圆弧，该圆弧曲率中心位于凸球面球心，见图2所示，该圆弧曲率半径r₂大于凸球面曲率半径r₁的部分为喷嘴4与凸球面的间隙；喷嘴4对准凸球面边缘时，其移动速度v等于v₁，喷嘴4对准凸球面中心时，其移动速度v等于v₂，且v₁小于v₂，从v₁到v₂线性提高。

本发明其技术效果在于，与现有技术不同的是待涂胶面为凸球面，所述在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置是一种机械装置，工件卡具1以角速度ω旋转，凸球面光学元件7随之旋转，同时喷嘴4沿与凸球面平行的弧线变速移动，不论是从凸球面中心向边缘移动还是从边缘向中心移动，所述旋转与移动两个运动合成的结果是在凸球面上形成立体螺旋扫描线，其间喷嘴4恒流量喷胶，在凸球面上形成薄而匀的胶膜，胶膜厚度0.1～1.5μm，不均匀度4~6%，光刻胶的利用率接近100%，减轻对环境的污染，以及提高光刻胶涂布效率。

附图说明

图1是本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置结构示意图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法示意图，该图同时表示喷嘴自凸球面边缘向中心移动的过程。图3是本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置根据悬臂摆轴角位移信息控制喷嘴阀门、转动电机、摆动电机工作情况示意图，该图同时表达喷嘴阀门、转动电机、摆动电机、角位移传感器分别与控制模块的电连接关系。图4是本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法示意图，该图同时表示喷嘴自凸球面中心向边缘移动的过程。图5是本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法示意图，该图同时表示喷嘴自凸球面一侧边缘经中心向另一侧边缘移动的过程。

具体实施方式

本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置其具体结构为，见图1所示，工件卡具1的转轴2的轴线z呈垂直形态并由转动电机3驱动，喷嘴4由悬臂5吊装在工件卡具1上方。喷嘴4轴线与工件卡具1转轴2轴线z相交；悬臂5的摆轴6的轴线x与转轴2的轴线z正交。喷嘴4为狭缝喷嘴，狭缝方向与喷嘴4移动方向一致。喷嘴4由喷嘴阀门8控制开喷与停喷，喷嘴阀门8是一种电磁阀。喷嘴4及喷嘴阀门8通过喷嘴位置调节机构9与悬臂5连接，喷嘴位置调节机构9通过螺纹结构在喷嘴4轴线方向上调节喷嘴4位置。蜗轮10安装在悬臂5的摆轴6上，摆动电机12驱动蜗杆11，通过蜗轮10控制摆轴6的摆动，摆动电机12为调速电机。角位移传感器13安装在摆轴6一端。喷嘴阀门8、转动电机3、摆动电机12、角位移传感器13分别与控制模块电连接，见图3所示，控制模块由单片机担当。控制模块接收来自角位移传感器13的摆轴6转角信息，摆轴6转角范围为0~180°；控制模块根据接收的摆轴6转角信息同时向喷嘴阀门12、转动电机3、摆动电机12发出工作指令。

本发明之在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法具体为，见图1所示，光学元件7由工件卡具1夹持，工件卡具1以角速度ω旋转，角速度ω在30～60r/min范围内确定。喷嘴4接近光学元件7表面，绕摆轴6的轴线x移动同时恒流量喷胶，流量在0.05~0.3毫升/秒范围内确定。光学元件7的待涂胶面为凸球面，凸球面的曲率半径为100~200mm。凸球面球心位于工件卡具1的转轴2的轴线z与悬臂5的摆轴6的轴线x的交点O；凸球面为半球或者球冠，其底面呈水平状态。喷嘴4在过轴线z并与轴线x垂直的平面y-z内移动，移动轨迹为圆弧，该圆弧曲率中心位于凸球面球心，见图2所示，该圆弧曲率半径r₂大于凸球面曲率半径r₁的部分为喷嘴4与凸球面的间隙，该间隙在0.1~0.5毫米范围内通过调整喷嘴位置调节机构9确定。喷嘴4对准凸球面边缘时，其移动速度v等于v₁，喷嘴4对准凸球面中心时，其移动速度v等于v₂，且v₁小于v₂，从v₁到v₂线性提高，并且，v₁=0，v₂=5~10毫米/秒。摆轴6转角为0°时，喷嘴4对准凸球面一侧边缘；摆轴6转角为90°时，喷嘴4对准凸球面中心；摆轴6转角为180°时，喷嘴4对准凸球面另一侧边缘。所述喷嘴4的移动有三种方式。一是喷嘴4自凸球面边缘向中心移动，见图2所示，在这一过程中，摆轴6转角从0°增大到90°，喷嘴4移动速度v从v₁提高到v₂。二是喷嘴4自凸球面中心向边缘移动，见图4所示，在这一过程中，摆轴6转角从90°减小到0°，喷嘴4移动速度v从v₂降低到v₁。三是喷嘴4自凸球面一侧边缘经中心向另一侧边缘移动，见图5所示，在这一过程中，摆轴6转角从0°增大到180°，喷嘴4移动速度v从v₁提高到v₂再降低到v₁。

下面举例进一步说明本发明。光学元件7凸球面为球冠，曲率半径为150毫米，口径200毫米，底面朝下装夹于工件卡具1上。通过调整喷嘴位置调节机构9确定喷嘴4与凸球面的间隙为0.3毫米。光刻胶粘度37mPa·s。角位移传感器13将0°的角度信息传递给控制模块，见图5所示，控制模块同时向喷嘴阀门8、转动电机3、摆动电机12发出工作指令，此时喷嘴阀门8开启，喷嘴4以0.1毫升/秒的流量喷胶，转动电机3带动工件卡具1以45r/min的角速度ω旋转，摆动电机12驱动喷嘴4从移动速度v为v₁=0开始匀加速。当角位移传感器13将90°的角度信息传递给控制模块，控制模块同时向喷嘴阀门8、转动电机3、摆动电机12发出工作指令，其中向喷嘴阀门8、转动电机3发出的指令不变，向摆动电机12发出的工作指令则令摆动电机12驱动喷嘴4从移动速度v为v₂=7毫米/秒开始匀减速。当角位移传感器13将180°的角度信息传递给控制模块，控制模块同时向喷嘴阀门8、转动电机3、摆动电机12发出停止工作指令，喷嘴阀门8关闭，喷嘴4停止喷胶，摆动电机12停转，喷嘴4移动速度v降为v₁=0，在上述过程中，喷嘴4移动总弧长为220毫米；转动电机3带动工件卡具1以4000r/min角速度ω旋转1分钟，光刻胶固化，形成胶膜，胶膜厚度0.5μm，不均匀度5%，光刻胶的利用率接近100%。

Claims

1.一种在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置，工件卡具（1）的转轴（2）的轴线z呈垂直形态并由转动电机（3）驱动，喷嘴（4）由悬臂（5）吊装在工件卡具（1）上方，其特征在于，喷嘴（4）轴线与工件卡具（1）转轴（2）轴线z相交；悬臂（5）的摆轴（6）的轴线x与转轴（2）的轴线z正交。

2.根据权利要求1所述的在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置，其特征在于，喷嘴（4）为狭缝喷嘴，狭缝方向与喷嘴（4）移动方向一致；喷嘴（4）由喷嘴阀门（8）控制开喷与停喷，喷嘴阀门（8）是一种电磁阀；喷嘴（4）及喷嘴阀门（8）通过喷嘴位置调节机构（9）与悬臂（5）连接，喷嘴位置调节机构（9）通过螺纹结构在喷嘴（4）轴线方向上调节喷嘴（4）位置。

3.根据权利要求1所述的在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置，其特征在于，蜗轮（10）安装在悬臂（5）的摆轴（6）上，摆动电机（12）驱动蜗杆（11），通过蜗轮（10）控制摆轴（6）的摆动，摆动电机（12）为调速电机。

4.根据权利要求1所述的在凸球面上扫描喷涂光刻胶的装置，其特征在于，角位移传感器（13）安装在摆轴（6）一端；喷嘴阀门（8）、转动电机（3）、摆动电机（12）、角位移传感器（13）分别与控制模块电连接，控制模块由单片机担当；控制模块接收来自角位移传感器（13）的摆轴（6）转角信息，摆轴（6）转角范围为0~180°；控制模块根据接收的摆轴（6）转角信息同时向喷嘴阀门（12）、转动电机（3）、摆动电机（12）发出工作指令。

5.一种在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法，光学元件（7）由工件卡具（1）夹持，工件卡具（1）以角速度ω旋转；喷嘴（4）接近光学元件（7）表面，绕摆轴（6）的轴线x移动同时恒流量喷胶，其特征在于，光学元件（7）的待涂胶面为凸球面，凸球面球心位于工件卡具（1）的转轴（2）的轴线z与悬臂（5）的摆轴（6）的轴线x的交点O，凸球面为半球或者球冠，其底面呈水平状态；喷嘴（4）在过轴线z并与轴线x垂直的平面y-z内移动，移动轨迹为圆弧，该圆弧曲率中心位于凸球面球心，该圆弧曲率半径r₂大于凸球面曲率半径r₁的部分为喷嘴（4）与凸球面的间隙；喷嘴（4）对准凸球面边缘时，其移动速度v等于v₁，喷嘴（4）对准凸球面中心时，其移动速度v等于v₂，且v₁小于v₂，从v₁到v₂线性提高。

6.根据权利要求5所述的在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法，其特征在于，角速度ω在30～60r/min范围内确定；喷胶流量在0.05~0.3毫升/秒范围内确定；凸球面的曲率半径为100~200mm；喷嘴（4）与凸球面的间隙在0.1~0.5毫米范围内通过调整喷嘴位置调节机构（9）确定；v₁=0，v₂=5~10毫米/秒。

7.根据权利要求5所述的在凸球面上扫描喷涂光刻胶的方法，其特征在于，摆轴（6）转角为0°时，喷嘴（4）对准凸球面一侧边缘；摆轴（6）转角为90°时，喷嘴（4）对准凸球面中心；摆轴（6）转角为180°时，喷嘴（4）对准凸球面另一侧边缘；所述喷嘴（4）的移动有三种方式：一是喷嘴（4）自凸球面边缘向中心移动，在这一过程中，摆轴（6）转角从0°增大到90°，喷嘴（4）移动速度v从v₁提高到v₂；或者喷嘴（4）自凸球面中心向边缘移动，在这一过程中，摆轴（6）转角从90°减小到0°，喷嘴（4）移动速度v从v₂降低到v₁；或者喷嘴（4）自凸球面一侧边缘经中心向另一侧边缘移动，在这一过程中，摆轴（6）转角从0°增大到180°，喷嘴（4）移动速度v从v₁提高到v₂再降低到v₁。