CN103472683A - 数字光刻微雕的制作装置及其雕刻制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开数字光刻微雕的制作装置及其雕刻制作方法，它采用DMD取代传统光刻技术中的固定的掩模版。由于DMD具有空间调制特性，能生成与原版字画等艺术品一致的图案或文字，再根据光刻镜头（缩微物镜）的光学成像原理，即可将整版图像微缩到涂覆有光刻胶的玻璃上。结合湿法光刻工艺，将所得图像最终转印到能够长久保存的真空镀铬金属膜的玻璃基材上，使得该微雕工艺的制作周期较之于传统的手工微雕工艺制作周期要缩短很多。该微雕制作装置与制作方法克服了传统手工微雕工艺品图样失真、成品率低、甚至功亏一篑等诸多缺点，是一种在微雕技术中具有创新的制作装置与制作方法。

Description

数字光刻微雕的制作装置及其雕刻制作方法

技术领域

本发明涉及一种数字光刻微雕的制作装置及雕刻制作方法。

背景技术

传统的微雕艺术作品都是手工雕刻而成，以字画居多，且精细微小的结构给微雕艺术工作者们带来极大的挑战，完成一件微雕艺术作品往往需要花费较长的制作周期。由于微雕技艺与所用的材料等原因，目前大部分微雕艺术作品容易失真。因此，能够在短时间内制作出不易失真的微雕艺术品，具有广阔的艺术和商业价值。

在激光彩虹全息图的制作过程中，不仅需要价格昂贵的紫光激光器，而且必须在全息平台上搭建复杂的记录光路，在记录光路中适当的位置上还需使用狭缝等许多光学元件和调节装置，不仅光路的排布繁琐，而且狭缝的设置限制了物光波能量的利用率。因此，激光彩虹全息图的制作方法不适用于微雕工艺制作系统。而传统手工微雕工艺不仅雕刻工艺品的周期长，成本高，而且雕刻质量和成品率也较低。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种数字光刻微雕的制作装置及雕刻制作方法，它具有制作周期短，成品率高和操作简单方便的优点。

本发明是这样来实现的，一种数字光刻微雕的制作装置，它包括紫光半导体激光器、反射镜、扩束镜、准直透镜、光束提升器、数字微镜器件（DMD）、缩微物镜、光刻胶版、三维精密电控平移台和计算机，其特征在于数字微镜器件连接计算机，计算机将图形或文字输送到数字微镜器件，并使得图像或文字在数字微镜器件和计算机屏幕上的相对分辨率一致，通过三维精密电控平移台控制各个部件的位置，使得从紫光半导体激光器发射的激光束先通过反射镜反射，然后经过扩束镜和准直透镜后，照射到一个光束提升器上，光束提升器使准直后的激光束与数字微镜器件的平面法线成20°角入射，从数字微镜器件发出的+1级的出射光作为物光波，它经过与其同轴的缩微物镜后，照射到光刻胶版上，使得数字微镜器件上的图形或文字在光刻胶版上形成“潜像”；所述的缩微物镜倍率为10～20倍缩微物镜；所述数字微镜器件由若干铝质微反射镜片按照紧密排列组成，并且相互之间仅有很小间隔，经过缩微物镜成像后所形成的衍射光栅就能达到一种彩虹的效果。一种数字光刻微雕的制作装置的雕刻制作方法，它包括以下步骤：基片预处理→旋转涂胶→前烘→曝光→后烘→显影→坚膜→铬刻蚀→玻璃刻蚀→去胶→二次铬刻蚀→微雕成品。

本发明的技术效果是：本发明设计出一种基于数字微镜器件的空间调制特性，生成与原版字画等艺术品一致的图案，再利用缩微物镜系统的光学成像原理，结合湿法光刻工艺的方法，将整版图形微缩到涂覆有光刻胶的真空镀金属膜的硬质基材上。本发明可以使得这种微雕工艺品的制作周期较之于传统的手工微雕工艺品的制作周期要短得多，而且，该微雕制作方法克服了手工微雕工艺品图样失真、成品率低、甚至功亏一篑的诸多缺点。它的优点是：（1）结合了湿法光刻工艺的方法，将所得图像最终转印到能够长久保存的基材上；（2）使得该微雕工艺品的制作周期较之于传统的手工微雕工艺品制作周期要缩短很多；（3）该微雕制作方法克服了手工微雕工艺图样失真、成品率低的诸多缺点。本发明在光路设置中无需狭缝、无需参考光。利用自制的数字光刻微雕实验装置，可以做到整版图形微缩，且制作周期短。

附图说明

图1为数字光刻微雕的制作装置的结构示意图。

图2数字光刻微雕的制作方法工艺流程图。

图3 为玻璃基材上的光刻微雕原图。

图4 为玻璃基材上的光刻微雕微缩后的阵列图。

图5 为玻璃基材上的光刻微雕单个显微放大图。

在图中，1、紫光半导体激光器   2、反射镜  3、扩束镜  4、准直透镜  5、光束提升器  6、数字微镜器件  7、缩微物镜  8、光刻胶版  9、三维精密电控平移台  10、计算机。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明做进一步阐述；

本发明利用图像处理软件，将计算机10内的图像（数码相机拍摄的照片或者图像设计软件制作出的图像）的分辨率设置成与数字微镜器件6（DMD）的相对分辨率一致。由图1所示，紫光半导体激光器1（激光器）发出的激光束经过反射镜2、扩束镜3和准直透镜4后，照射到一个光束提升器5上，光束提升器5能够使准直后的激光束与DMD平面法线成20°角入射，当与图像像素相对应的DMD像素微镜处于开态（+1级）时，从DMD面上反射出的光束与缩微物镜7、光刻胶版8同轴。由于DMD的+1级的光波复振幅分布与所显示的图像相一致，因此用+1级的出射光作为物光波。将所需的微雕图案通过计算机10输入到DMD上，经过倍率为10～20的缩微物镜7缩微到光刻胶版8上；

数字微镜器件6（DMD）由几十万至几百万个微小铝质反射镜片按照一定的行数、列数紧密排列组成，并且相互之间仅有很小的间隔，因此具有独特的光栅性质。如图1所示，用缩微物镜7进行缩微成像时，在缩微物镜7的后焦平面上，即频谱面上，会出现排列成二维阵列形式的衍射频谱级。当频谱面中的各级频谱继续向前传播，直至在像面重合成与DMD上所显示的与原版一致的图像。

数字光刻微雕的制作方法，以在镀铬金属膜光刻胶版制作微雕为例来详细阐述其工艺流程：如图2所示，

基片预处理—→旋转涂胶—→前烘—→曝光—→后烘—→显影—→坚膜—→铬刻蚀—→玻璃刻蚀—→去胶—→二次铬刻蚀—→微雕成品；

1、基片预处理:首先将玻璃板放在浓度为5%的NAOH溶液中清洗1分钟，用清水冲洗干净后再将玻璃板放进超声波清洗机里清洗45～60秒钟，再用清水冲洗干净，直至玻璃表面的水膜不破裂；

清洗后干净的玻璃片要即刻进行干燥处理，用压缩空气将玻璃表面的水分吹干，防止表面有水渍产生。为防止干燥不彻底，还需将玻璃板再放进100～110oC的烘箱中烘2分钟，使得玻璃表面在涂覆光刻胶前保持干燥以增强粘附力。放在烘箱中20～25oC室温下风冷1～2分钟后取出，将玻璃板立刻涂胶。

2、旋转涂胶：试验使用的甩胶设备是自动匀胶机，使用的记录介质是正性光刻胶。涂胶时，把镀铬金属膜玻璃板放置在真空吸附托盘上，先低速旋转10秒钟，让光刻胶扩散开来，然后高速旋转20秒钟，使得光刻胶均匀地粘附在基片表面。基片表面光刻胶的厚度主要与光刻胶的粘稠度和涂胶时的转速来决定：在匀胶机4000转/分的情况下，光刻胶的厚度仅为1.0μm；

3、前烘：将涂好胶的镀铬金属膜光刻胶板放到烘箱里面，将烘箱温度调至110oC，烘5分钟。以使光刻胶膜充分干燥来增加光刻胶的粘附性和耐磨性，从而增加曝光时的光吸收并提高胶的抗腐蚀能力；

4、曝光：包括对准和曝光。对准是使掩模版上的图形和甩了胶的玻璃板紧密贴合。试验使用的光源是紫光半导体激光，曝光的方式为数字光刻微雕反射式制作光路，利用计算机生成的图形输入DMD，使其+1级衍射波通过缩微物镜直接成像在像面的镀铬金属膜光刻胶板上；

5、后烘：曝光后，需要对曝了光的镀铬金属膜玻璃板进行烘烤，即曝光后烘，主要是降低曝光时产生的驻波效应。驻波是由于曝光时入射波和玻璃板上反射波产生了干涉引起的；

而由于烘烤时高温导致感光剂在光刻胶中扩散，从而使得曝光区与非曝光区的边界变得比较均匀；

6、显影：将曝光后烘冷却后的玻璃板取出来，在钠黄光（单色光）的环境下进行显影。试验中使用的是正性光刻胶，通过显影后，曝光的部分由于吸收了光，光刻胶变成可溶性的被溶解掉。所以曝光部分的光刻胶被去掉，而未曝光的部分被留下。显影时间选择要合适，显影时间过长会造成光刻胶的溶解过度，会导致一些图形的不完整甚至改变图形原来的形状，达不到整版缩微的目的。相反，如果显影不足就会导致在有图案的部分还有胶剩余，这样会在刻蚀的时候刻不完整甚至缺失部分图案。所以要掌握好显影时间和显影温度显影环节中至关重要。试验中使用的显影液是浓度为3.5‰的NaOH溶液。显影液温度的最佳范围是21oC~23oC。显影时间为30～40秒，最后用温水定影即可；

7、坚膜：就是将显影后的镀铬金属膜玻璃板进行烘干处理。镀铬玻璃板在显影后，必须再经过一次烘干处理，以加强显影后胶膜与镀铬玻璃板之间的附着力，从而使得光刻胶能够在腐蚀的时候真正起到保护所生成图形的作用。坚膜的温度和时间的选择也要合适。本实验采用的是将镀铬玻璃板放在110 oC的烘干器中烘2分钟；

8、铬刻蚀：其目的是将光刻胶上的图像最终转移到镀铬玻璃板上。试验中刻蚀采用的是湿法刻蚀。主要将硝酸铈铵、浓度为98%的醋酸和去离子水按7:1:30的体积比混合配成溶液进行化学刻蚀，刻蚀温度为21oC~23oC ，刻蚀时间为40-50秒，注意控制好每次的刻蚀温度和刻蚀时间；

9、玻璃刻蚀：刻蚀的结果是将图案转到玻璃基片上。决定玻璃刻蚀结果的主要是刻蚀时间、刻蚀溶液以及刻蚀温度。尤其刻蚀时间一定要把握好。本试验的刻蚀溶液的配置：取出氢氟酸5ml加入95ml去离子水稀释，再取氟化铵3.7克加入100ml去离子水中溶解，最后将二者溶液混合。玻璃刻蚀时间为40-50秒，温度控制在21oC~23oC最佳；

10、去胶：镀铬玻璃板刻蚀以后，接下来进行去胶。试验使用的是溶剂去胶的方法。在室温的条件下，将刻蚀后的镀铬玻璃板放在NaOH溶液中浸泡1分钟以上即可去除镀铬玻璃板表面的光刻胶残余胶。其中去胶液是浓度为5%的NaOH溶液；

11、二次铬刻蚀：玻璃刻蚀后，将在第一次铬刻蚀的时候被胶保护的铬金属薄膜再去掉，最终得到玻璃上的图案。去铬溶液配方和步骤8的溶液配方一样。去铬时间为直到铬金属膜彻底脱去为止；

若数字微雕图形直接生成在玻璃板表面的光刻胶上，图像的精细结构和层次受曝光量的影响较大，可能使得微雕作品的细节表现有一定难度，为此，使用在玻璃板上先真空蒸镀一层金属薄膜，如铬膜等，然后在铬金属膜玻璃板上涂覆光刻胶，经过二次铬刻蚀和玻璃刻蚀，按上述工艺流程，最终在玻璃板上可得到图像清晰的微雕成品，图案或文字最终保留在玻璃片基上。实施中设计的光刻微雕原图如图3，通过本发明以及本发明的雕刻制作方法得到的光刻微雕缩微后的阵列图和光刻微雕显微放大图分别如图4和图5所示，通过附图4和附图5与附图3对比可以看出，本发明雕刻清晰，微雕成品质量好。

Claims (4)

1.一种数字光刻微雕的制作装置，它包括紫光半导体激光器、反射镜、扩束镜、准直透镜、光束提升器、数字微镜器件、缩微物镜、光刻胶版、三维精密电控平移台和计算机，其特征在于数字微镜器件连接计算机，计算机将图形或文字输送到数字微镜器件，并使得图像或文字在数字微镜器件和计算机上的分辨率一致，通过三维精密电控平移台控制各个部件的位置，使得从紫光半导体激光器发射的激光束先通过反射镜反射，然后经过扩束镜和准直透镜后，照射到一个光束提升器上，光束提升器使准直后的激光束与数字微镜器件的平面法线成20°角入射，从数字微镜器件发出的+1级的出射光作为物光波，它经过与其同轴的缩微物镜后，照射到光刻胶版上，使得数字微镜器件上的图形或文字在光刻胶版上形成“潜像”。

2.如权利要求1所述的一种数字光刻微雕的制作装置，其特征在于所述的缩微物镜倍率为10～20倍缩微物镜。

3.如权利要求1所述的一种数字光刻微雕的制作装置，其特征在于所述数字微镜器件由若干铝质反射镜片紧密排列组成，并且相互之间有间隔。

4.一种数字光刻微雕的制作装置的雕刻制作方法，其特征在于所述雕刻制作方法包括以下步骤：基片预处理→旋转涂胶→前烘→曝光→后烘→显影→坚膜→铬版刻蚀→玻璃刻蚀→去胶→二次铬刻蚀→微雕成品。

Images