CN104808271A

CN104808271A - 基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法

Info

Publication number: CN104808271A
Application number: CN201510184099.XA
Authority: CN
Inventors: 房飞宇; 陈新; 王晗; 陈新度; 刘强; 吕元俊; 李克天
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104808271B

Abstract

本发明公开了基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，栅线掩膜制造装置包括控制系统，热源，接收平台，热电材料，挤出平台，供液装置。光栅制造方法，步骤为：1）将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；2）制造掩膜；3）形成保护膜；4）去除掩膜，清洗，在保护膜上形成栅线结构的凹槽即可。本发明的光栅制造方法，可以避免传统近场电纺直写技术的相关缺点：例如电压阀值高，多针头直写的时候，容易产生干涉现象，以及容易产生简短放电现象，且所得掩膜的精度不高等。另外，本发明的光栅制造方法，不涉及化学腐蚀过程，工艺绿色简单且成本较低。

Description

基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法

技术领域

本发明涉及基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法。

背景技术

光栅由平行排列的多条栅线构成的光学器件，广泛应用在光学系统中，作为核心器件发挥着色散、偏振、分束等重要作用。尤其是在高端精密制造装备中，已广泛应用于精密位移测量、角度测量。其是数控加工、微电子制造等高端装备制造领域的核心器件。

随着微纳加工技术的不断进步，光栅的工作波长从微米级已经发展到亚微米甚至纳米级，现有技术中，光栅的制作方法包括机械刻划、纳米压印、全息光刻、X射线和电子束光刻、UV-LIGA制造等。机械刻划技术制作光栅，栅线密度无法提得太高，且由于附加切削力的影响，容易造成光栅刻划质量下降；纳米压印具有高分辨率、高可控性、低成本的优点，但在加工过程中压印辊的旋转周期会存在狭缝区域，图形连续性遭到破坏，大量程光栅的加工速度难以提升；全息光刻系统非常昂贵、复杂，制备纳米图案的光刻工艺条件苛刻；X射线和电子束光刻制作的光栅面积小、成本高、制作周期较长，难以实现大面积、高效率的光栅制造；利用UV-LIGA技术制备光栅，光栅胶膜显影困难，光栅结构栅条线宽与电镀之前胶模沟槽线宽存在尺寸偏差，印制成品率低，成型速度慢，生产周期长，特别是在光刻工艺的曝光环节中，曝光剂量会极大的影响曝光质量，容易出现胶模倒塌、脱落、显影结构变形粘连等现象，在微细电铸过程中存在光栅结构粘连，印制成品率低的问题；传统光栅制造工艺的局限性导致的尺寸和精度不足，已经无法满足各领域对高精度的光栅的需求。

专利CN103900480A中，提出了一种利用电纺直写技术的光栅尺制造装置及其方法，但是该方法需要预先对光栅基底进行镀铬，然后电纺栅线图案作为保护层，且仍然需要附加的化学腐蚀过程，将不需要的部分腐蚀去除。该工艺具有以下缺点：

过程相对复杂，刻蚀过程需要额外的设备且化学腐蚀过程不环保；

且由于化学腐蚀本身工艺的局限性，其刻蚀精度受到侧蚀量、蚀刻速度等影响，要实现纳米精度刻蚀，效率低，难度大。

同时，由于没有给静电纺丝纤维添加保护层，在刻蚀过程中，容易将作为保护层的纤维和镀铬玻璃膜同时腐蚀，从而造成栅线边缘出现毛刺等不良影响，不能得到光滑平整的光栅栅线，甚至不能顺利获得栅线，极大地影响了光栅的光学性能，腐蚀工艺参数极难控制，产品的良品率低。

传统近场电纺直写采用“自上而下”的直写方式，喷头在上方，被直写基材在下方，溶液液滴悬挂在喷口处，在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力和重力的合力突破液滴的表面张力后，形成射流，利用射流进行直写。

但是，形成射流的电压阀值较高，较难准确匹配电压值、供液流量、射流流速、基板运动速度之间的最优关系，当关系不匹配时，容易造成泰勒锥变大、不稳定，从而给射流的精确定位沉积造成困难；且射流在运动过程中容易受多方面因素干扰，容易出现不稳定现象；再者，由于惯性、重力等因素影响，难以实现快速有效的射流启动和停止，给工业化应用造成困难；传统近场电纺直写只适合于单喷头直写，效率低下，当采用多喷头直写时，喷头与喷头之间的电场干涉严重，如何实现多喷头射流沉积定位控制和高精度图案化仍然是个挑战。另外，由于近场电纺直写技术固有的技术局限性，掩膜的高精度、阵列图案化仍然难以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法。

本发明所采取的技术方案是：

栅线掩膜制造装置，包括控制系统，热源，接收平台，热电材料，挤出平台，供液装置；

其中，控制系统分别与热源、接收平台、挤出平台、供液装置相连；

热源用于向热电材料提供热辐射以产生感生电场；

供液装置与挤出平台相连并用于向挤出平台提供流动态高分子材料；

挤出平台用于向接收平台输出流动态高分子材料；

接收平台用于接收流动态高分子材料。

所述的挤出平台上设有多个输出口。

所述的热电材料与挤出平台紧密相连。

所述的供液装置通过多个管道与挤出平台相连。

所述的接收平台为光栅母板。

基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，步骤为：

1）利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的微纳栅线几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；

2）利用上述装置，控制系统控制热源开启，在热源辐射作用下，热电材料产生感生电场，同时，供液装置向挤出平台提供流动态高分子材料，流动态高分子材料在感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与光栅母板接触；

3）根据轮廓数据和填充数据，使得挤出平台与光栅母板之间保持设定的相对运动速度与设定的距离，使流动态高分子材料在光栅母板上形成微/纳米级纤维掩膜；

4）在带有掩膜的光栅母板上形成一层保护膜；

5）去除光栅母板上的掩膜，清洗，在保护膜上形成栅线结构的凹槽即可。

步骤2）中，所述的流动态高分子材料为下列熔融态的高分子材料中的至少一种：PCL、PLA、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、PMMA、ABS、PAM、ACR、EP、PP、PE；或者为下列高分子材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态高分子材料：PEO、PLGA、PVDF。

步骤3）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出平台与光栅母板在Z轴方向的距离与在XY平面内的相对运动速度。

所述的保护膜为铝膜。

铝膜的形成方法为气相沉积。

本发明的有益效果是：

本发明的光栅制造方法，可以避免传统近场电纺直写技术的相关缺点：例如电压阀值高，多针头直写的时候，容易产生干涉现象，以及容易产生尖端放电现象，且所得掩膜的精度不高等。另外，本发明的光栅制造方法，不涉及化学腐蚀过程，工艺绿色简单且成本较低。

具体来说：

本发明的装置采用热感生电场代替高压电场，可以避免近场电纺直写喷头离基板距离近时容易产生尖端放电现象，且直写过程更安全；

使用平板带孔的挤出板代替传统静电纺丝的针头，电场分布情况更集中，产生泰勒锥尖需要的感生电压阀值更小，且能适用于多射流直写，而不会出现传统多针头静电纺丝的干涉现象，可以同时直写多条栅线掩膜，效率更高；

直写过程相比近场电纺更稳定，减弱了电纺过程中的射流不稳定性，直写栅线掩膜的精度更高；

避免了机械刻划光栅过程中，由于附加切削力导致的定位精度降低、基材变形、刀架系统颤振、刀具磨损导致的光栅质量下降等不利影响；

成型栅线尺寸不受喷头内径、刀具尺寸或光刻曝光光束限制；

不需要化学腐蚀过程和额外的刻蚀设备，制造工艺更简单，成本更低；

克服了化学腐蚀本身工艺的局限性，其栅线精度由镀膜技术决定，利用现有镀膜技术，极容易实现纳米精度镀膜，栅线成型效果好、质量高；

制造效率高，成本低，工艺参数容易控制，良品率高。

附图说明

图1是栅线掩膜制造装置的结构示意图。

图2为光栅制造流程图。

具体实施方式

如图1所示，栅线掩膜制造装置，包括控制系统1，热源2，接收平台3，热电材料4，挤出平台5，供液装置6；

其中，控制系统分别与热源、接收平台、挤出平台、供液装置相连；热源用于向热电材料提供热辐射以产生感生电场；供液装置与挤出平台相连并用于向挤出平台提供流动态高分子材料；挤出平台用于向接收平台输出流动态高分子材料；接收平台用于接收流动态高分子材料。

优选的，所述的挤出平台上设有多个输出口。

优选的，所述的热电材料与挤出平台紧密相连。

优选的，所述的供液装置通过多个管道与挤出平台相连。

优选的，所述的接收平台为光栅母板。

优选的，所述的热电材料为铁电晶体；更进一步优选的，为BaTiO₃、SrTiO₃、LiNbO₃中的一种；再进一步优选的，为LiNbO₃。

基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，步骤为：

4）在带有掩膜的光栅母板上形成一层保护膜；

优选的，步骤2）中，控制系统可以对热源辐射强度进行控制，进而控制热感生电场的强度大小，进一步的控制流动态高分子材料的流变拉伸速率；

优选的，步骤2）中，所述的流动态高分子材料为下列熔融态的高分子材料中的至少一种：PCL、PLA、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、PMMA、ABS、PAM、ACR、EP、PP、PE；或者为下列高分子材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态高分子材料：PEO、PLGA、PVDF。

优选的，步骤2）中，通过供液装置与挤出平台之间的多个管道，控制系统控制供液装置选择性的向挤出平台输出流动态聚合物材料；

优选的，步骤3）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出平台与光栅母板在Z轴方向的距离与在XY平面内的相对运动速度（未在图1中示出）。

优选的，所述的保护膜为铝膜；进一步优选的，铝膜的厚度为100-500nm。

优选的，铝膜的形成方法为气相沉积；进一步优选的，为以下的方法之一：真空蒸镀、溅射镀、等离子体镀膜、离子镀；

优选的，去除光栅母板上的掩膜的方法为下列方法中的至少一种：熔化、溶解、超声振动、分解。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例：

一种基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，包括以下步骤：

1）利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的栅线结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；

2）采用透明的导电ITO玻璃1（如图2）作为光栅母板，使用前先进行超声波清洗；

3）采用本发明的装置，利用热感生电场诱导流变直写技术在透明的导电ITO玻璃1上直写栅线掩膜图案2；

具体的：

3.1）将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)置于供液装置中，供液装置向挤出平台提供液态高分子材料；在热源辐射下，上方LiNbO₃晶体产生感生电场，使PLGA在热感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基板接触；由控制系统控制热源辐射强度，控制拉伸流变的速度；通过控制Z轴运动，调整挤出平台与接收平台的距离，控制直写纤维的直径；

3.2）采用数控X、Y轴精密移动平台控制接收基板，根据轮廓数据和填充数据进行运动，使挤出平台与接收平台的相对运动速度为35mm/s，配合运动控制程序在玻璃1上获得由微/纳米级纤维组成的几何图案结构2，通过控制程序控制热源的启停进而控制直写的启停，实现掩膜的制作；

4）利用多靶材溅射机在带有纤维掩膜的基材玻璃上溅射一层100nm厚度的铝膜3；

5）以丙酮为溶剂、配合超声清洗溶解纤维掩膜2，然后分别采用无水乙醇和去离子水、配合超声清洗对玻璃1进行清洗，在铝膜3上形成具有所需栅线结构的凹槽4，完成光栅制造。

Claims

1.栅线掩膜制造装置，其特征在于：包括控制系统，热源，接收平台，热电材料，挤出平台，供液装置；

热源用于向热电材料提供热辐射以产生感生电场；

挤出平台用于向接收平台输出流动态高分子材料；

接收平台用于接收流动态高分子材料。

2.根据权利要求1所述的栅线掩膜制造装置，其特征在于：所述的挤出平台上设有多个输出口。

3.根据权利要求1或2所述的栅线掩膜制造装置，其特征在于：所述的热电材料与挤出平台紧密相连。

4.根据权利要求1或2所述的栅线掩膜制造装置，其特征在于：所述的供液装置通过多个管道与挤出平台相连。

5.根据权利要求1所述的栅线掩膜制造装置，其特征在于：所述的接收平台为光栅母板。

6.基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，其特征在于：步骤为：

2）利用权利要求1或5所述的装置，控制系统控制热源开启，在热源辐射作用下，热电材料产生感生电场，同时，供液装置向挤出平台提供流动态高分子材料，流动态高分子材料在感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与光栅母板接触；

4）在带有掩膜的光栅母板上形成一层保护膜；

7.根据权利要求6所述的基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，其特征在于：步骤2）中，所述的流动态高分子材料为下列熔融态的高分子材料中的至少一种：PCL、PLA、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、PMMA、ABS、PAM、ACR、EP、PP、PE；或者为下列高分子材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态高分子材料：PEO、PLGA、PVDF。

8.根据权利要求6所述的基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，其特征在于：步骤3）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出平台与光栅母板在Z轴方向的距离与在XY平面内的相对运动速度。

9.根据权利要求6所述的基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，其特征在于：所述的保护膜为铝膜。

10.根据权利要求9所述的基于热感生电场诱导流变直写的光栅制造方法，其特征在于：铝膜的形成方法为气相沉积。