CN107131838B - 基于可调制lcd掩模的多码道光栅尺的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，包括以下步骤：掩模板的预处理：在长方形LCD掩模板的正面靠近四个角的地方形成带有十字图样和光栅条纹图样的绝对对正标记；曝光前的准备：对整个光栅基材进行清洗、溅射、前烘和涂胶的光刻前的准备工作；掩模图形的调制；单步曝光；多步连续曝光；光栅基材的图形化。本发明工艺简单，成本低廉，可以制造较长的多码道光栅尺。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造技术领域，特别是涉及一种基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法。
背景技术
精密计量光栅，作为一种测量长度大，分辨率高，抗干扰能力强的位移检测装置，是超精密数控加工机床的核心功能部件之一，其应用领域不断向超精密(光栅结构周期达到亚微米)、大行程(长度达米级以上)定位检测延伸，因而对其制造工艺提出了严重挑战。
目前，用于位移计量的光栅尺，主要包括增量式光栅和绝对式光栅两种。增量式光栅尺具有周期性的光栅结构，栅距可以达到1微米以下，并且具有成熟的细分技术，可以达到1纳米的分辨率，但在掉电后不能马上识别出真实的位置信息。绝对式光栅尺不具有周期性的光栅结构，但其表面图形遵循一定的编码方法，可以通过解码的方式读出位移信息，在掉电后可以识别真实的位置信息，但往往不可细分或细分倍数较低，分辨率不可与增量式光栅相比。因此，在实际应用时，往往将两种光栅尺的优点结合起来，这样，就使得同时包含一个绝对式码道和一个增量式码道的二码道光栅正式走向商用，并且为了进一步提高精度和分辨率，有向三码道甚至更多码道发展的趋势。
LCD（Liquid Crystal Display），即液晶显示器，控制简单，操作方便，可以通过编程，调制任意单个像素上的图形显示，并且可以通过一定的技术手段控制其对某一特定波长光波的透过特性。随着近几年集成电路技术突飞猛进的发展，LCD已经可以达到极高的分辨率：2014年3月，日本JDI公司宣布旗下的5.5英寸2560x1440的显示屏开始出货，该屏幕单个像素的边长约为44微米。虽然到目前为止，大尺寸LCD屏幕单个像素边长还并未达到微米级及以下，但其不断提高的分辨率和可编程调制显示图样的特点，为在光刻工艺中制作特征尺寸较大的微米级结构使用LCD作为掩模提供了可能。
为了制造同时含有连续绝对码道和连续增量码道的多码道光栅尺，现在采用的的方法主要有刻划法和多掩模光刻法。采用刻划法比较费时，且调节对正困难，采用多掩模光刻法则由于需要准备多套掩模板，工艺复杂，成本较高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，工艺简单，成本低廉，可以制造较长的多码道光栅尺。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，包括以下步骤：
（1）掩模板的预处理：在长方形LCD掩模板的正面靠近四个角的地方形成带有十字图样和光栅条纹图样的绝对对正标记；
曝光前的准备：对整个光栅基材进行清洗、溅射、前烘和涂胶的光刻前的准备工作；
（3）掩模图形的调制：利用计算机控制LCD掩模板，使LCD掩模板显示所需的光栅条纹图样，利用高倍数数码光学显微镜观察条纹图样与绝对对正标记的图样，若光栅条纹图样与绝对对正标记的光栅图样栅线方向不一致，则调节LCD掩模板所显示的光栅条纹图样，直到其栅线方向与绝对对正标记的栅线方向一致；
（4）单步曝光：利用调整装置调节好LCD掩模板与光栅基材的相对位置，利用临近式紫外曝光光刻技术，对光栅基材上的抗蚀剂层进行曝光，曝光后，保护好光栅图形区，只对对正标记进行显影；
（5）多步连续曝光：移动曝光光源或光栅基材，重复步骤（3）和（4）多次，直到对整个光栅基材上的抗蚀剂层完成曝光；
（6）光栅基材的图形化：对经过步骤（5）后的光栅基材整体进行显影和腐蚀的工艺处理，形成最终的光栅尺。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中利用激光蚀刻或ICP蚀刻的方法，在长方形LCD掩模板的正面靠近四个角的地方形成带有十字图样和光栅条纹图样的绝对对正标记。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的长方形LCD掩模板对角线尺寸为2~10英寸，LCD掩模板在通电并进行调制后，LCD掩模板的透光区对小于500nm波长的紫外光具有高透过性，分辨率高于2560×1440，单个像素的边长小于50微米，作为绝对对正标记的十字图样的长和宽均介于0.5mm~5mm间。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中的光栅基材为微晶玻璃或低热膨胀系数的殷钢。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（3）中LCD掩模板显示的光栅条纹图样，包括N个码道，N<1000，每个码道上所显示的光栅条纹图样是具有周期特征的增量式光栅图样，或是不具有周期特征但符合一定编码规则的绝对式光栅图样，或者是具有周期特征的增量式光栅图样和不具有周期特征但符合一定编码规则的绝对式光栅图样，所有光栅条纹图样的栅线方向保持一致。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（4）中所用的曝光光源为具有365nm波长的I线光源或紫外光源。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（4）中的抗蚀剂层为UV光固化胶。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（5）中在重复步骤（4）时，利用LCD掩模板上的绝对对正标记与光栅基材上显影出来的对正标记进行对正调整。
本发明的有益效果是：本发明工艺简单，成本低廉，掩模图形可调制，可以制造较长的多码道光栅尺。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明的LCD掩模版对正标记图；
图2是经步骤（2）曝光前的准备后光栅基材的状态图；
图3是曝光原理图；
图4是经过调制后的LCD掩模板图形图；
图5是经过步骤（4）单步曝光后光栅基材的表面状态图。
附图中各部件的标记如下：1、LCD掩模板，2、光栅基材，3、Cr层，4、EPG-533正胶层，5、高倍数数码光学显微镜，6、调整装置，7、曝光光源。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图5，本发明实施例包括：
一种基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，包括以下步骤：
（1）掩模板的预处理：
如图1，采用对角线尺寸为5.5英寸的长方形LCD掩模板1，其长度为111.76mm，宽度为83.28mm，分辨率为2560×1440，长度方向单个像素的边长为43.6μm，该LCD掩模板1通电并进行调制后，其透光区对小于500nm波长的紫外光具有高透过性；利用激光蚀刻的方法，在LCD掩模板1的正面靠近四个角的地方形成带有十字图样和光栅条纹图样的绝对对正标记1-T，其中图1黑色部分为蚀刻掉的部分，4个对正标记区1-1、1-2、1-3和1-4具有相同的对正标记1-T，每一个区域的长和宽为5mm×5mm；对于对正标记1-T，其十字图样居中偏下，长和宽为0.5mm×0.5mm，其光栅条纹图样整体偏上，占空比为1：1，周期为两个像素的边长，即87.2μm。
（2）曝光前的准备：
如图2，采用微晶玻璃作为光栅基材2，用无水乙醇对整个光栅基材2进行清洗后溅射一层200nm厚的Cr层3，溅射后用250°的温度前烘10分钟，最后利用提拉法在Cr层3上涂布1μm厚的EPG-533正胶层4。
（3）掩模图形的调制：
利用计算机控制LCD掩模板1，使LCD掩模板1显示所需的4个码道的光栅条纹图样，暗线为不透光，明线为全透光；该光栅条纹图样包括2条占空比为1：1，周期为87.2μm的增量式光栅图样码道1-5和1-6，以及两条最小特征尺寸为LCD掩模板1的一个像素边长，即43.6μm的绝对式光栅图样码道1-7和1-8，所有光栅图样的栅线方向保持一致，绝对式光栅图样符合一定的编码规则；利用可调节移动的高倍数数码光学显微镜5观察光栅条纹图样与绝对对正标记的图样，若光栅条纹图样与绝对对正标记的光栅图样栅线方向不一致，则调节LCD掩模板1所显示的光栅条纹图样，直到其栅线方向与绝对对正标记的栅线方向一致。完成后的图形，如图4 。
（4）单步曝光：
如图3 ，利用调整装置6调节好LCD掩模1与光栅基材2的相对位置，利用临近式紫外曝光光刻技术，采用具有365nm波长的I线光源7对光栅基材2上的EPG-533正胶层4进行曝光，曝光后，保护好光栅基材2上的图形区2-5，只对对应于LCD掩模板1对正标记区1-1、1-2、1-3和1-4的区域进行显影，在光栅基材2上形成潜像对正标记区2-1、2-2、2-3和2-4，由于是第一次曝光所形成的图形，将潜像对正标记区标号为2-1-1、2-1-2、2-1-3和2-1-4，将图形区标号为2-1-5，对于后续步骤中的第N次曝光，以此类推。完成后的图形如图5。
（5）多步连续曝光：
移动曝光光源7或光栅基材2，重复步骤（3）和（4）多次，直到对整个光栅基材上的抗蚀剂层完成曝光，在重复步骤（4）时，利用LCD掩模板1上的绝对对正标记1-1和1-2与光栅基材上显影出来的对正标记2-N-3和2-N-4进行对正调整，对正时，1-1应与2-1-3对正，1-2应与2-N-4对正，N为曝光次数。
（6）光栅基材的图形化：对经过步骤（5）后的光栅基材整体进行显影和腐蚀的工艺处理，形成最终的光栅尺。
对经过步骤（5）后的光栅基材2整体，用质量百分比浓度为0.5%的氢氧化钠溶液进行显影处理，之后用质量百分比浓度为0.8%硝酸铈铵溶液对Cr层3进行腐蚀工艺处理，形成最终的带有连续绝对式码道和连续增量式码道的4码道光栅尺。
而实际中其码道的数量可以是任意多个，绝对式码道和增量式码道可以是连续的，也可以是不连续的，其相互排列也可以是任意的，均可依据所需设定。
本发明基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法的有益效果是：本发明工艺简单，成本低廉，掩模图形可调制，可以制造较长的多码道光栅尺。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）掩模板的预处理：在长方形LCD掩模板的正面靠近四个角的地方形成带有十字图样和光栅条纹图样的绝对对正标记；
（2）曝光前的准备：对整个光栅基材进行清洗、溅射、前烘和涂胶的光刻前的准备工作；
（3）掩模图形的调制：利用计算机控制LCD掩模板，使LCD掩模板显示所需的光栅条纹图样，利用高倍数数码光学显微镜观察条纹图样与绝对对正标记的图样，若光栅条纹图样与绝对对正标记的光栅图样栅线方向不一致，则调节LCD掩模板所显示的光栅条纹图样，直到其栅线方向与绝对对正标记的栅线方向一致；
（4）单步曝光：利用调整装置调节好LCD掩模板与光栅基材的相对位置，利用临近式紫外曝光光刻技术，对光栅基材上的抗蚀剂层进行曝光，曝光后，保护好光栅图形区，只对对正标记进行显影；
（5）多步连续曝光：移动曝光光源或光栅基材，重复步骤（3）和（4）多次，直到对整个光栅基材上的抗蚀剂层完成曝光；
（6）光栅基材的图形化：对经过步骤（5）后的光栅基材整体进行显影和腐蚀的工艺处理，形成最终的光栅尺。
2.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（1）中利用激光蚀刻或ICP蚀刻的方法，在长方形LCD掩模板的正面靠近四个角的地方形成带有十字图样和光栅条纹图样的绝对对正标记。
3.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（1）中的长方形LCD掩模板对角线尺寸为2~10英寸，LCD掩模板在通电并进行调制后，LCD掩模板的透光区对小于500nm波长的紫外光具有高透过性，分辨率高于2560×1440，单个像素的边长小于50微米，作为绝对对正标记的十字图样的长和宽均介于0.5mm~5mm间。
4.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（2）中的光栅基材为微晶玻璃或低热膨胀系数的殷钢。
5.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（3）中LCD掩模板显示的光栅条纹图样，包括N个码道，N<1000，每个码道上所显示的光栅条纹图样是具有周期特征的增量式光栅图样，或是不具有周期特征但符合一定编码规则的绝对式光栅图样，或者是具有周期特征的增量式光栅图样和不具有周期特征但符合一定编码规则的绝对式光栅图样，所有光栅条纹图样的栅线方向保持一致。
6.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（4）中所用的曝光光源为具有365nm波长的I线光源或紫外光源。
7.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（4）中的抗蚀剂层为UV光固化胶。
8.根据权利要求1所述的基于可调制LCD掩模的多码道光栅尺的制造方法，其特征在于，步骤（5）中在重复步骤（4）时，利用LCD掩模板上的绝对对正标记与光栅基材上显影出来的对正标记进行对正调整。
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