CN1223906C - 一种三维微结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维微结构的制作方法，该方法利用计算机产生的掩模图形对感光材料进行重复曝光后，移动曝光台，对感光材料的不同区域在进行曝光；最后显影，形成任意连续三维微结构。本发明能够制作总体面积大的微结构元器件，避免了传统曝光技术中昂贵费时的制版工艺，降低了微结构制作费用，且进一步提高了制作效率和制作精度。

Description

一种三维微结构的制作方法

技术领域

本发明涉及一种三维微结构的制作方法。

背景技术

近年来，随着微光学机械和微光机电系统的兴起，已发展了多种三维微结构的制作技术。现有的三维微结构微细加工技术源于大规模集成电路制造工艺，最具有代表性的有以下几种：

1978年出版的《光学工程》17卷570-573页“金刚石光学铣削的过去，现在和将来”公开了一种单点金刚石铣削方法(参考文献：“Dimond turningof optics：the past，the presaent，and the exciting future”，Opt.Eng，1978，Vol.17：570-573)。该方法制作的元件刻划精度高，但铣削残痕粒度大(大于10微米)，不适于制作短波长光学器件。

1997年出版的《应用光学》36卷20期第4675-4680页“在高能光敏玻璃上使用灰度掩模曝光技术单次曝光低成本批量制作多台阶衍射光学元件”公开的X光刻电铸成形技术(参考文献：“Cost-effecyive mass fabricationof multilevel diffractive optical element by use of a singleoptical exposure with a gray-scale mask on high-energybeam-sensitive glass”，Appl.Opt，1997，Vol.36，No.20：4675-4680)，只能产生台阶型的三维微结构，且存在需要多个掩模和多次套刻，工艺复杂，有套刻误差等缺陷，难以制作连续面形的三维结构。

1993年出版的《应用光学》32卷14期第2526-2533页“连续浮雕衍射光学二维列阵元件的制作”公开的电子束和激光束直写技术(参考文献：“Continuous-relief diffrative optical elements fortwo-dimentional array generation”，Appl.Opt.1993，Vol.32，No.14：2526-2533)，虽然能够调节辐射强度以产生连续曝光量分布，但曝光方式为逐点写入，制作效率低，设备昂贵且难以维护。

1996年出版的《国际光学工程协会会议录》2687卷142-149页“制作抛物面阵列的新方法”一文所公开的掩模移动法(参考文献：“Novelmethod for parabolic grating”，SPIE，1996，Vol.2687：142-149)，是利用二元掩模产生连续曝光量分布制作微结构。但该方法要求所需制作的微结构具有对称性，不能用于连续面形的成形，因此具有一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制作任意三维微结构的方法。

本发明的目的由以下技术措施实现：

制作三维微结构的方法通过以下步骤完成：

①通过计算机控制生成实时掩模图形；

②利用生成的实时掩模图形对感光材料进行第一次曝光，获得n＝1次曝光的曝光量累积；

③固定曝光台，刷新实时掩模图形，对感光材料进行第二次曝光，获得n＝2次曝光的曝光量累积；

④重复②~③的步骤，使曝光次数足够大，获得n＝N次曝光的曝光量累积；

⑤移动曝光台，使感光材料的另一曝光区域处于投影曝光镜头之下，重复①~④的步骤；

⑥显影，形成任意连续三维微结构。

为了完成该方法，本发明所使用的曝光装置包括投影曝光镜头、曝光台和计算机，作为实时掩模的电寻址(或光寻址)液晶光阀置于投影曝光镜头的上方，计算机控制产生的实时掩模图形通过电寻址(或光寻址)液晶光阀的通光单元，再经投影曝光镜头精缩至焦平面，曝光镜头的焦平面与感光材料的感光面重合，感光材料放置于曝光台上。

本发明与现有技术相比有以下优点：本发明利用实时掩模对感光材料进行投影曝光、显影的方法制作三维微结构。由于本发明利用实时掩模进行投影曝光具有光学并行特性，故曝光效率远高于激光/电子束直写系统。并且通过不断刷新掩模图形以及多次曝光后一次显影，避免了传统微结构制作中繁琐的套刻、对位工艺，进一步提高了制作效率；而且因此避免了传统微结构制作方法易产生的套刻、对准误差，故进一步提高了制作精度。

同时，由于本发明的实时掩模能够产生任意掩模图形，结合曝光时间的控制，能够形成任意曝光量分布，从而能形成任意连续三维微结构，使制作对象的结构不受限制。

本发明曝光装置的曝光台可以移动，结合实时掩模曝光方法，可使同一感光材料的不同区域产生不同曝光量分布，因此能够制作总体面积大的具有微细结构的元器件。

本发明曝光装置由计算机编程控制液晶光阀实时产生实时掩模，故节约了传统曝光技术中昂贵费时的制版工艺，降低了制作费用。

附图说明

图1为本发明制作三维微结构的曝光装置实施例的结构示意图；

图2为本发明制作三维微结构的方法实施例的工艺流程中，曝光次数n＝1时曝光的实时掩模示意图；

图3为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝1时的曝光量累积示意图；

图4为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝2时曝光的实时掩模示意图；

图5为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝2时的曝光量累积示意图；

图6为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝3时曝光的实时掩模示意图；

图7为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝3时的曝光量累积示意图；

图8为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝N时曝光的实时掩模示意图；

图9为制作方法的工艺流程中，曝光次数n＝N时的曝光量累积示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例中采用的曝光装置包括投影曝光镜头2、曝光台4和计算机5。作为实时掩模的电寻址(或光寻址)液晶光阀1置于投影曝光镜头2的上方。电寻址(或光寻址)液晶光阀1的各通光单元的开关由计算机5编程控制，起到掩模作用。液晶光阀1的每个通光单元对应掩模图形的一个抽样点。由于液晶光阀1的各个通光单元的开关情况能够根据需要不断刷新，故被称为实时掩模。投影曝光镜头2置于液晶光阀1的下方。实时掩模图形透过液晶光阀1的通光单元，再经投影曝光镜头2精缩至镜头焦平面。投影曝光镜头2的焦平面与感光材料3的感光面重合。感光材料3放置于曝光台4上。曝光台4可移动，因此使感光材料3的不同区域均可接受曝光。

如图2~图9所示，本发明制作三维微结构的方法的实施例各步骤如下：

①、固定曝光台4，通过计算机5控制生成实时掩模图形。

②、通过计算机5控制液晶光阀1的通光单元，使实时掩模图形透过液晶光阀1的通光单元，成像于投影曝光镜头2像面上的感光材料3上，并完成一次曝光；此时，曝光次数n＝1，曝光的实时掩模示意图如图2所示，曝光量累积示意图如图3所示。

③、曝光台4固定不动，刷新实时掩模图形，再进行第二次曝光。此时，曝光次数n＝2，曝光的实时掩模示意图如图4所示，曝光量累积示意图如图5所示。

④、重复②~③，经过多次往复，即经过n＝3(曝光次数n＝3的实时掩模示意图如图6所示，曝光量累积示意图如图7所示)，n＝4，……曝光多次，使曝光次数足够大，直至n＝N次(曝光次数n＝N的实时掩模示意图如图8所示，曝光量累积示意图如图9所示)曝光，在感光材料3上产生曝光量分布的积累。当累积次数n＝N足够大时，近似为连续的曝光量分布。由于实时掩模能够生成任意图形，通过控制曝光量和各次曝光时间，可以生成任意的曝光量分布。

⑤、移动曝光台4，使感光材料3的另一区域位于投影曝光镜头2下面，重复①~④的步骤。通过掩模实时刷新，使每个曝光区域获得与上一曝光区域不同的曝光量分布，将若干曝光区域拼接为一个更大面积的曝光量分布。

⑥、将若干区域曝光后的感光材料3一次显影，形成任意连续三维微结构。

Claims (1)

1、一种三维微结构的制作方法，其特征在于通过以下步骤完成：

①通过计算机(5)控制生成实时掩模图形；

②利用生成的实时掩模图形对感光材料(3)进行第一次曝光，获得n＝1次曝光的曝光量累积；

③固定曝光台(4)，刷新实时掩模图形，对感光材料(3)进行第二次曝光，获得n＝2次曝光的曝光量累积；

④重复②～③的步骤，使曝光次数足够大，获得多次曝光的曝光量累积；

⑤移动曝光台(4)，使感光材料(3)的另一曝光区域处于投影曝光镜头(2)之下，重复①～④的步骤；

⑥显影，形成任意连续三维微结构。

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