基于熱感生電場(chǎng)誘導(dǎo)流變直寫的光柵制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于熱感生電場(chǎng)誘導(dǎo)流變直寫的光柵制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵由平行排列的多條柵線構(gòu)成的光學(xué)器件，廣泛應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中，作為核心器件發(fā)揮著色散、偏振、分束等重要作用。尤其是在高端精密制造裝備中，已廣泛應(yīng)用于精密位移測(cè)量、角度測(cè)量。其是數(shù)控加工、微電子制造等高端裝備制造領(lǐng)域的核心器件。
[0003]隨著微納加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，光柵的工作波長(zhǎng)從微米級(jí)已經(jīng)發(fā)展到亞微米甚至納米級(jí)，現(xiàn)有技術(shù)中，光柵的制作方法包括機(jī)械刻劃、納米壓印、全息光刻、X射線和電子束光刻、UV-LIGA制造等。機(jī)械刻劃技術(shù)制作光柵，柵線密度無法提得太高，且由于附加切削力的影響，容易造成光柵刻劃質(zhì)量下降；納米壓印具有高分辨率、高可控性、低成本的優(yōu)點(diǎn)，但在加工過程中壓印輥的旋轉(zhuǎn)周期會(huì)存在狹縫區(qū)域，圖形連續(xù)性遭到破壞，大量程光柵的加工速度難以提升；全息光刻系統(tǒng)非常昂貴、復(fù)雜，制備納米圖案的光刻工藝條件苛刻；X射線和電子束光刻制作的光柵面積小、成本高、制作周期較長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)大面積、高效率的光柵制造；利用UV-LIGA技術(shù)制備光柵，光柵膠膜顯影困難，光柵結(jié)構(gòu)柵條線寬與電鍍之前膠模溝槽線寬存在尺寸偏差，印制成品率低，成型速度慢，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，特別是在光刻工藝的曝光環(huán)節(jié)中，曝光劑量會(huì)極大的影響曝光質(zhì)量，容易出現(xiàn)膠模倒塌、脫落、顯影結(jié)構(gòu)變形粘連等現(xiàn)象，在微細(xì)電鑄過程中存在光柵結(jié)構(gòu)粘連，印制成品率低的問題；傳統(tǒng)光柵制造工藝的局限性導(dǎo)致的尺寸和精度不足，已經(jīng)無法滿足各領(lǐng)域?qū)Ω呔鹊墓鈻诺男枨蟆?br>[0004]專利CN103900480A中，提出了一種利用電紡直寫技術(shù)的光柵尺制造裝置及其方法，但是該方法需要預(yù)先對(duì)光柵基底進(jìn)行鍍鉻，然后電紡柵線圖案作為保護(hù)層，且仍然需要附加的化學(xué)腐蝕過程，將不需要的部分腐蝕去除。該工藝具有以下缺點(diǎn):
過程相對(duì)復(fù)雜，刻蝕過程需要額外的設(shè)備且化學(xué)腐蝕過程不環(huán)保；
且由于化學(xué)腐蝕本身工藝的局限性，其刻蝕精度受到側(cè)蝕量、蝕刻速度等影響，要實(shí)現(xiàn)納米精度刻蝕，效率低，難度大。
[0005]同時(shí)，由于沒有給靜電紡絲纖維添加保護(hù)層，在刻蝕過程中，容易將作為保護(hù)層的纖維和鍍鉻玻璃膜同時(shí)腐蝕，從而造成柵線邊緣出現(xiàn)毛刺等不良影響，不能得到光滑平整的光柵柵線，甚至不能順利獲得柵線，極大地影響了光柵的光學(xué)性能，腐蝕工藝參數(shù)極難控制，廣品的良品率低。
[0006]傳統(tǒng)近場(chǎng)電紡直寫采用“自上而下”的直寫方式，噴頭在上方，被直寫基材在下方，溶液液滴懸掛在噴口處，在電場(chǎng)力作用下形成泰勒錐，當(dāng)電場(chǎng)力和重力的合力突破液滴的表面張力后，形成射流，利用射流進(jìn)行直寫。
[0007]但是，形成射流的電壓閥值較高，較難準(zhǔn)確匹配電壓值、供液流量、射流流速、基板運(yùn)動(dòng)速度之間的最優(yōu)關(guān)系，當(dāng)關(guān)系不匹配時(shí)，容易造成泰勒錐變大、不穩(wěn)定，從而給射流的精確定位沉積造成困難；且射流在運(yùn)動(dòng)過程中容易受多方面因素干擾，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；再者，由于慣性、重力等因素影響，難以實(shí)現(xiàn)快速有效的射流啟動(dòng)和停止，給工業(yè)化應(yīng)用造成困難；傳統(tǒng)近場(chǎng)電紡直寫只適合于單噴頭直寫，效率低下，當(dāng)采用多噴頭直寫時(shí)，噴頭與噴頭之間的電場(chǎng)干涉嚴(yán)重，如何實(shí)現(xiàn)多噴頭射流沉積定位控制和高精度圖案化仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。另外，由于近場(chǎng)電紡直寫技術(shù)固有的技術(shù)局限性，掩膜的高精度、陣列圖案化仍然難以解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供基于熱感生電場(chǎng)誘導(dǎo)流變直寫的光柵制造方法。
[0009]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
柵線掩膜制造裝置，包括控制系統(tǒng)，熱源，接收平臺(tái)，熱電材料，擠出平臺(tái)，供液裝置； 其中，控制系統(tǒng)分別與熱源、接收平臺(tái)、擠出平臺(tái)、供液裝置相連；
熱源用于向熱電材料提供熱輻射以產(chǎn)生感生電場(chǎng)；
供液裝置與擠出平臺(tái)相連并用于向擠出平臺(tái)提供流動(dòng)態(tài)高分子材料；
擠出平臺(tái)用于向接收平臺(tái)輸出流動(dòng)態(tài)高分子材料；
接收平臺(tái)用于接收流動(dòng)態(tài)高分子材料。
[0010]所述的擠出平臺(tái)上設(shè)有多個(gè)輸出口。
[0011]所述的熱電材料與擠出平臺(tái)緊密相連。
[0012]所述的供液裝置通過多個(gè)管道與擠出平臺(tái)相連。
[0013]所述的接收平臺(tái)為光柵母板。
[0014]基于熱感生電場(chǎng)誘導(dǎo)流變直寫的光柵制造方法，步驟為:
1)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)所需掩膜的微納柵線幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后將該圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)；
2)利用上述裝置，控制系統(tǒng)控制熱源開啟，在熱源輻射作用下，熱電材料產(chǎn)生感生電場(chǎng)，同時(shí)，供液裝置向擠出平臺(tái)提供流動(dòng)態(tài)高分子材料，流動(dòng)態(tài)高分子材料在感生電場(chǎng)的作用下，流變拉伸，形成泰勒錐，泰勒錐尖端與光柵母板接觸；
3)根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)，使得擠出平臺(tái)與光柵母板之間保持設(shè)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與設(shè)定的距離，使流動(dòng)態(tài)高分子材料在光柵母板上形成微/納米級(jí)纖維掩膜；
4)在帶有掩膜的光柵母板上形成一層保護(hù)膜；
5)去除光柵母板上的掩膜，清洗，在保護(hù)膜上形成柵線結(jié)構(gòu)的凹槽即可。
[0015]步驟2)中，所述的流動(dòng)態(tài)高分子材料為下列熔融態(tài)的高分子材料中的至少一種:PCL、PLA、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、PMMA, ABS、PAM、ACR、EP、PP、PE ;或者為下列高分子材料中的至少一種溶于溶劑中所得的流動(dòng)態(tài)高分子材料:PE0、PLGA、PVDFo
[0016]步驟3)中，具體采用數(shù)控χ、γ、Ζ軸精密移動(dòng)平臺(tái)控制擠出平臺(tái)與光柵母板在Z軸方向的距離與在XY平面內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。
[0017]所述的保護(hù)膜為鋁膜。
[0018]鋁膜的形成方法為氣相沉積。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明的光柵制造方法，可以避免傳統(tǒng)近場(chǎng)電紡直寫技術(shù)的相關(guān)缺點(diǎn):例如電壓閥值高，多針頭直寫的時(shí)候，容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，以及容易產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，且所得掩膜的精度不高等。另外，本發(fā)明的光柵制造方法，不涉及化學(xué)腐蝕過程，工藝綠色簡(jiǎn)單且成本較低。
[0020]具體來說:
本發(fā)明的裝置采用熱感生電場(chǎng)代替高壓電場(chǎng)，可以避免近場(chǎng)電紡直寫噴頭離基板距離近時(shí)容易產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，且直寫過程更安全；
使用平板帶孔的擠出板代替?zhèn)鹘y(tǒng)靜電紡絲的針頭，電場(chǎng)分布情況更集中，產(chǎn)生泰勒錐尖需要的感生電壓閥值更小，且能適用于多射流直寫，而不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)多針頭靜電紡絲的干涉現(xiàn)象，可以同時(shí)直寫多條柵線掩膜，效率更高；
直寫過程相比近場(chǎng)電紡更穩(wěn)定，減弱了電紡過程中的射流不穩(wěn)定性，直寫柵線掩膜的精度更高；
避免了機(jī)械刻劃光柵過程中，由于附加切削力導(dǎo)致的定位精度降低、基材變形、刀架系統(tǒng)顫振、刀具磨損導(dǎo)致的光柵質(zhì)量下降等不利影響；
成型柵線尺寸不受噴頭內(nèi)徑、刀具尺寸或光刻曝光光束限制；
不需要化學(xué)腐蝕過程和額外的刻蝕設(shè)備，制造工藝更簡(jiǎn)單，成本更低；
克服了化學(xué)腐蝕本身工藝的局限性，其柵線精度由鍍膜技術(shù)決定，利用現(xiàn)有鍍膜技術(shù)，極容易實(shí)現(xiàn)納米精度鍍膜，柵線成型效果好、質(zhì)量高；
制造效率高，成本低，工藝參數(shù)容易控制，良品率高。
【附圖說明】
[0021]圖1是柵線掩膜制造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為光柵制造流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，柵線掩膜制造裝置，包括控制系統(tǒng)I，熱源2，接收平臺(tái)3，熱電材料4，擠出平臺(tái)5，供液裝置6;
其中，控制系統(tǒng)分別與熱源、接收平臺(tái)、擠出平臺(tái)、供液裝置相連；熱源用于向熱電材料提供熱輻射以產(chǎn)生感生電場(chǎng)；供液裝置與擠出平臺(tái)相連并用于向擠出平臺(tái)提供流動(dòng)態(tài)高分子材料；擠出平臺(tái)用于向接收平臺(tái)輸出流動(dòng)態(tài)高分子材料；接收平臺(tái)用于接收流動(dòng)態(tài)高分子材料。
[0024]優(yōu)選的，所述的擠出平臺(tái)上設(shè)有多個(gè)輸出口。