基于銦鋼的單層膜平面反射式計量圓光柵的制作?

陳 赟，高勝英，張 晰，韓慶陽

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

計量圓光柵是通過某一光刻工藝刻制出角度等間隔或不等間隔同心輻射狀線條(或刻槽)的透光和不透光的計量元件，廣泛應用光電編碼器等高精度測角儀器設備中[14]。目前，國內計量圓光柵基片主要是K9玻璃、浮法玻璃等，它有透光率高，光學均勻性好等優點；但玻璃的抗沖擊性差，在受到較大沖擊的情況下，極易破碎，造成儀器、設備不能工作，無法適應工作在惡劣的環境如野外、機載、艦載等儀器或設備中。若增加其抗沖擊能力，就要增加厚度，重量隨之增大，對儀器、設備的結構設計提出更高的要求，不利于儀器、設備的結構優化。

除玻璃基片以外，還有光學樹脂、金屬、菲林膠片等，陳赟等人[5]采用光學樹脂作為基片進行了計量圓光柵制作的研究，雖然成功制作出光學樹脂計量圓光柵，但其10倍于玻璃的膨脹系數和不成熟的鍍膜工藝是其無法代替玻璃計量圓光柵的關鍵；金軫裕、周翠華等人開展過基于不銹鋼制作計量圓光柵的研究[67]，由于腐蝕因子的存在，無法制作線條寬度小于厚度的不銹鋼計量圓光柵；菲林膠片受到自身材料的限制[8]，無法解決厚度和透過率之間的矛盾。受到上述條件的限制，以上述材料為基片制作的計量圓光柵的線條較寬，分辨率較低，不能用于高精度測角儀器和精確跟蹤定位設備中。

隨著科學技術的發展，測角設備、精確跟蹤設備對計量圓光柵的精度、靈敏度、環境適應性等綜合性能要求得越來越高，所以，亟待尋求新的材料來替代當前的基片特別是玻璃基片，而銦鋼在這方面具有玻璃無法比擬的優勢。本文首先通過分析銦鋼材料的特性確定其清洗方法和膜層鍍制工藝；然后結合現有光刻復制工藝[9]確定制作銦鋼平面反射式計量圓光柵工藝參數；最后給出銦鋼平面反射式計量圓光柵制作過程的。

1 基于銦鋼的單層膜制作

1.1 銦鋼特性

1896年，瑞士籍法國物理學家 紀堯姆(C.E.Guialme)發現具有銦成分的合金具在常溫下(80℃～230℃)內表現出很小的熱膨脹系數(1.6×106/℃)特性。除此之外，還具有導熱系數低，為10 W/(m·K)，僅為45鋼導熱系數的1/4左右；較高的塑性、韌性、延伸率、斷面收縮率以及沖擊韌性等特性。特別是進入21世紀之后，隨著航天技術的飛速發展，在航天遙感器、精密激光設備、光學測量系統和波導管結構件[10]、顯微鏡、天文望遠鏡中大型透鏡的支撐系統以及需要安裝透鏡的各類科學儀器得到廣泛地應用[11-12]。

1.2 銦鋼基片的清洗

銦鋼按照要求加工后，表面粗糙度達到 0.012μm的光學面要求，但如何把加工好的銦鋼基片清洗干凈是決定著銦鋼平面反射式計量圓光柵的制作能否成功的關鍵，因此，必須根據銦鋼特性，采取行之有效的清洗方式。在本試驗中，由于無法按照玻璃的清洗方式放入強堿、強酸中清洗，而且銦鋼表面比較軟，也無法按照擦洗玻璃的方式擦洗，通過反復實驗，最后確定采用三氯乙烯、四氯化碳、丙酮和無水乙醇的順序清洗，用脫脂棉粘取上述溶劑依次擦洗，直到表面哈氣后均勻消失即可。

1.3 膜系的確定及鍍制

目前反射式金屬光柵的制作方法有多種，主要歸為非鍍膜和鍍多層膜兩種[1314]，周翠華等人在專利中對這兩種方法進行了比較詳細的說明。非鍍膜就是直接以金屬加工面為反射面，腐蝕的部分為非反射條紋，該種方法雖然簡單，但信號對比度低，無法工程化；多層膜法就是以精加工(光潔度為0.012，相當于光學玻璃級)的金屬作為基底，在其上分別鍍 Cr、Au、Cr、Cr2O3，然后在鍍制好的膜上涂覆光刻膠，通過濕法腐蝕方法去除通過紫外光刻去除光刻膠的Cr、Cr2O3層，露出的Au作為反射條紋，未受腐蝕的Cr2O3作為非反射條紋，該發明的優點是信號的對比度高，缺點是制作復雜，易脫膜，成本高?，F在制作計量圓光柵的膜層是單層鉻膜，主要用于遮光，沒有用作反射光，但鉻的反射率為50～55%，通過用以玻璃為基底制作出的平面反射式計量圓光柵提取光電信號的實驗證明了鉻可以作為反射膜提取光電信號。因此，在銦鋼上鍍制單層鉻膜作為反射膜是可行的，其優點是工藝成熟、牢固度好，成本低。

把清洗好的銦鋼基片放入DM700C真空鍍膜機中抽真空，影響鉻層均勻性和牢固度的因素較多，主要為蒸發速度、蒸氣壓、蒸發溫度、蒸發源到基片的距離等[15]。為了得到質量較好的鉻層，下面就上述因素給與具體的分析。

由克拉伯龍—克勞修斯方程式[16]和蒸氣壓Pv與溫度T的關系式為:

式中:Hv為摩爾氣化熱，J/mol；Vg為氣相的摩爾體積，cm3；Vs為固相的摩爾體積，cm3；T 為絕對溫度，K。

因為Vg?Vs，并假設低氣壓下蒸氣分子符合理想氣體狀態方程，則有:

式中:R為氣體常數，其值為 8.31×107erg/(K·mol)，故，式(1)變為:

式中:A，B 為常數，A＝C/2.3；B＝Hv/2.3R。 A、B 的值由實驗確定，且有Hv＝19.12B(J/mol)的關系存在。實際上Pv與T之間的關系多由實驗確定。

根據氣體分子運動論，處于熱平衡狀態時，壓強為P的氣體在單位面積的質量蒸發速率:

式中:k為Boltzamann常數；M為蒸發物質的摩爾質量，g/mol。

由上式可知，蒸發速率和蒸發物質的分子量、絕對溫度和蒸發物質在溫度T時餓飽和蒸氣壓有關，除此之外，還與材料自身的表面清潔度有關。把式(4)代入式(5)并對其進行微分，可得出蒸發速率隨溫度變化的關系式:

對于金屬，2.3B/T通常在20～30之間，式(6)可表示為:

由式(7)可見，蒸發溫度微小的變化即可引起蒸發速率很大的變化，所以，在進行真空蒸鍍時，為了得到致密的膜層，必須嚴格控制真空室的氣壓與溫度。

對銦鋼基片鍍膜時，蒸發源較小，可以看做點蒸發源，蒸發源中心與基片的垂直距離為h，則基片上任意一點的膜厚t為:

式中:m為鉻的蒸發質量；ρ為鉻的密度；x為基片中心到其邊緣的距離。

由式(4)可知，當基片處于蒸發源正上方時，即x＝0，其中心薄膜厚度t0最大，表示為:

由式(4)、(5)可得基片平面內其他各處的膜厚分布，即t與t0之比為:

由上式可知，膜層厚度隨蒸發距離的增大而減小，實驗表明，只有當分子的平均自由程大于10倍蒸發距離時，才能得到附著力強的膜層。

在蒸鍍時，把被鍍件放在蒸發源的上方，即x接近0，m＝0.8 g，ρ＝7.2 g/cm3，h＝200 mm，按照式(9)可得220 nm，通過原子力顯微鏡測得膜厚在200 nm～220 nm，和理論值相符。

按照上述公式，結合多次的實驗，確定了銦鋼基片具體的鍍鉻參數:轟擊真空度為2.5×10-1Pa時，轟擊電流為100 mA，轟擊電壓為2 000 V，轟擊時間為10 min；蒸發真空度為1.0×10-3Pa，蒸發距離為200 mm，蒸發溫度為50℃，每次蒸發鉻的質量為0.75 g，為了使鉻層均勻，在蒸發過程中采用旋轉蒸鍍。

2 實驗

為了驗證上述鍍膜工藝參數是否正確，設計了一種計量圓光柵進行試驗，該種計量圓光柵刻線長度為1.5 mm，刻線對數為16 384，單線寬 10μm，按照上述鍍膜參數對銦鋼鍍制了單層Cr膜，依據光刻復制工藝:真空鍍鉻—涂膠—前烘—曝光—顯影—后烘—去膠制作計量圓光柵，制作工藝圖如圖1所示。其中前烘溫度為90℃，時間為20 min，后烘溫度120℃，時間為60 min，腐蝕時間為10 min，成功制作出基于銦鋼的單層膜平面反射式計量圓光柵，如圖2所示，并在50倍顯微鏡下檢查線條質量:線條表面平滑，線條邊緣陡直，腐蝕的線條在顯微鏡下觀察無反光，如圖3所示。把該計量圓光柵放置在光電編碼器軸系上進行了光電信號的提取，和讀數頭之間的間隙為2 mm，李薩育圖形良好，如圖4所示。

圖1 基于銦鋼的單層膜平面反射式計量圓光柵制作工藝

圖2 基于銦鋼的單層膜平面反射式計量圓光柵

圖3 銦鋼單層膜平面反射式計量圓光柵線條局部放大圖

圖4 信號提取結構示意圖及李薩育圖形

3 結論

依據對銦鋼特性的分析，結合現有的光刻復制工藝，在膜層厚度為220 nm的情況下，控制腐蝕時間為10 min，制作出基于銦鋼的單層膜平面反射式計量圓光柵。并以它進行了光電信號的提取，提取出的信號幅值大小為1 V，通過放大處理，完全滿細分的需要，而且它和讀數頭之間的間隙達到2 mm，是目前透射式計量圓光柵信號提取時的間隙的10倍多，提高了工程應用中的可靠性，為金屬平面反射式計量圓光柵工程化提供了實驗基礎。