微纳加工技术实验指导书

微纳加工技术实验指导书董连和孙艳军长春理工大学光电工程学院二○○八年十月2目录实验一刻划刀具制作与研磨………………………………………1实验二分划板刻制与检验…………………………………………4实验三圆光栅紫外光刻……………………………………………8实验四光学度盘检验………………………………………………11实验五圆光栅照相复制……………………………………………13实验六衍射光栅刻划………………………………………………16实验七光学标准尺刻划……………………………………………18实验八八台阶二元光学元件微细光刻……………………………201实验一刻划刀具制作与研磨一．实验目的刻划刀具材料,形状和研磨的质量是决定刻划刀性能的基本因素。通过实际操作，了解刻划刀具的种类、材料、几何参数及用途，掌握专用工装的设计及刀具研磨的技巧。二.实验原理以靠模作为依托，刀坯一端与磨具相对运动产生机械磨削，实现所需要的形状和结构尺寸。三．实验工具及材料：15J读数显微镜（100X）一台XTT实体显微镜（60X）一台粗磨油石（180目）一块精磨油石（W20）一块抛光油石（W5）一块玛瑙石一块端面靠模一个多面靠模一个润滑及研磨剂四．刻划刀研磨的技术要求１．四方刀其中a=b=0.02mm，刀坯长度30mm，直径φ2.5mm，材料T12A图1四方刀2２．矩形刀其中a=0.02mm、b=3a，刀坯长度30mm，直径φ2.5mm，材料T12A图2矩形刀３．梯形刀其中a=0.02mm、b=4a，刀坯长度30mm,直径φ2.5mm，材料W9Cr4V1图3梯形刀４．圆锥刀其中a=0.02mm，刀坯长度30mm，直径φ2.5mm，材料W9Cr4V1图4圆锥刀五．研磨步骤：任选上述四种刻划刀其中之一按以下步骤进行研磨。１．研平刀坯端面将刀坯由上而下装如端面靠模内，用螺丝固紧，然后分别经粗磨、精磨将端面研平。3２．粗磨成型将已研平端面的刀坯装入选定的靠模内，调节刀坯伸出长度，使刀坯与靠模构成合适角度，然后用螺丝固紧。此靠模装好以后至刻划刀研磨结束期间不可松动，以免影响刀头几何形状。选好粗磨油石，加入润滑剂以靠模作为依托，将刀坯一端初步研磨成所需要的角度和形状。研磨的尺寸要留有精磨和抛光的剩余量，即实际要求尺寸+0.015mm左右。３．精磨将粗磨合格的刀坯放在精磨油石上，加入由机油与三氧化二铬调制成的研磨剂进行精磨，研制达到刻刀刃宽实际尺寸加抛光余量0.005毫米。４．研磨端面将精磨后的刀由上而下装入端面靠模，在玛瑙石上加润滑剂将端面研平，端面的表面粗糙度要达到Ra0.08。５．侧面抛光抛光是在玛瑙石或抛光油石上进行。在抛光过程中，应经常在显微镜下检测刻刀刃宽实际尺寸并观察表面光滑程度，直至达到刀头的结构尺寸和表面粗糙度均符合要求为止。六．依托靠模研磨的手法四方刀、矩形刀、梯形刀以靠模为依托，用拇指和中指夹住靠模两侧边，用食指来控制研磨压力的大小。四方刀与矩形刀先磨相对两个侧面，然后再磨另外两个相对侧面；梯形刀先磨两个侧面，后磨大面与小面。并在研磨进程中，要随时在实体或读数显微镜下检测研磨效果。图5刀具研磨运行轨迹七．试验报告要求1．根据刀坯长度及靠模尺寸，计算出刀头的几何参数2．描述研磨过程，给出a或b值4实验二分划板刻制与检验一．实验目的进一步了解小型光学刻线机的机械结构及原理，掌握各种类型光学分划板的刻制工艺、以及质量和参数的检测。二.实验原理在X-Y直角坐标小型刻划机上，利用X与Y两方向精密位移丝杆产生刻划刀的几何坐标，通过刻划刀对刻划底层的部分刮除，显露出分划板毛坯表面，然后经过真空镀制金属膜及相应工序工艺处理而得到分划。三．使用仪器、工具及材料小型刻线机一台读数显微镜一台实体显微镜一台折反式显微镜一台阿贝比长仪一台板式电热箱一台四．工艺步骤１．玻璃毛坯清洗用脱脂纱布或脱脂棉蘸醇—醚混合液轻擦玻璃毛坯表面（纱布不可重复使用，以免混入杂质而划伤毛坯表面），将擦洁后的毛坯放入夹具内，即可进行下一步骤。２．涂底层毛坯加热后用手涂法在毛坯表面涂上一层厚度均匀且无明显疵病的刻划蜡层，蜡层膜厚应根据刻线宽度而定。例如分划板要求线宽为0.02mm，则底层厚应在0.007mm左右。３．安装刻刀刻刀安装正确与否，将直接影响刻线的质量及整个刻制工艺的效果。将刻刀由下而上地装入刀架，如使用圆锥刀或四方刻刀则要使刀杆与毛坯表面垂直，刀头端面与毛坯表面要很好地接触。如采用其它类型的刻刀，则要使刀头大面与毛坯表面构成负前角。5４．调整刻划压力刻划压力应选择在既能刮净刻划底层，而又不划伤毛坯表面，和不损坏刻刀时为适宜。实验确定，划伤玻璃毛坯表面的单位面积压力为0.2—0.25g/μm2。５．列出刻划数据表将分划板毛坯放置在工作台上并固定，调整工作台纵横位移丝杠，以落刀点为基准用观测显微镜校正分划板毛坯中心与工作台回转中心同轴，然后根据设备已知数据和分划板刻线位置尺寸，计算出落刀、抬刀在刻线机位移丝杆（首先确定纵横位移丝杆其中之一为x，另一为y）读数轮上所对应的数值，按照常规从左到右，从下至上的刻线顺序将数值列入表中。（数据表另附）。６．刻划如果使用方形、矩形或圆锥形刻刀，则依照所列数据表，先横向后纵向，从左到右，从上至下，刻完所有刻线；如果使用梯形刻刀，则依照所列数据表，从左到右，从上至下，顺着一个方向刻完所有线；然后工作台旋转90°，再依照上述顺序刻完另一方向刻线。７．检查将刻划后的分划板放在读数显微镜下，检查刻线质量、位置尺寸，合格者放入培养皿中待进行下道工序，不合格者则重复上述操作。８．玻璃腐蚀把刻线后并做相应保护的分划板浸入混合酸液中（酸液的成分，浓度和玻璃材料的成分有密切关系，不同的玻璃材料，对应不同的混合酸配比），刻线面向上平放，防止气泡留在刻线槽中而造成断线。腐蚀时可摇晃被腐蚀分划板，以使刻线槽中的沉淀物流出线槽，提高腐蚀的效果。腐蚀的时间依玻璃材料的成分、酸液的配比、酸液的温度、以及刻线槽的宽度和深度而定。腐蚀结束后，分别用自来水和蒸馏水冲净残留酸液。注意事项：腐蚀在通风条件下进行，并做好相应防护。９．清洗、检验用汽油或苯去除刻划蜡层并用乙醇-乙醚混合液擦净分划板表面，然后在测量显微镜下检查、刻线质量及刻线位置尺寸等。１０．填充着色根据分划板的用途，在刻线槽内填以不同颜色的填料，以增加刻线的不透明6度或对光的吸收。用棉球将粘合剂涂在刻线槽内，将填料粘于表面并用棉球不断擦涂，擦涂方向与刻线槽成一定角度，直至刻线槽填满。然后擦净多余填料与粘合剂，放入恒温干燥箱中升温约130～160℃（不同填料，烘烤温度不同），恒温30分钟。五．实验报告要求１．描述分划板刻制过程２．列出刻划数据表３．给出分划刻划误差分划板图纸7分划板刻划数据表名称偏心纵丝杠中心时间水平横丝杠中心线别XY8实验三圆光栅紫外光刻一．实验目的了解光刻设备及装置的构成及功能作用，掌握光刻工艺的基本原理及分划元件的光刻制作过程。二.实验原理在圆刻划机上，以机械分度与照相感光结合的方式，用紫外曝光装置代替刻划刀，在刻划机分度间歇时段内，单元掩模版与光栅毛坯表面上的光刻胶层接触贴合，光线照射掩模版并将图案转移至光刻胶层上，在光刻胶层中形成分划单元图案的潜像，多个潜像的依次排列构成光栅的全部图案，然后经过相应工艺的处理，获得金属膜计量圆光栅。三．所用设备、仪器及其它圆刻线机一台读数显微镜一台折反式显微镜一台超净工作台一台恒温干燥箱一台圆光栅毛坯一块四．圆光栅技术要求１．在刻划中径Ф140mm圆周上均分21600格，格值为1′；刻线长８mm。２．最大直径误差应2″；３．任意8º刻线范围内断线累计长度应小于3mm；４．用80倍显微镜检查刻线质量，其线条边缘应光滑无毛刺等疵病。五．工艺流程单线、扇形的制备工艺部分，及机床分度、扇形调整等省略。１．毛坯镀铬将毛坯浸泡在重铬酸钾与浓硫酸配制成的酸洗液中，溶除毛坯表面金属氧化物及其它无机化合物、有机油类等。用蒸馏水冲净残留酸液并烘干，再用脱脂棉蘸醇醚混合液擦洁表面。在镀铬过程中，采用二次冷蒸铬膜的操作方法，要求铬膜均匀、牢固、无针9孔。２．光刻胶涂布胶层的涂布在光刻工艺中是很关键的一个技术环节。一般胶层厚度经试验确定为：L＝线宽×1／3采用离心涂布法其操作步骤如下，a）将圆光栅毛坯装夹在离心机盘面之上，用千分表调平盘面。b）开动离心机，使主轴以每分钟8～10转的速度旋转，滴胶管以一定螺旋线轨迹由外而里滴胶，在盘面上形成一足够宽的胶带后，滴胶管自动退出，则主轴立即以每分钟4000转高速旋转至胶膜呈淡黄色为止。c）取下毛坯盘，检查胶膜是否均匀、有无胶点或尘点。如上述疵病超出允许范围，则应去掉胶膜，再重新进行涂胶。３．前烘前烘的目的是为了提高胶膜与铬面的附着力。将涂胶后的毛坯胶面向下装入铝盒内，升温至90℃±5º恒温20分钟后自然冷却至室温。４．曝光正型光刻胶所吸收光谱在3500A～4500A范围内，实验采用功率为125W紫外线高压汞灯作为曝光光源。将前烘过的圆光栅毛坯置于圆刻机工作台之上，用观测显微镜校毛坯的偏心允差在0.05毫米以内。５．显影正型光刻胶的显影，是把已感光的胶膜溶掉，而未感光的胶膜保留的方式而显现出刻划图案。显影所用的显影剂为浓度(0.4～0.6)％NaOH水溶液。显影方法有浸泡法和旋转喷淋法，实验采用第一种方法，即把曝光后的光栅盘浸入显影液中，同时观察脱胶效果，一般时间在20秒钟左右即可停止显影，用蒸馏水冲净残留显影液后离心甩干或用压缩气体吹干表面。６．坚膜坚膜的目的在于除去显影及冲洗过程中残留在胶膜中的水分，改善胶膜与铬10面的附着力，避免脱胶等在蚀铬时所不应出现的疵病。将显影后的光栅盘放在恒温干燥箱中升温至130℃，恒温30分钟后自然冷却至室温。７．蚀铬腐蚀就是把没有胶膜保护部分的铬膜腐蚀掉。把坚膜后的光栅盘浸入以硫酸铈（CeSO4）为主要成分的蚀铬液中，时间约为10分钟左右。同时也可用目视或显微镜透过透明液体观察铬膜的腐蚀情况。８．去胶腐蚀后的铬盘放在显微镜下检查，认为腐蚀透彻，线条清晰，没有铬点等缺陷，即可将光栅盘浸入丙酮溶液中溶除掉胶膜。９．检查去胶后的铬盘放在显微镜下检查线条质量，用读数显微镜测量线宽及周期。六．实验报告要求１．简述圆光栅光刻原理２．编制出工艺流程并作简要注释11实验四光学度盘检验一．实验目的通过实际检测，进一步了解用常角法检测度盘直径误差的程序，熟悉误差的计算方法，掌握光学检测仪器的使用性能和操作方法。二.实验原理用一个能除尽360°的常角与被检度盘首尾相连地逐次进行比较测量，然后利用圆分度整周间隔误差总和为零的闭合条件，求得常角最或是值，继而求出被检度盘各相应直径间隔误差及直径误差。三．检测仪器及其它光学度盘检验仪一台光学度盘一块电子计算器一个检测计算表（另附）一张四．检测步骤１．调整a)将被检测度盘装在检验仪回转工作台上，用千分表校其回转一周，盘面的水平允差在0.01mm以内；b)任意确定一台读数显微镜作为回转工作台转角基准，并调整度盘偏心允差在0.01～0.02mm左右。c)以基准显微镜为依据，调整四台读数显微镜两两相对位于被检测度盘同一直径上。读数显微镜中的夹线要与度盘刻线平行，调整好固定角，c=80º，如下图所示。显微镜调整方法12２．检测a)每三人一组，其中一人记录，另二人分别读显微镜Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ、Ⅳ，其中作为基准的显微镜一定要指定为Ⅰ显微镜。b)通过Ⅰ显微镜实施，按下面的观测纲要进行检测：0º20º40º60º80º100º120º140º160º检测时要进行正、反测两个过程，因为在测量中，固定角C不可能保持绝对不变，它将随时间的延长和外界条件（如温度、振动等）的变化而变化，实行正、反测后，可以消除因角度的变化而带来的影响。此外，实行正、反测后，对同一个位置观测了两次，而取其平均值则可提高检测精度。在一系列测量中间，不能重新调节显微镜焦距、视差和改变光轴条件。各测量位置要依次进行，不能中途间歇。旋转读数显微镜上读数鼓和微调螺旋时，规律是顺时针方向旋进，如旋进过量则应退后再次作旋进，否则将在测量中加入读数鼓的螺距空回误差。