一種鍺晶體光碼盤的分劃制作工藝研究

蘇 穎，陳俊霞，張 勇，張成群，龔 濤

（河南平原光電有限公司，河南 焦作454001）

引言

光學碼盤是光學軸角編碼器的角度基準光學元件，是實現(xiàn)模－數(shù)轉換（A／D轉換）的有效工具之一，是信息場形成的關鍵零件。激光通過碼盤上的光柵通道，形成信息場的調制頻率。按代碼形成的方法，編碼器可分為增量式和絕對式2種。普通的計量光柵可看成是一種增量式編碼器，但它沒有固定的零位。當它具有零位編碼器時，兼有絕對零位的性能。絕對式編碼器按其輸出代碼形式可以有二進制、二－十進制、六－十進制等。以二進制代碼為基礎進行編碼的碼盤，用透光和不透光2種狀態(tài)表示二進制代碼的“1”和“0”2個狀態(tài)。并且以每個碼道（即圓周上黑白相間的一圈）代表二進制的一個數(shù)。這樣就可以得到一個包括多個碼道的、按二進制規(guī)律組合起來的碼盤圖案［1］。本文介紹的碼盤是以二進制代碼為基礎進行編碼的碼盤。采用CO2激光器的激光駕束制導儀，工作波長為10.6μm，碼盤需用鍺晶體基底來制作。鍺晶體廣泛應用于紅外光學系統(tǒng)，如紅外探測器和紅外熱像儀［2－3］。作為一種光學材料，在紅外光學主要是用來制造紅外光學鏡頭和紅外窗口等，鍺晶體的生產(chǎn)在國內(nèi)外亦有成熟工藝［4－6］。鍺碼盤的制作主要包括：光坯的加工－碼盤圖案的制作－鍍膜等制作過程。鍺晶體光坯的加工及紅外增透膜的鍍制在國內(nèi)有成熟工藝，但卻鮮有分劃圖案的制作技術。因此，鍺基底碼盤的加工及檢測是一項新的工藝課題。一般光學分劃板的制作工藝原理：在清潔的工件基底上鍍上光掩膜，再涂上光刻膠［7］，采用工件與母版照相復制接觸曝光的方法，顯影后光刻膠形成所需圖形，再經(jīng)腐蝕去掉圖形外的光掩膜部分，最后剝離圖形上的光刻膠層，獲得所需分劃圖形。目前工廠光學玻璃碼盤的制作已經(jīng)形成了一套比較完整的加工方法，玻璃碼盤的制作方法一般采用正性光刻膠先鍍鉻后照相的方法制作，工藝路線如下：

光學晶體與光學玻璃在性質上有共同之處，但也有其特殊性。因此，在工藝上也有其共性與特性。鍺晶體是有規(guī)律、重復排列格子結構的固體，光學玻璃是由熔體過冷卻所得的無定形體，兩者在結構上有很顯著的差別［8］。另外，由于鍺晶體在可見區(qū)不透光，工藝過程中涂膠及顯影質量的好壞很難觀察，這也會給制作帶來了一定的難度，故其加工方法只能針對晶體所具有的特性進行選擇。

1 工藝方案設計

1.1 工藝方案

照相復制使用的光刻膠有2類：1）正性光刻膠；2）負性光刻膠。因此，分劃制作工藝也可分為正性光刻膠法和負性光刻膠法。光刻膠在曝光之后，被浸入顯影液中，在顯影過程中，正性光刻膠曝過光的區(qū)域溶解得要快得多。理想情況下，未曝光的區(qū)域保持不變。負性光刻膠正好相反，在顯影劑中未曝光的區(qū)域將溶解，而曝光的區(qū)域被保留［9］。

1.1.1 正性光刻膠法

a）正性光刻膠的常規(guī)工藝是先鍍膜后照相，先鍍膜可以依靠多次鍍制來消除膜層上的針孔。玻璃碼盤的制作通常是用正性光刻膠按先鍍鉻后照相的方法進行制作的。

b）正膠反用法也可制作分劃圖案，即用正性光刻膠采用先照相后鍍膜工藝。用正性光刻膠先照相后鍍鉻工藝制造，將得出透光與不透光區(qū)與實際要求相反的分劃圖案。因此，正膠反用法需使用透光與不透光區(qū)與實際要求相反的照相底版。

1.1.2 負性光刻膠法

負性光刻膠的常規(guī)工藝是先照相后鍍膜，這就對環(huán)境的潔凈度提出了較高要求，潔凈度要求為百級，鍍膜需一次完成，膜層表面很容易產(chǎn)生針孔，這種工藝制作碼盤難度較大。

1.2 分劃質量的主要影響因素

1.2.1 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對光刻膠的放置及溶解反應有直接影響，因此，環(huán)境溫度不能過高，一般在18℃～26℃。

1.2.2 曝光時間

正確的曝光量是影響分劃質量的關鍵因素，曝光不夠或曝光過度均會影響復制圖形的再現(xiàn)性。

顯影時間不充分會導致顯影不足或不完全顯影，而顯影時間過長則可能造成光刻膠的過腐蝕，導致圖形變形。

2 工藝試驗與結果分析

對厚度為3mm的鍺試片和鍺晶體零件分別采用以上3種方案進行鍺碼盤分劃制作工藝研究實驗。加工后，通過在二座標測量機上觀察和測量透過率，分析工藝制作的圖案質量，找到鍺碼盤分劃制作工藝的最佳方案。

2.1 正性光刻膠先鍍鉻后照相法

我們將鍺光坯用正性光刻膠按工藝路線：鍍鉻→涂膠→曝光→顯影→腐蝕→去膠進行加工，環(huán)境溫度21℃，曝光時間8min，顯影時間60s左右。加工后，觀察發(fā)現(xiàn)鍺光坯表面沒有形成任何圖案，如圖1所示。透過率測量結果：在波長10.6μm處，鍍鉻鍺試片透過率是4.68%，鍺碼盤零件的不通光區(qū)透過率是5.63%，通光區(qū)透過率是5.90%。

對于以上測量結果，前兩項屬正常，但是鍺碼盤零件在通光區(qū)透過率僅為5.90%是不正?，F(xiàn)象，因為，鍺的透過率約為50%［10］，而波長在10.6μm處，厚度為3mm的鍺晶體透過率應為48%左右。經(jīng)分析，我們認為鍺碼盤零件上通光區(qū)的鉻層沒有被腐蝕掉。

圖1 正性光刻膠先鍍鉻后照相法試驗后的實物照片F(xiàn)ig.1 Photo of positive photoresist by method of coating with chromium film before exposure

將腐蝕時間延長后觀察發(fā)現(xiàn)，鉻層部分脫落，而鍺基底也被腐蝕出凹坑，圖2是零件經(jīng)7h腐蝕后的實物照片，圖3為零件經(jīng)7h腐蝕后在二座標上放大300倍的圖片。

圖2 正性光刻膠先鍍鉻后照相法零件經(jīng)7h腐蝕后的實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of positive photoresist after 7 h corrosion by method of coating with chromium film before exposure

圖3 正性光刻膠先鍍鉻后照相法零件經(jīng)7h腐蝕后放大300倍的圖片F(xiàn)ig.3 Picture amplified by 300 times of positive photoresist after 7 h corrosion by method of coating with chromium film before exposure

由上我們得出結論：鍺晶體光坯上鍍上鉻后，鉻膜與鍺結合非常牢固，脫鉻非常困難，即使長時間腐蝕也難以將鉻層脫凈，而長時間腐蝕，腐蝕液會對鍺基底造成破壞。因此，正性光刻膠先鍍鉻后照相工藝不適用于鍺碼盤的制造。

2.2 正性光刻膠先照相后鍍鉻法

我們將鍺試片光坯用正性光刻膠按工藝路線：涂膠→曝光→顯影→清洗→鍍鉻→去膠進行加工，環(huán)境溫度20℃，曝光時間8min，顯影時間60s左右。將加工后的鍺試片在二座標設備上觀察，發(fā)現(xiàn)鍺試片上的圖案線條邊緣比較整齊，但同時存在透光區(qū)有脫不干凈的鉻膜，圖4是鍺試片實物照片，圖5為鍺試片在二座標上放大300倍的圖片。

圖4 正性光刻膠先照相后鍍鉻法試驗后的實物照片F(xiàn)ig.4 Photo of positive photoresist by method of exposure before coating with chromium film

圖5 正性光刻膠先照相后鍍鉻法試驗后放大300倍的圖片F(xiàn)ig.5 Picture amplified by 300 times of positive photoresist by method of exposure before coating with chromium film

在透光區(qū)存在遮擋層的碼盤，不能滿足要求。因此，正性光刻膠先照相后鍍鉻工藝也不適用于鍺碼盤的制造。

2.3 負性光刻膠先照相后鍍鉻法

將鍺光坯負性光刻膠按工藝路線：涂膠→曝光→顯影→清洗→鍍鉻→去膠等進行加工試驗，環(huán)境溫度23℃，曝光時間11min，顯影時間90s左右。在二座標設備上對加工后的零件進行觀察和測量，發(fā)現(xiàn)鍺碼盤圖案邊緣比較整齊，圖案邊緣不均勻性最大為0.008mm，尺寸精度較在玻璃上制作碼盤稍差。圖6是鍺碼盤的實物照片，圖7是鍺碼盤在二座標上放大300倍的圖片。

6 負性光刻膠先照相后鍍鉻法試驗后的實物照片F(xiàn)ig.6 Photo of negative photoresist by method of exposure before coating with chromium film

圖7 負性光刻膠先照相后鍍鉻法試驗后放大300倍的圖片F(xiàn)ig.7 Picture amplified by 300 times of negative photoresist by method of coating with chromium film before exposure

由于鍍膜是一次完成，鉻膜上可能會有針孔存在。而鍺晶體在可見區(qū)不透光，用現(xiàn)有的儀器無法觀察到針孔，也就使得針孔無法修補。但從用玻璃試片進行可行性試驗發(fā)現(xiàn)：在鍍膜一次完成的情況下，針孔直徑尺寸一般小于0.01mm，不影響碼盤的整體性能。

透過率測量結果：在波長10.6μm處，不透光區(qū)透過率是6.633%，透光區(qū)透過率是48.806%。

3 結論

通過3種制作鍺碼盤的工藝試驗，從制作與測試情況看，使用負性光刻膠按先照相后鍍鉻的制作方法，在鍺基底上可以制作出明暗對比度大、圖案邊緣不均勻性小于0.008mm的鍺碼盤，制作的鍺碼盤滿足激光駕束制導儀的使用。因此，鍺晶體碼盤分劃制作的最佳工藝方案為采用負性光刻膠法制作，工藝路線如下：

同樣，這種制作方法也可用于其他紅外分劃元件的制作。

［1］ Wang Zhijiang.Optical technical manual［M］.1st ed.Beijing：Machine Industry Press，1987.王之江.光學技術手冊：上冊［M］.1版.北京：機械工業(yè)出版社，1987.

［2］ Jiao Mingyin.Optical design of searching system using 480×6LWIR detector［J］.Journal of Applied Optics，2012，33（6）：1011-1013.焦明印.采用480×6元長波紅外探測器的搜索光學系統(tǒng)設計［J］.應用光學，2012，33（6）：1011-1013.

［3］ Wang Hongwei，Wang Cailing，Zhang Dianfu.Lightweight and wide temperature range design of hybrid refractive／diffractive IR thermal imager［J］.Journal of Applied Optics，2012，33（6）：1133-1136.王洪偉，王彩鈴，張殿富.輕量化超寬溫度折／衍混合紅外熱像儀光學系統(tǒng)設計［J］.應用光學，2012，33（6）：1133-1136.

［4］ Ma Shaofang，Pei Yulan，F(xiàn)eng Deshen，et al.Major diameter infrared optical Ge monocrystal［J］.Guangdong Trace Elements Science，1998，15（2）：63-65.馬紹芳，裴玉蘭，馮德伸，等.大直徑紅外光學鍺單晶［J］.廣東微量元素科學，1998，15（2）：63-65.

［5］ Zhang Zhijian.Large size IR germanium monocrystalline growth［J］.Journal of Yunnan University，2002，24（1A）：78-82.張志堅.紅外鍺單晶大晶堝徑比水平放肩生長［J］.云南大學學報，2002，24（1A）：78-82.

［6］ Li Hecheng，Wang Tieyan.Growth methods and effects quanlity level of large Germanium crystals for IR optics from abroad［J］.Chinese Journal of Rare Metals，2000，24（3）：203-207.李賀成，王鐵艷.國外紅外用大尺寸鍺晶體的生產(chǎn)方法及水平［J］.稀有金屬，2000，24（3）：203-207.

［7］ Elwenspoek M，Wiegerink R.Mechanical microsensors［M］.Germang：Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2001.［8］ Cai Li.Optical spare parts processing technology［M］.2nd ed.Beijing：The Weapon Industry Press，2006.蔡立.光學零件加工技術［M］.2版.北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

［9］ Lai Wuxing，Xuan Jianping，Shi Tielin，et al.Comparison of characteristics of photoresists in photoithography process on micromachining［J］.Semiconductor Technology，2004，29（11）：22-25.來五星，軒建平，史鐵林，等.微制造光刻工藝中光刻膠性能的比較［J］.半導體技術，2004，29（11）：22-25.

［10］ Zhang Yulan，Li Yanjun，Lyu Kai，et al.Properties and processing technology of Ge single crystal［J］.Journal of Changchun University of Science and Technology，2005，28（4）：106-109.張玉蘭，李延君，呂凱，等.鍺金屬單晶材料性能及加工技術研究［J］.長春理工大學學報，2005，28（4）：106-109.