陳 赟，高勝英，張 晰，韓慶陽

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

計(jì)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(jì)量元件，廣泛應(yīng)用光電編碼器等高精度測(cè)角儀器設(shè)備中[14]。目前，國(guó)內(nèi)計(jì)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(xué)均勻性好等優(yōu)點(diǎn)；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(shè)備不能工作，無法適應(yīng)工作在惡劣的環(huán)境如野外、機(jī)載、艦載等儀器或設(shè)備中。若增加其抗沖擊能力，就要增加厚度，重量隨之增大，對(duì)儀器、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出更高的要求，不利于儀器、設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

除玻璃基片以外，還有光學(xué)樹脂、金屬、菲林膠片等，陳赟等人[5]采用光學(xué)樹脂作為基片進(jìn)行了計(jì)量圓光柵制作的研究，雖然成功制作出光學(xué)樹脂計(jì)量圓光柵，但其10倍于玻璃的膨脹系數(shù)和不成熟的鍍膜工藝是其無法代替玻璃計(jì)量圓光柵的關(guān)鍵；金軫裕、周翠華等人開展過基于不銹鋼制作計(jì)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(jì)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(jì)量圓光柵的線條較寬，分辨率較低，不能用于高精度測(cè)角儀器和精確跟蹤定位設(shè)備中。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)角設(shè)備、精確跟蹤設(shè)備對(duì)計(jì)量圓光柵的精度、靈敏度、環(huán)境適應(yīng)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(dāng)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(yōu)勢(shì)。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(jié)合現(xiàn)有光刻復(fù)制工藝[9]確定制作銦鋼平面反射式計(jì)量圓光柵工藝參數(shù)；最后給出銦鋼平面反射式計(jì)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(guó)物理學(xué)家 紀(jì)堯姆(C.E.Guialme)發(fā)現(xiàn)具有銦成分的合金具在常溫下(80℃～230℃)內(nèi)表現(xiàn)出很小的熱膨脹系數(shù)(1.6×106/℃)特性。除此之外，還具有導(dǎo)熱系數(shù)低，為10 W/(m·K)，僅為45鋼導(dǎo)熱系數(shù)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(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，在航天遙感器、精密激光設(shè)備、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)件[10]、顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡中大型透鏡的支撐系統(tǒng)以及需要安裝透鏡的各類科學(xué)儀器得到廣泛地應(yīng)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(dá)到 0.012μm的光學(xué)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(jì)量圓光柵的制作能否成功的關(guān)鍵，因此，必須根據(jù)銦鋼特性，采取行之有效的清洗方式。在本試驗(yàn)中，由于無法按照玻璃的清洗方式放入強(qiáng)堿、強(qiáng)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(fù)實(shí)驗(yàn)，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?dú)w為非鍍膜和鍍多層膜兩種[1314]，周翠華等人在專利中對(duì)這兩種方法進(jìn)行了比較詳細(xì)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(jiǎn)單，但信號(hào)對(duì)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(dāng)于光學(xué)玻璃級(jí))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(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)的對(duì)比度高，缺點(diǎn)是制作復(fù)雜，易脫膜，成本高?，F(xiàn)在制作計(jì)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(jì)量圓光柵提取光電信號(hào)的實(shí)驗(yàn)證明了鉻可以作為反射膜提取光電信號(hào)。因此，在銦鋼上鍍制單層鉻膜作為反射膜是可行的，其優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(fā)速度、蒸氣壓、蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)源到基片的距離等[15]。為了得到質(zhì)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(guān)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(duì)溫度，K。

因?yàn)閂g?Vs，并假設(shè)低氣壓下蒸氣分子符合理想氣體狀態(tài)方程，則有:

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

式中:A，B 為常數(shù)，A＝C/2.3；B＝Hv/2.3R。 A、B 的值由實(shí)驗(yàn)確定，且有Hv＝19.12B(J/mol)的關(guān)系存在。實(shí)際上Pv與T之間的關(guān)系多由實(shí)驗(yàn)確定。

根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)為P的氣體在單位面積的質(zhì)量蒸發(fā)速率:

式中:k為Boltzamann常數(shù)；M為蒸發(fā)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，g/mol。

由上式可知，蒸發(fā)速率和蒸發(fā)物質(zhì)的分子量、絕對(duì)溫度和蒸發(fā)物質(zhì)在溫度T時(shí)餓飽和蒸氣壓有關(guān)，除此之外，還與材料自身的表面清潔度有關(guān)。把式(4)代入式(5)并對(duì)其進(jìn)行微分，可得出蒸發(fā)速率隨溫度變化的關(guān)系式:

對(duì)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(fā)溫度微小的變化即可引起蒸發(fā)速率很大的變化，所以，在進(jìn)行真空蒸鍍時(shí)，為了得到致密的膜層，必須嚴(yán)格控制真空室的氣壓與溫度。

對(duì)銦鋼基片鍍膜時(shí)，蒸發(fā)源較小，可以看做點(diǎn)蒸發(fā)源，蒸發(fā)源中心與基片的垂直距離為h，則基片上任意一點(diǎn)的膜厚t為:

式中:m為鉻的蒸發(fā)質(zhì)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(dāng)基片處于蒸發(fā)源正上方時(shí)，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(nèi)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(fā)距離的增大而減小，實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)分子的平均自由程大于10倍蒸發(fā)距離時(shí)，才能得到附著力強(qiáng)的膜層。

在蒸鍍時(shí)，把被鍍件放在蒸發(fā)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(cè)得膜厚在200 nm～220 nm，和理論值相符。

按照上述公式，結(jié)合多次的實(shí)驗(yàn)，確定了銦鋼基片具體的鍍鉻參數(shù):轟擊真空度為2.5×10-1Pa時(shí)，轟擊電流為100 mA，轟擊電壓為2 000 V，轟擊時(shí)間為10 min；蒸發(fā)真空度為1.0×10-3Pa，蒸發(fā)距離為200 mm，蒸發(fā)溫度為50℃，每次蒸發(fā)鉻的質(zhì)量為0.75 g，為了使鉻層均勻，在蒸發(fā)過程中采用旋轉(zhuǎn)蒸鍍。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述鍍膜工藝參數(shù)是否正確，設(shè)計(jì)了一種計(jì)量圓光柵進(jìn)行試驗(yàn)，該種計(jì)量圓光柵刻線長(zhǎng)度為1.5 mm，刻線對(duì)數(shù)為16 384，單線寬 10μm，按照上述鍍膜參數(shù)對(duì)銦鋼鍍制了單層Cr膜，依據(jù)光刻復(fù)制工藝:真空鍍鉻—涂膠—前烘—曝光—顯影—后烘—去膠制作計(jì)量圓光柵，制作工藝圖如圖1所示。其中前烘溫度為90℃，時(shí)間為20 min，后烘溫度120℃，時(shí)間為60 min，腐蝕時(shí)間為10 min，成功制作出基于銦鋼的單層膜平面反射式計(jì)量圓光柵，如圖2所示，并在50倍顯微鏡下檢查線條質(zhì)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(jì)量圓光柵放置在光電編碼器軸系上進(jìn)行了光電信號(hào)的提取，和讀數(shù)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(jì)量圓光柵制作工藝

圖2 基于銦鋼的單層膜平面反射式計(jì)量圓光柵

圖3 銦鋼單層膜平面反射式計(jì)量圓光柵線條局部放大圖

圖4 信號(hào)提取結(jié)構(gòu)示意圖及李薩育圖形

3 結(jié)論

依據(jù)對(duì)銦鋼特性的分析，結(jié)合現(xiàn)有的光刻復(fù)制工藝，在膜層厚度為220 nm的情況下，控制腐蝕時(shí)間為10 min，制作出基于銦鋼的單層膜平面反射式計(jì)量圓光柵。并以它進(jìn)行了光電信號(hào)的提取，提取出的信號(hào)幅值大小為1 V，通過放大處理，完全滿細(xì)分的需要，而且它和讀數(shù)頭之間的間隙達(dá)到2 mm，是目前透射式計(jì)量圓光柵信號(hào)提取時(shí)的間隙的10倍多，提高了工程應(yīng)用中的可靠性，為金屬平面反射式計(jì)量圓光柵工程化提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。