數(shù)字光刻微雕的制作裝置及其雕刻制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開數(shù)字光刻微雕的制作裝置及其雕刻制作方法，它采用DMD取代傳統(tǒng)光刻技術中的固定的掩模版。由于DMD具有空間調(diào)制特性，能生成與原版字畫等藝術品一致的圖案或文字，再根據(jù)光刻鏡頭（縮微物鏡）的光學成像原理，即可將整版圖像微縮到涂覆有光刻膠的玻璃上。結(jié)合濕法光刻工藝，將所得圖像最終轉(zhuǎn)印到能夠長久保存的真空鍍鉻金屬膜的玻璃基材上，使得該微雕工藝的制作周期較之于傳統(tǒng)的手工微雕工藝制作周期要縮短很多。該微雕制作裝置與制作方法克服了傳統(tǒng)手工微雕工藝品圖樣失真、成品率低、甚至功虧一簣等諸多缺點，是一種在微雕技術中具有創(chuàng)新的制作裝置與制作方法。
【專利說明】數(shù)字光刻微雕的制作裝置及其雕刻制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置及雕刻制作方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的微雕藝術作品都是手工雕刻而成，以字畫居多，且精細微小的結(jié)構給微雕藝術工作者們帶來極大的挑戰(zhàn)，完成一件微雕藝術作品往往需要花費較長的制作周期。由于微雕技藝與所用的材料等原因，目前大部分微雕藝術作品容易失真。因此，能夠在短時間內(nèi)制作出不易失真的微雕藝術品，具有廣闊的藝術和商業(yè)價值。
[0003]在激光彩虹全息圖的制作過程中，不僅需要價格昂貴的紫光激光器，而且必須在全息平臺上搭建復雜的記錄光路，在記錄光路中適當?shù)奈恢蒙线€需使用狹縫等許多光學元件和調(diào)節(jié)裝置，不僅光路的排布繁瑣，而且狹縫的設置限制了物光波能量的利用率。因此，激光彩虹全息圖的制作方法不適用于微雕工藝制作系統(tǒng)。而傳統(tǒng)手工微雕工藝不僅雕刻工藝品的周期長，成本高，而且雕刻質(zhì)量和成品率也較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供了一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置及雕刻制作方法，它具有制作周期短，成品率高和操作簡單方便的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置，它包括紫光半導體激光器、反射鏡、擴束鏡、準直透鏡、光束提升器、數(shù)字微鏡器件(DMD)、縮微物鏡、光刻膠版、三維精密電控平移臺和計算機，其特征在于數(shù)字微鏡器件連接計算機，計算機將圖形或文字輸送到數(shù)字微鏡器件，并使得圖像或文字在數(shù)字微鏡器件和計算機屏幕上的相對分辨率一致，通過三維精密電控平移臺控制各個部件的位置，使得從紫光半導體激光器發(fā)射的激光束先通過反射鏡反射，然后經(jīng)過擴束鏡和準直透鏡后，照射到一個光束提升器上，光束提升器使準直后的激光束與數(shù)字微鏡器件的平面法線成20°角入射，從數(shù)字微鏡器件發(fā)出的+1級的出射光作為物光波，它經(jīng)過與其同軸的縮微物鏡后，照射到光刻膠版上，使得數(shù)字微鏡器件上的圖形或文字在光刻膠版上形成“潛像”;所述的縮微物鏡倍率為10?20倍縮微物鏡；所述數(shù)字微鏡器件由若干鋁質(zhì)微反射鏡片按照緊密排列組成，并且相互之間僅有很小間隔，經(jīng)過縮微物鏡成像后所形成的衍射光柵就能達到一種彩虹的效果。一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置的雕刻制作方法，它包括以下步驟:基片預處理一旋轉(zhuǎn)涂膠一前烘一曝光—后烘一顯影一堅膜一鉻刻蝕一玻璃刻蝕一去膠一二次鉻刻蝕一微雕成品。
[0006]本發(fā)明的技術效果是:本發(fā)明設計出一種基于數(shù)字微鏡器件的空間調(diào)制特性，生成與原版字畫等藝術品一致的圖案，再利用縮微物鏡系統(tǒng)的光學成像原理，結(jié)合濕法光刻工藝的方法，將整版圖形微縮到涂覆有光刻膠的真空鍍金屬膜的硬質(zhì)基材上。本發(fā)明可以使得這種微雕工藝品的制作周期較之于傳統(tǒng)的手工微雕工藝品的制作周期要短得多，而且，該微雕制作方法克服了手工微雕工藝品圖樣失真、成品率低、甚至功虧一簣的諸多缺點。它的優(yōu)點是:(1)結(jié)合了濕法光刻工藝的方法，將所得圖像最終轉(zhuǎn)印到能夠長久保存的基材上；(2)使得該微雕工藝品的制作周期較之于傳統(tǒng)的手工微雕工藝品制作周期要縮短很多；(3)該微雕制作方法克服了手工微雕工藝圖樣失真、成品率低的諸多缺點。本發(fā)明在光路設置中無需狹縫、無需參考光。利用自制的數(shù)字光刻微雕實驗裝置，可以做到整版圖形微縮，且制作周期短。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為數(shù)字光刻微雕的制作裝置的結(jié)構示意圖。
[0008]圖2數(shù)字光刻微雕的制作方法工藝流程圖。
[0009]圖3為玻璃基材上的光刻微雕原圖。
[0010]圖4為玻璃基材上的光刻微雕微縮后的陣列圖。
[0011]圖5為玻璃基材上的光刻微雕單個顯微放大圖。
[0012]在圖中，1、紫光半導體激光器 2、反射鏡3、擴束鏡4、準直透鏡5、光束提升器 6、數(shù)字微鏡器件 7、縮微物鏡 8、光刻膠版 9、三維精密電控平移臺10、計算機。
【具體實施方式】
[0013]下面通過附圖和實施例對本發(fā)明做進一步闡述；
本發(fā)明利用圖像處理軟件，將計算機10內(nèi)的圖像(數(shù)碼相機拍攝的照片或者圖像設計軟件制作出的圖像)的分辨率設置成與數(shù)字微鏡器件6 (DMD)的相對分辨率一致。由圖1所示，紫光半導體激光器1(激光器)發(fā)出的激光束經(jīng)過反射鏡2、擴束鏡3和準直透鏡4后，照射到一個光束提升器5上， 光束提升器5能夠使準直后的激光束與DMD平面法線成20°角入射，當與圖像像素相對應的DMD像素微鏡處于開態(tài)(+1級)時，從DMD面上反射出的光束與縮微物鏡7、光刻膠版8同軸。由于DMD的+1級的光波復振幅分布與所顯示的圖像相一致，因此用+1級的出射光作為物光波。將所需的微雕圖案通過計算機10輸入到DMD上，經(jīng)過倍率為10~20的縮微物鏡7縮微到光刻膠版8上；
數(shù)字微鏡器件6 (DMD)由幾十萬至幾百萬個微小鋁質(zhì)反射鏡片按照一定的行數(shù)、列數(shù)緊密排列組成，并且相互之間僅有很小的間隔，因此具有獨特的光柵性質(zhì)。如圖1所示，用縮微物鏡7進行縮微成像時，在縮微物鏡7的后焦平面上，即頻譜面上，會出現(xiàn)排列成二維陣列形式的衍射頻譜級。當頻譜面中的各級頻譜繼續(xù)向前傳播，直至在像面重合成與DMD上所顯示的與原版一致的圖像。
[0014]數(shù)字光刻微雕的制作方法，以在鍍鉻金屬膜光刻膠版制作微雕為例來詳細闡述其工藝流程:如圖2所示，
基片預處理一.^旋轉(zhuǎn)涂膠一.^前烘一.^曝光一.^后烘一.^顯影一.^堅膜一.^鉻刻蝕一.^玻璃刻蝕一.^去膠一.^二次鉻刻蝕一.^微雕成品；
1、基片預處理:首先將玻璃板放在濃度為5%的NAOH溶液中清洗I分鐘，用清水沖洗干凈后再將玻璃板放進超聲波清洗機里清洗45~60秒鐘，再用清水沖洗干凈，直至玻璃表面的水膜不破裂；
清洗后干凈的玻璃片要即刻進行干燥處理，用壓縮空氣將玻璃表面的水分吹干，防止表面有水潰產(chǎn)生。為防止干燥不徹底，還需將玻璃板再放進100~110°C的烘箱中烘2分鐘，使得玻璃表面在涂覆光刻膠前保持干燥以增強粘附力。放在烘箱中20?25°C室溫下風冷I?2分鐘后取出，將玻璃板立刻涂膠。
[0015]2、旋轉(zhuǎn)涂膠:試驗使用的甩膠設備是自動勻膠機，使用的記錄介質(zhì)是正性光刻膠。涂膠時，把鍍鉻金屬膜玻璃板放置在真空吸附托盤上，先低速旋轉(zhuǎn)10秒鐘，讓光刻膠擴散開來，然后高速旋轉(zhuǎn)20秒鐘，使得光刻膠均勻地粘附在基片表面?；砻婀饪棠z的厚度主要與光刻膠的粘稠度和涂膠時的轉(zhuǎn)速來決定:在勻膠機4000轉(zhuǎn)/分的情況下，光刻膠的厚度僅為1.0Mm ；
3、前烘:將涂好膠的鍍鉻金屬膜光刻膠板放到烘箱里面，將烘箱溫度調(diào)至110°C，烘5分鐘。以使光刻膠膜充分干燥來增加光刻膠的粘附性和耐磨性，從而增加曝光時的光吸收并提高膠的抗腐蝕能力；
4、曝光:包括對準和曝光。對準是使掩模版上的圖形和甩了膠的玻璃板緊密貼合。試驗使用的光源是紫光半導體激光，曝光的方式為數(shù)字光刻微雕反射式制作光路，利用計算機生成的圖形輸入DMD，使其+1級衍射波通過縮微物鏡直接成像在像面的鍍鉻金屬膜光刻膠板上；
5、后烘:曝光后，需要對曝了光的鍍鉻金屬膜玻璃板進行烘烤，即曝光后烘，主要是降低曝光時產(chǎn)生的駐波效應。駐波是由于曝光時入射波和玻璃板上反射波產(chǎn)生了干涉引起的；
而由于烘烤時高溫導致感光劑在光刻膠中擴散，從而使得曝光區(qū)與非曝光區(qū)的邊界變得比較均勻；
6、顯影:將曝光后烘冷卻后的玻璃板取出來，在鈉黃光(單色光)的環(huán)境下進行顯影。試驗中使用的是正性光刻膠，通過顯影后，曝光的部分由于吸收了光，光刻膠變成可溶性的被溶解掉。所以曝光部分的光刻膠被去掉，而未曝光的部分被留下。顯影時間選擇要合適，顯影時間過長會造成光刻膠的溶解過度，會導致一些圖形的不完整甚至改變圖形原來的形狀，達不到整版縮微的目的。相反，如果顯影不足就會導致在有圖案的部分還有膠剩余，這樣會在刻蝕的時候刻不完整甚至缺失部分圖案。所以要掌握好顯影時間和顯影溫度顯影環(huán)節(jié)中至關重要。試驗中使用的顯影液是濃度為3.5%。的NaOH溶液。顯影液溫度的最佳范圍是21°(T23°C。顯影時間為30?40秒，最后用溫水定影即可；
7、堅膜:就是將顯影后的鍍鉻金屬膜玻璃板進行烘干處理。鍍鉻玻璃板在顯影后，必須再經(jīng)過一次烘干處理，以加強顯影后膠膜與鍍鉻玻璃板之間的附著力，從而使得光刻膠能夠在腐蝕的時候真正起到保護所生成圖形的作用。堅膜的溫度和時間的選擇也要合適。本實驗采用的是將鍍鉻玻璃板放在110 ° C的烘干器中烘2分鐘；
8、鉻刻蝕:其目的是將光刻膠上的圖像最終轉(zhuǎn)移到鍍鉻玻璃板上。試驗中刻蝕采用的是濕法刻蝕。主要將硝酸鈰銨、濃度為98%的醋酸和去離子水按7:1:30的體積比混合配成溶液進行化學刻蝕，刻蝕溫度為21°(T23°C，刻蝕時間為40-50秒，注意控制好每次的刻蝕溫度和刻蝕時間；
9、玻璃刻蝕:刻蝕的結(jié)果是將圖案轉(zhuǎn)到玻璃基片上。決定玻璃刻蝕結(jié)果的主要是刻蝕時間、刻蝕溶液以及刻蝕溫度。尤其刻蝕時間一定要把握好。本試驗的刻蝕溶液的配置:取出氫氟酸5ml加入95ml去離子水稀釋,再取氟化銨3.7克加入IOOml去離子水中溶解,最后將二者溶液混合。玻璃刻蝕時間為40-50秒，溫度控制在21°(T23°C最佳； 10、去膠:鍍鉻玻璃板刻蝕以后，接下來進行去膠。試驗使用的是溶劑去膠的方法。在室溫的條件下，將刻蝕后的鍍鉻玻璃板放在NaOH溶液中浸泡I分鐘以上即可去除鍍鉻玻璃板表面的光刻膠殘余膠。其中去膠液是濃度為5%的NaOH溶液；
11、二次鉻刻蝕:玻璃刻蝕后，將在第一次鉻刻蝕的時候被膠保護的鉻金屬薄膜再去掉，最終得到玻璃上的圖案。去鉻溶液配方和步驟8的溶液配方一樣。去鉻時間為直到鉻金屬膜徹底脫去為止；
若數(shù)字微雕圖形直接生成在玻璃板表面的光刻膠上，圖像的精細結(jié)構和層次受曝光量的影響較大，可能使得微雕作品的細節(jié)表現(xiàn)有一定難度，為此，使用在玻璃板上先真空蒸鍍一層金屬薄膜，如鉻膜等，然后在鉻金屬膜玻璃板上涂覆光刻膠，經(jīng)過二次鉻刻蝕和玻璃刻蝕，按上述工藝流程，最終在玻璃板上可得到圖像清晰的微雕成品，圖案或文字最終保留在玻璃片基上。實施中設計的光刻微雕原圖如圖3，通過本發(fā)明以及本發(fā)明的雕刻制作方法得到的光刻微雕縮微后的陣列圖和光刻微雕顯微放大圖分別如圖4和圖5所示，通過附圖4和附圖5與附圖3對比可以看出，本發(fā)明雕刻清晰，微雕成品質(zhì)量好。
【權利要求】
1.一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置，它包括紫光半導體激光器、反射鏡、擴束鏡、準直透鏡、光束提升器、數(shù)字微鏡器件、縮微物鏡、光刻膠版、三維精密電控平移臺和計算機，其特征在于數(shù)字微鏡器件連接計算機，計算機將圖形或文字輸送到數(shù)字微鏡器件，并使得圖像或文字在數(shù)字微鏡器件和計算機上的分辨率一致，通過三維精密電控平移臺控制各個部件的位置，使得從紫光半導體激光器發(fā)射的激光束先通過反射鏡反射，然后經(jīng)過擴束鏡和準直透鏡后，照射到一個光束提升器上，光束提升器使準直后的激光束與數(shù)字微鏡器件的平面法線成20°角入射，從數(shù)字微鏡器件發(fā)出的+1級的出射光作為物光波，它經(jīng)過與其同軸的縮微物鏡后，照射到光刻膠版上，使得數(shù)字微鏡器件上的圖形或文字在光刻膠版上形成“潛像”。
2.如權利要求1所述的一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置，其特征在于所述的縮微物鏡倍率為10?20倍縮微物鏡。
3.如權利要求1所述的一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置，其特征在于所述數(shù)字微鏡器件由若干鋁質(zhì)反射鏡片緊密排列組成，并且相互之間有間隔。
4.一種數(shù)字光刻微雕的制作裝置的雕刻制作方法，其特征在于所述雕刻制作方法包括以下步驟:基片預處理一旋轉(zhuǎn)涂膠一前烘一曝光一后烘一顯影一堅膜一鉻版刻蝕一玻璃刻蝕一去膠一二次鉻刻蝕一微雕成品。
【文檔編號】G03F7/20GK103472683SQ201310395073
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權日:2013年9月3日
【發(fā)明者】龔勇清, 蘇兆國, 周張鈺, 龔藝川, 田紅彥, 高益慶, 羅寧寧, 方利華, 徐冉冉 申請人:南昌航空大學