一种制作云纹光栅的方法和纳米压印设备技术

一种制作云纹光栅的方法和纳米压印设备，属于光学器件制造和光测力学技术领域。本发明专利技术首先采用电铸工艺制作镍光栅膜，再采用覆膜工艺制作镍基金属光栅模板，避免了硅基等脆性模板易裂的缺点，可以多次重复使用。通过纳米压印的方法和设备在试件表面制作云纹光栅，操作简单，经济实用。纳米压印设备由加压，升温，冷却、控制系统等组成。压印在真空环境下完成，使用导轨定向，气囊可控推进，并利用气囊内气体压力的自平衡使上下压板在压印的过程中保持平行，采用电加热快速升温，采用水冷装置快速降温，提高了云纹光栅的制作效率。该方法和设备可以制作适合几何云纹、云纹干涉等方法测试的各种频率的云纹光栅。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制作云纹光栅的方法和纳米压印设备，属于光学器件制造、光测 力学领域。
技术介绍
转移或直接刻蚀在被测物体表面的光栅作为物体表面变形信息的载体，在光测力 学领域中是几何云纹法、云纹干涉法和电镜云纹法中进行物体表面变形测量的基本元件。机械刻划是制作光栅最传统的方法，该方法利用刻纹机在光栅材料表面刻划出一 条一条的沟槽，对刻纹机的机械精度提出了很高的要求。刻纹机设备笨重，制作光栅不仅费 时、制作成本高，而且所得到的光栅频率比较低，质量也不尽如人意。(马宏.精密刻划工 艺，兵器工业，北京，1994)全息光刻法是继机械刻划法后发展起来的一种光栅制作方法，它的出现是光栅制 作
中的一个里程碑，将光栅制作技术向前推进了一大步。全息光刻法的不足之处 是所需光学元件较多，光路复杂，因而对非专业人员而言，实施起来不但相当困难，而且效 率仍然很低。(石玲，戴福隆.试件栅刻蚀技术研究 实验力学，1996(01) 18-23.)近年来，电子显微镜用来制作高频率的云纹光栅，它是利用电子束、聚焦离子束等 在材料表面刻蚀刻划出一条一条的沟槽，方法类似于机械刻划机。其缺点是制作的云纹光 栅效率低，面积小。(谢惠民，戴福隆，岸本哲，张维.电子束刻蚀法制作微米/亚微米云纹 光栅技术，光学技术，2000，26 (6) =526-528)热压印技术是新兴的微加工技术，他利用电子抗蚀剂热粘弹性力学特性将模板上 的微纳米尺寸的图案转移到基地材料上，这种技术具有可重复性、省事、制造成本低、高产 量等的优点。但是，纳米压印常用的是脆性的硅模板，容易在压印的过程中受损，甚至断裂， 造成严重的经济损失，电铸和覆膜工艺为柔性的金属光栅模版提供了新的思路(刘仁志， 实用电铸技术，北京化学工业出版社，2006.曹华，袁松，覆膜技术与实践，北京印刷工业 出版社，2000)；已有的纳米压印设备笨重、成本高昂、对中找平程序复杂，极大地限制了这 一技术的推广应用。为了解决这些问题，发展和推广应用纳米压印技术制作云纹光栅，研究 高韧性的、耐用的金属模板，同时设计开发简单实用的纳米压印设备成为光测实验的紧迫 需求。(熊瑛，刘刚，田杨超.纳米压印技术制作纳米光栅，微细加工技术，2008 (4) 25-30 ； Schift, H. , Nanoimprint lithography :An old story in modern times ？ A review. Journal of VacuumScience & Technology B，2008，26 (2) :458-480.)
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制作云纹光栅的方法和纳米压印设备，可制作出单向光 栅、正交光栅和应变花光栅，制作的云纹光栅效率高，面积大。该方法采用电铸和覆膜工艺 制作镍基金属光栅模板，避免了硅基等脆性模板易裂的缺点，可以多次重复使用；在压印 时，覆膜的3M双面胶膜可以增强电铸镍光栅和被压试件表面的接触，有效的消除试件表面3的不平整度对纳米压印过程的影响；纳米压印设备结构紧凑、制作成本低、自动化程度高， 非专业人员也可以使用。本专利技术的技术方案如下一种制作云纹光栅的方法和纳米压印设备，其特征在于将带有光栅微结构的导电母板作为阴极，镍金属作为阳极，在氨基硫酸镍溶液中 电铸，得到0. 5mm 1mm厚的镍光栅膜；通过双面胶膜将电铸得到的镍光栅膜粘接到基板上，得到镍基金属光栅模板；所 述的基板为平整的普通玻璃或者石英玻璃，所述的双面胶膜为3M双面胶膜；将试件表面抛光，清洗、烘干后，在试件表面上旋涂电子抗蚀剂，烘干定胶后，将镍 基金属光栅模板覆盖在试件表面上；采用纳米压印设备进行压印将覆盖有镍基金属光栅模板的试件放入设备中，通 过温控设备升温，达到电子抗蚀剂的转变温度Tg以上后施加1 4MPa压力，然后将温度降 低至室温后卸压，将镍基金属光栅模板与试件分离，然后在试件表面的电子抗蚀剂上镀一 层10 50nm厚的反光金属铝膜，就得到云纹光栅。所述的纳米压印设备包括气囊、加热板、上压板、压力传感器、真空泵、压气机以及 控制器；所述的加热板通过隔热板设置在气囊的上面；在所述的加热板上面固定有导轨， 所述的上压板沿导轨实现上下滑动，在上压板的上面设有压力传感器，该压力传感器通过 信号线与所述的控制器相连接；所述的气囊、加热板、上压板和压力传感器被放置在密闭空 腔内；所述的真空泵通过第一高压管路与密闭空腔连通，所述的压气机通过第二高压管路 与气囊连接，所述的第一高压管路和第二高压管路之间通过带有截止阀的第三高压管路相 连接；所述的控制器分别通过控制线路与所述的真空泵、压气机和加热板连接。本专利技术的技术其特征还在于所述的上压板内设有冷却水管，该冷却水管的两端 分别与设置在密闭空腔外的水泵和水槽相连。本专利技术所述的加热板采用电加热装置，在加热板内安装有温度传感器，该温度传 感器通过信号线与控制器连接。本专利技术所述的加热板和上压板的直径为80 100mm，表面的粗糙度Ra ( 0. 4。本专利技术所述的密闭空腔内的真空度彡0. 03MPa。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果电铸得到的镍光栅韧性好， 强度高，不易破碎，可以多次重复使用，降低了模板的成本；覆在压印时，覆膜的3M双面胶 膜可以增强电铸镍光栅和被压试件表面的接触，有效的消除试件表面的不平整度对纳米压 印过程的影响；纳米压印设备结构紧凑，零部件价格便宜，制作成本低；制作的云纹光栅频 率高，面积大；采用闭环控制系统保温、保压，自动化程度高，适合非专业的人员操作；不需 复杂的找平装置，使用导轨和气体内压平衡找平；采用电控加热和水冷降温，提高了光栅的 制作效率。附图说明图1为本专利技术的操作流程图。图2为本专利技术的电铸工艺示意图。图3为本专利技术的覆膜工艺示意图。图4为本专利技术提供的制作云纹光栅的热压印设备实施例的结构原理示意图。图5为温度闭环控制系统示意图。图中1_气囊；2-隔热板；3-加热板；4-导轨；5-上压板；6_压力传感器；7_水 槽；8-水泵；9-控制器；10-真空泵；11-气压机；12-截止阀；13-第一高压管路；14-第二 高压管路；15-第三高压管路；16-密闭空腔；17-镍光栅膜；18-双面胶膜；19-基板。具体实施例方式现结合附图对本专利技术具体结构和实施方式作进一步说明。如图1所示，首先，采用电铸工艺制作镍光栅膜，图2为本专利技术的电铸工艺示意图。 用带有光栅微结构的母板作阴极，镍板作阳极，氨基硫酸镍作电铸溶液；在电流作用下，镍 板上的镍不断溶入电解液中，电解液中的镍离子不断沉积到母板的表面Ni-2e" = Ni2+, Ni2++2e" = Ni形成与母板表面相对应的凹凸结构。镍离子沉积于母板表面厚度达到0. 5 1mm 时结束电铸，并与母板分离。得到镍光栅膜17。接着，通过双面胶膜18将电铸得到的镍光栅膜17粘接到基板19上，得到镍基金 属光栅模板，如图3所示。基板19为平整的普通玻璃或者石英玻璃，具有耐高温、膨胀系数 低的特点。双面胶膜18为特种的3M双面胶膜，厚度在0. 05 0. 30mm,能长期耐145°C的 温度，可以满足纳米压印过程中的温度要求。在压印时，覆膜的3M双面胶膜可以增强电铸 镍光栅和被压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作云纹光栅的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：１）制作镍光栅膜：将带有光栅微结构的导电母板作为阴极，镍金属作为阳极，在氨基硫酸镍溶液中电铸，得到０．５ｍｍ～１ｍｍ厚的镍光栅膜；２）制作镍基金属光栅模板：通过双面胶膜将电铸得到的镍光栅膜粘接到基板上，得到镍基金属光栅模板；所述的基板为平整的普通玻璃或者石英玻璃，所述的双面胶膜为３Ｍ双面胶膜；３）将试件表面抛光，清洗、烘干后，在试件表面上旋涂电子抗蚀剂，烘干定胶后，将镍基金属光栅模板覆盖在试件表面上；４）采用纳米压印设备进行压印：将覆盖有镍基金属光栅模板的试件放入设备中，通过温控设备升温，达到电子抗蚀剂的转变温度Ｔｇ以上后施加１～４ＭＰａ压力，然后将温度降低至室温后卸压，将镍基金属光栅模板与试件分离，然后在试件表面的电子抗蚀剂上镀一层１０～５０ｎｍ厚的反光金属铝膜，就得到云纹光栅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，朱建国，唐敏锦，张建民，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]