一種微細光束紫外光源的製作方法

2023-09-19 14:25:40 2

專利名稱：一種微細光束紫外光源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於快速成型技術領域，特別是涉及用於微細加工的微細光束紫外光源。
背景技術：
據日本日刊工業新聞社1990出版的《光造形法》一書第61-70頁介紹，立體光刻成型(Stereo Photo-Lithography)(又稱之為快速成型)技術是20世紀80年代初開發出來的集CAD/CAM技術、雷射應用技術和高分子功能材料科學於一體，能夠快速地製造任意複雜的三維的一種新技術。該書在對相關技術介紹中，給出了其所用紫外光源的類型為波長為325納米的He-Cd雷射器和波長為488納米的Ar離子雷射器。但是，由於雷射器及其運行費用較高，在一定程度上限制了光成型技術的推廣應用；同時，未見對該技術是否可應用於微細加工領域的介紹，也未見就「微細光成型」技術可能應用的光源予以說明。
據中國《光電工程》(Vol.24，No.2，1997，p1)和《應用光學》(Vol.1999.3，p34-36)介紹，在快速成型技術中可以利用「高壓汞燈」來作為紫外光源。但是，有關的文獻僅討論了在普通模型製造中的應用，未見探討在「微細光成型」技術中應用的可能性。
據中國科學院長春光學精密機械研究所主辦的《光學精密工程》(Vol.3，No.2，p11，1996年)介紹，用於微細結構製造的「微光成型」技術已成為研究熱點之一，需解決的關鍵技術之一就是在滿足成型固化所需光能量的前提下，儘量減小曝光光斑直徑，並正確地控制曝光量，以獲得最小的固化線寬和結構。但是，未見能實現微細結構固化的光源的具體介紹。
據《光學技術手冊》(王之江等編，機械工業出版社1994年)介紹，非雷射的紫外光源雖然已在微細加工中的「光刻機」中得到應用，但僅用於掩模曝光的平面加工，無法用於任意三維掃描曝光的微細光成型技術中。為此，需要設計和研製能滿足微細光成型技術的微小結構固化成型又具經濟性的紫外光光源。
技術內容本實用新型提出一種能進行任意掃描曝光的微細光束的紫外光光源，以克服現有技術的上述缺陷，實現微小結構的掃描固化成型。
本實用新型微細光束的紫外光源，將高壓汞燈2設置在一半徑為50-80mm的球面全反射鏡1的球心，並以高壓汞燈2的發光中心高度為水平光軸，其特徵在於在光軸上高壓汞燈2的前方50-80mm處設置一隔熱平鏡3，在隔熱平鏡3前方10-20mm處放置一帶通濾色鏡4，再將由兩曲面相對放置的一對平凸透鏡5和6組成的聚光部件安放在濾色鏡4的前方且距離汞燈90-120mm處，該平凸透鏡5和6之間的間隙為2-5mm；在平凸透鏡5和6聚光部件的光束會聚處設置一兼作光闌的磁電式可控光閘7，該光閘7是一在電磁線圈的鐵芯上垂直向上粘接一矽片，該矽片上開有一直徑為0.6-1.0mm的通孔，將該通孔與光軸同軸放置；電磁線圈的兩端與計算機並口相接；光閘7前方10-20mm處再安放一對兩曲面相對放置的平凸形耦合透鏡8和9，該兩平凸形耦合透鏡8和9之間的間隙為3-5mm；用於傳導光束的石英光纖10其數值孔徑為0.25-0.40、纖芯直徑為0.4-0.7mm、長度為1.0-2.0m，該石英光纖10的入射端設置在耦合透鏡9的焦點位置，出射端放置一直徑為0.05-0.5mm的光闌11，在該光闌11的前方153.0mm處放置一個數值孔徑為0.2-0.65的顯微物鏡12。
使用時，接通高壓汞燈2的交流穩壓電源後，高壓汞燈被點燃並輻射出光，一部分經球面反射鏡1反射出來的光與另一部分從高壓汞燈直接輻射出來的光一起向前輻射，經隔熱平鏡3後得到已基本無紅外的光束，再經帶通濾色鏡4後就可得到峰值波長的365納米的紫外光束，光束繼續向前傳播至平凸透鏡5和6構成的聚光部件，將原發散光束會聚為較小的光斑，再通過兼作光闌的磁電式可控光閘7和耦合透鏡8和9，將紫外光束傳導至石英光纖10，從光纖10出射的光再經光闌11傳輸到顯微物鏡12，則在顯微物鏡12的焦面13上可獲得微米級紫外光束。
為了將目前僅用於模型製造的「光成型」技術引入到微小/微型機械製造領域來進行微細結構的成型製造，本實用新型選用「球形超高壓汞燈」作為紫外發光源，具有價格便宜、結構簡單，紫外輻射相對穩定等優點；本實用新型通過在高壓汞燈的前方光路中設置隔熱平鏡和帶通濾色鏡，可以方便地獲得所需帶寬的紫外光；採用雙片式兩平凸透鏡構成的聚光部件結構簡單、光學元件製造和組裝容易；在雙片式聚光後的光路上設置一兼作光闌的磁電式可控光閘，可利用計算機控制，能根據需要實現可選擇性曝光；採用石英光纖傳導方式的導光部件，結構簡單，不僅紫外光傳導損失小，且由於光纖優良的可繞性，使得由光闌和顯微物鏡構成的微細光刻頭能隨三維成型工作檯作任意掃描曝光運動，滿足了使光刻頭可在X-Y平面內作任意掃描運動的要求；通過在光纖出射端設置一光闌和一個顯微物鏡的縮微作用，可獲得所需的微米級曝光光斑。
若使用國產He-Cd雷射器作為光源，僅其成本就約3.0-4.0萬元，還需配套設計導光、光刻頭和光閘等部件，如再考慮其使用和維護成本，費用將更大；如應用Ar離子雷射器或染料雷射器則費用更高；而本實用新型的「微細光束紫外光源」結構簡單，、便於使用和維護，成本低，可以實現的曝光光斑為4-20μm，其製造成本僅約0.8萬元；可利用「微細光成型技術」進行掃描曝光，使任意三維微細結構的微細加工得以實際應用。


圖1為實用新型「微細光束紫外光源」的光源光路原理圖。
圖2為高壓汞燈的光譜發光光譜。
圖3為XRB1的光譜特性曲線。
圖4為ZWB2的光譜特性曲線。
圖5為微細固化線形放大190倍的SEM照片。
圖6為固化成型的微小雙聯齒輪放大40倍的SEM照片。
具體實施方式
實施例1按附圖1所示的光源光路原理圖組裝「微細光束紫外光源」。首先，在一基礎平臺上設置一支撐架以垂直放置紫外發光源的「高壓汞燈2」，在高壓汞燈的後方設置一面半徑為60mm的球面全反射鏡1，並使高壓汞燈2位於球面全反射鏡1的球心，以此來提高光能的利用率；在高壓汞燈的前方70mm處設置一面隔熱平鏡3，隔熱平鏡3的前方30mm處放置一面帶通濾光鏡4；將一對平凸透鏡5和6將其兩透鏡曲面相對放置，使兩平凸透鏡5和6之間的間隙為3mm，並將兩者構成的雙片式聚光系統安放在濾色鏡的前方離汞燈110mm處，且使平凸透鏡的光軸與汞燈發光中心等高；在平凸透鏡5和6聚光部件的光束會聚處設置一兼作光闌的磁電式可控光閘7，該可控光閘7是一在電磁線圈的鐵芯上垂直向上粘接一長方形的矽片，該矽片的另一端開有一直徑為0.6-1.0mm的通孔，將該通孔與光軸同軸放置；電磁線圈的兩端引線與計算機並口相接，使矽片上孔徑為1.0mm的通孔與光軸同軸，再在光閘後0.5mm放置透鏡8和9，透鏡8和9之間的間隙為5mm，並在耦合透鏡9的焦點處同軸設置一數值孔徑為0.37、纖芯直徑為0.6mm、長度為1.0m的石英光纖10；在光纖的出射端面設置一孔徑為0.2mm的光闌11，並在光闌11的前方153.0mm處放置一顯微物鏡12，並使顯微物鏡12與光闌11同軸，則在顯微物鏡12的焦面13上就可實現直徑約為10.0μm的紫外光斑，即得到一體化的、能獲得微米級光束的紫外光源。
本實施例採用的主要光學元件的參數列於表1。
表1 主要元件的參數(mm)

其中「球形超高壓汞燈」的功率為200W，隔熱平鏡為XRB1型，透紫外光濾光鏡為ZWB2型，選取UV級螢光物鏡、NA＝0.65、放大倍率為25x的顯微物鏡。
使用時，當接通高壓汞燈2的220V交流穩壓電源後，高壓汞燈被點燃並輻射出光，一部分光線經球面反射鏡1反射後與另一部分由高壓汞燈直接輻射出的光線一起向前輻射，經隔熱平鏡3後得到已基本無紅外的光束，再經帶通濾色鏡4後，可得到峰值波長的365納米的紫外光束，光束繼續向前傳播至兩曲面相對放置的平凸透鏡5和6聚光部件，將原發散光束會聚直徑為0.8mm的光斑，再通過兼作光闌的磁電式可控光閘7的通孔和兩曲面相對放置的耦合透鏡8和9，將紫外光束耦合至石英光纖10，光纖出射光再經直徑為0.2mm的光闌11傳導至顯微物鏡12，則在顯微物鏡12的焦面13上就可實現直徑約為10.0μm的紫外光斑。
本說明書附圖給出的圖2為高壓汞燈的光譜發光光譜，圖3為XRB1的光譜特性曲線，圖4為ZWB2的光譜特性曲線。
由附圖2可知球形超高壓汞燈的輻射光譜譜線較寬，在波長為365納米處的紫外輻射較強，但微細光成型技術要求曝光光斑的帶寬較小，故不能直接應用；因此，本設計通過在其前方選用一面隔熱平鏡(其光譜線如附圖3所示)和一面帶通濾色鏡(其光譜線如附圖4所示)，即通過附圖3中的「b」位置和附圖4中的「c」位置的合成，來獲得附圖2中「a」位置所示的峰值波長為365納米的紫外光。
位於隔熱平鏡和帶通濾色鏡前方的聚光部件，是用來會聚汞燈出射的發散光能，雖然它不象物體成像系統對像差有較高的要求，但是，為了既能獲得足夠的光能，又有利於後續導光及光纖耦合部件的設計，本實用新型選用了雙片式結構型式的兩平凸透鏡系統。
導光及光纖耦合部件的功能是將聚光部件所得的會聚光束在較小能量損失下傳導至微縮光束系統的光刻頭，為此，選用光纖傳導方式，同時，通過選取合適數值孔徑、纖芯直徑的石英光纖，並通過透鏡耦合方式，來提高光能傳輸效率，使得導光及光纖耦合部件具有結構簡單，並能在X-Y平面內作任意掃描運動。
微細光刻頭的任務是將光纖傳輸來的光束進一步縮微，使其能達到數微米量級，根據顯微鏡成像原理，將其光路倒置使用，並通過選取不同解析度的顯微物鏡和在光路中插入不同大小的光闌，就很容易獲得不同大小的微米級曝光光斑。
另外，在聚光部件與導光及光纖耦合部件之間設置一個光閘，以滿足微細光成型技術對不同圖形的可選擇性掃描曝光的要求，同時，為了滿足選擇性曝光對光閘的響應頻率性，要求，本實用新型選用「磁電式」音圈驅動結構來實現計算機的隨機控制。
本說明書給出的實施例1已在一套微細光成型系統中得到了應用。附圖5給出了曝光固化實驗的微細直線線形的放大190倍的SEM照片；附圖6給出了固化的微小三維實體零件雙聯齒輪的放大40倍的SEM照片。而本實用新型還可以通過光路有關參數的變化實現不同的需要，如「球形超高壓汞燈」可以選用50W-500W不同的功率來實現不同輸出能量的要求；隔熱平鏡3和帶通濾光鏡4與高壓汞燈的距離以及兩者之間的距離，雙片式聚光系統與汞燈之間的距離都可以在一定範圍內變化，來實現不同聚光效能的需求；石英光纖10的直徑和其出射端光闌11的直徑以及顯微物鏡12的數值孔徑，也可以通過不同的優化匹配，來獲得不同直徑的紫外曝光光斑。
本實用新型「微細光束紫外光源」具有結構簡單，成本低、易於實現、便於使用和維護等眾多優點；由實施例顯示的任意三維微細結構的微細加工成果可知，它不僅能滿足「微細光成型技術」選擇性掃描曝光的要求，還將能在快速成型技術領域發揮作用。
權利要求1.一種微細光束的紫外光源，將高壓汞燈(2)設置在一半徑為50-80mm的球面全反射鏡(1)的球心，並以高壓汞燈(2)的發光中心高度為水平光軸，其特徵在於在光軸上高壓汞燈(2)的前方50-80mm處設置一隔熱平鏡(3)，在隔熱平鏡(3)前方10-20mm處放置一帶通濾色鏡(4)，再將由兩曲面相對放置的一對平凸透鏡(5)和(6)組成的聚光部件安放在濾色鏡的前方且距離汞燈90-120mm處，該平凸透鏡(5)和(6)之間的間隙為2-5mm在平凸透鏡(5)和(6)聚光部件的光束會聚處設置一兼作光闌的磁電式可控光閘(7)，該光閘(7)是一在電磁線圈的鐵芯上垂直向上粘接一矽片，該矽片上開有一直徑為0.6-1.0mm的通孔，將該通孔與光軸同軸放置；電磁線圈的兩端與計算機並口相接；光閘(7)前方10-20mm處再安放一對兩曲面相對放置的平凸形耦合透鏡(8)和(9)，該兩平凸形耦合透鏡(8)和(9)之間的間隙為3-5mm；用於傳導光束的石英光纖(10)其數值孔徑為0.25-0.40、纖芯直徑為0.4-0.7mm、長度為1.0-2.0m，該石英光纖(10)的入射端設置在耦合透鏡(9)的焦點位置，出射端放置一直徑為0.05-0.5mm的光闌(11)，在該光闌(11)的前方153.0mm處放置一個數值孔徑為0.2-0.65的顯微物鏡(12)，則在顯微物鏡(12)的焦面(13)上可獲得微米級紫外光束。
專利摘要本實用新型微細光束的紫外光源，特徵是從設置於球面全反射鏡1球心的高壓汞燈2發出的光與反射鏡反射的光一起，經隔熱平鏡3和帶通濾色鏡4後，得到峰值波長的365納米的紫外光束，至平凸透鏡5和6會聚為較小的光斑，再通過兼作光闌的磁電式可控光閘7和耦合透鏡8和9，將紫外光束傳導至石英光纖10，從光纖10出射的光再經光闌11傳輸到顯微物鏡12，則在顯微物鏡12的焦面上可獲得微米級紫外光束；可利用計算機控制磁電式可控光閘。本實用新型不僅結構簡單，還實現了任意掃描的可選擇性曝光。
文檔編號G02B3/00GK2689294SQ200320123288
公開日2005年3月30日 申請日期2003年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者王翔, 沈連婠, 胡玉禧, 李川奇 申請人:中國科學技術大學