一种锗晶体光码盘的分划制作工艺研究

苏 颖，陈俊霞，张 勇，张成群，龚 涛

（河南平原光电有限公司，河南 焦作454001）

引言

光学码盘是光学轴角编码器的角度基准光学元件，是实现模－数转换（A／D转换）的有效工具之一，是信息场形成的关键零件。激光通过码盘上的光栅通道，形成信息场的调制频率。按代码形成的方法，编码器可分为增量式和绝对式2种。普通的计量光栅可看成是一种增量式编码器，但它没有固定的零位。当它具有零位编码器时，兼有绝对零位的性能。绝对式编码器按其输出代码形式可以有二进制、二－十进制、六－十进制等。以二进制代码为基础进行编码的码盘，用透光和不透光2种状态表示二进制代码的“1”和“0”2个状态。并且以每个码道（即圆周上黑白相间的一圈）代表二进制的一个数。这样就可以得到一个包括多个码道的、按二进制规律组合起来的码盘图案［1］。本文介绍的码盘是以二进制代码为基础进行编码的码盘。采用CO2激光器的激光驾束制导仪，工作波长为10.6μm，码盘需用锗晶体基底来制作。锗晶体广泛应用于红外光学系统，如红外探测器和红外热像仪［2－3］。作为一种光学材料，在红外光学主要是用来制造红外光学镜头和红外窗口等，锗晶体的生产在国内外亦有成熟工艺［4－6］。锗码盘的制作主要包括：光坯的加工－码盘图案的制作－镀膜等制作过程。锗晶体光坯的加工及红外增透膜的镀制在国内有成熟工艺，但却鲜有分划图案的制作技术。因此，锗基底码盘的加工及检测是一项新的工艺课题。一般光学分划板的制作工艺原理：在清洁的工件基底上镀上光掩膜，再涂上光刻胶［7］，采用工件与母版照相复制接触曝光的方法，显影后光刻胶形成所需图形，再经腐蚀去掉图形外的光掩膜部分，最后剥离图形上的光刻胶层，获得所需分划图形。目前工厂光学玻璃码盘的制作已经形成了一套比较完整的加工方法，玻璃码盘的制作方法一般采用正性光刻胶先镀铬后照相的方法制作，工艺路线如下：

光学晶体与光学玻璃在性质上有共同之处，但也有其特殊性。因此，在工艺上也有其共性与特性。锗晶体是有规律、重复排列格子结构的固体，光学玻璃是由熔体过冷却所得的无定形体，两者在结构上有很显著的差别［8］。另外，由于锗晶体在可见区不透光，工艺过程中涂胶及显影质量的好坏很难观察，这也会给制作带来了一定的难度，故其加工方法只能针对晶体所具有的特性进行选择。

1 工艺方案设计

1.1 工艺方案

照相复制使用的光刻胶有2类：1）正性光刻胶；2）负性光刻胶。因此，分划制作工艺也可分为正性光刻胶法和负性光刻胶法。光刻胶在曝光之后，被浸入显影液中，在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域溶解得要快得多。理想情况下，未曝光的区域保持不变。负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的区域被保留［9］。

1.1.1 正性光刻胶法

a）正性光刻胶的常规工艺是先镀膜后照相，先镀膜可以依靠多次镀制来消除膜层上的针孔。玻璃码盘的制作通常是用正性光刻胶按先镀铬后照相的方法进行制作的。

b）正胶反用法也可制作分划图案，即用正性光刻胶采用先照相后镀膜工艺。用正性光刻胶先照相后镀铬工艺制造，将得出透光与不透光区与实际要求相反的分划图案。因此，正胶反用法需使用透光与不透光区与实际要求相反的照相底版。

1.1.2 负性光刻胶法

负性光刻胶的常规工艺是先照相后镀膜，这就对环境的洁净度提出了较高要求，洁净度要求为百级，镀膜需一次完成，膜层表面很容易产生针孔，这种工艺制作码盘难度较大。

1.2 分划质量的主要影响因素

1.2.1 环境温度

环境温度对光刻胶的放置及溶解反应有直接影响，因此，环境温度不能过高，一般在18℃～26℃。

1.2.2 曝光时间

正确的曝光量是影响分划质量的关键因素，曝光不够或曝光过度均会影响复制图形的再现性。

显影时间不充分会导致显影不足或不完全显影，而显影时间过长则可能造成光刻胶的过腐蚀，导致图形变形。

2 工艺试验与结果分析

对厚度为3mm的锗试片和锗晶体零件分别采用以上3种方案进行锗码盘分划制作工艺研究实验。加工后，通过在二座标测量机上观察和测量透过率，分析工艺制作的图案质量，找到锗码盘分划制作工艺的最佳方案。

2.1 正性光刻胶先镀铬后照相法

我们将锗光坯用正性光刻胶按工艺路线：镀铬→涂胶→曝光→显影→腐蚀→去胶进行加工，环境温度21℃，曝光时间8min，显影时间60s左右。加工后，观察发现锗光坯表面没有形成任何图案，如图1所示。透过率测量结果：在波长10.6μm处，镀铬锗试片透过率是4.68%，锗码盘零件的不通光区透过率是5.63%，通光区透过率是5.90%。

对于以上测量结果，前两项属正常，但是锗码盘零件在通光区透过率仅为5.90%是不正常现象，因为，锗的透过率约为50%［10］，而波长在10.6μm处，厚度为3mm的锗晶体透过率应为48%左右。经分析，我们认为锗码盘零件上通光区的铬层没有被腐蚀掉。

图1 正性光刻胶先镀铬后照相法试验后的实物照片Fig.1 Photo of positive photoresist by method of coating with chromium film before exposure

将腐蚀时间延长后观察发现，铬层部分脱落，而锗基底也被腐蚀出凹坑，图2是零件经7h腐蚀后的实物照片，图3为零件经7h腐蚀后在二座标上放大300倍的图片。

图2 正性光刻胶先镀铬后照相法零件经7h腐蚀后的实物照片Fig.2 Photo of positive photoresist after 7 h corrosion by method of coating with chromium film before exposure

图3 正性光刻胶先镀铬后照相法零件经7h腐蚀后放大300倍的图片Fig.3 Picture amplified by 300 times of positive photoresist after 7 h corrosion by method of coating with chromium film before exposure

由上我们得出结论：锗晶体光坯上镀上铬后，铬膜与锗结合非常牢固，脱铬非常困难，即使长时间腐蚀也难以将铬层脱净，而长时间腐蚀，腐蚀液会对锗基底造成破坏。因此，正性光刻胶先镀铬后照相工艺不适用于锗码盘的制造。

2.2 正性光刻胶先照相后镀铬法

我们将锗试片光坯用正性光刻胶按工艺路线：涂胶→曝光→显影→清洗→镀铬→去胶进行加工，环境温度20℃，曝光时间8min，显影时间60s左右。将加工后的锗试片在二座标设备上观察，发现锗试片上的图案线条边缘比较整齐，但同时存在透光区有脱不干净的铬膜，图4是锗试片实物照片，图5为锗试片在二座标上放大300倍的图片。

图4 正性光刻胶先照相后镀铬法试验后的实物照片Fig.4 Photo of positive photoresist by method of exposure before coating with chromium film

图5 正性光刻胶先照相后镀铬法试验后放大300倍的图片Fig.5 Picture amplified by 300 times of positive photoresist by method of exposure before coating with chromium film

在透光区存在遮挡层的码盘，不能满足要求。因此，正性光刻胶先照相后镀铬工艺也不适用于锗码盘的制造。

2.3 负性光刻胶先照相后镀铬法

将锗光坯负性光刻胶按工艺路线：涂胶→曝光→显影→清洗→镀铬→去胶等进行加工试验，环境温度23℃，曝光时间11min，显影时间90s左右。在二座标设备上对加工后的零件进行观察和测量，发现锗码盘图案边缘比较整齐，图案边缘不均匀性最大为0.008mm，尺寸精度较在玻璃上制作码盘稍差。图6是锗码盘的实物照片，图7是锗码盘在二座标上放大300倍的图片。

6 负性光刻胶先照相后镀铬法试验后的实物照片Fig.6 Photo of negative photoresist by method of exposure before coating with chromium film

图7 负性光刻胶先照相后镀铬法试验后放大300倍的图片Fig.7 Picture amplified by 300 times of negative photoresist by method of coating with chromium film before exposure

由于镀膜是一次完成，铬膜上可能会有针孔存在。而锗晶体在可见区不透光，用现有的仪器无法观察到针孔，也就使得针孔无法修补。但从用玻璃试片进行可行性试验发现：在镀膜一次完成的情况下，针孔直径尺寸一般小于0.01mm，不影响码盘的整体性能。

透过率测量结果：在波长10.6μm处，不透光区透过率是6.633%，透光区透过率是48.806%。

3 结论

通过3种制作锗码盘的工艺试验，从制作与测试情况看，使用负性光刻胶按先照相后镀铬的制作方法，在锗基底上可以制作出明暗对比度大、图案边缘不均匀性小于0.008mm的锗码盘，制作的锗码盘满足激光驾束制导仪的使用。因此，锗晶体码盘分划制作的最佳工艺方案为采用负性光刻胶法制作，工艺路线如下：

同样，这种制作方法也可用于其他红外分划元件的制作。

［1］ Wang Zhijiang.Optical technical manual［M］.1st ed.Beijing：Machine Industry Press，1987.王之江.光学技术手册：上册［M］.1版.北京：机械工业出版社，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元长波红外探测器的搜索光学系统设计［J］.应用光学，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.王洪伟，王彩铃，张殿富.轻量化超宽温度折／衍混合红外热像仪光学系统设计［J］.应用光学，2012，33（6）：1133-1136.

［4］ Ma Shaofang，Pei Yulan，Feng Deshen，et al.Major diameter infrared optical Ge monocrystal［J］.Guangdong Trace Elements Science，1998，15（2）：63-65.马绍芳，裴玉兰，冯德伸，等.大直径红外光学锗单晶［J］.广东微量元素科学，1998，15（2）：63-65.

［5］ Zhang Zhijian.Large size IR germanium monocrystalline growth［J］.Journal of Yunnan University，2002，24（1A）：78-82.张志坚.红外锗单晶大晶埚径比水平放肩生长［J］.云南大学学报，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.李贺成，王铁艳.国外红外用大尺寸锗晶体的生产方法及水平［J］.稀有金属，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.光学零件加工技术［M］.2版.北京：兵器工业出版社，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.来五星，轩建平，史铁林，等.微制造光刻工艺中光刻胶性能的比较［J］.半导体技术，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.张玉兰，李延君，吕凯，等.锗金属单晶材料性能及加工技术研究［J］.长春理工大学学报，2005，28（4）：106-109.