СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ШКАЛ МЕТОДОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ С ЗАПУСКОМ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PRODUCING PRECISION OPTICAL SCALES BY PHOTOLITHOGRAPHY WITH TRIGGERING

Группа изобретений относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления оптических шкал в оптико-электронных приборах, например сеток и лимбов, имеющих высокую точность расположения элементов топологии.
Класс оптических шкал, называемых сетками, находит широкое применение в различных геодезических и других приборах. Топология сеток может состоять из штрихов, цифр, знаков, как светлых, так и темных, а также может иметь непрозрачную диафрагму по краю детали. Подложки сеток имеют плоскую рабочую поверхность, обратная сторона может иметь плоскую или сферическую поверхность. Круговую оптическую шкалу называют лимбом. Фотолитография - процесс формирования на поверхности подложки топологии с помощью светочувствительного материала (фоторезиста). Запуск - вещество маскирующего покрытия, которым заполняются углубления в стекле и процесс заполнения углублений в стекле.
По первому варианту группы изобретений наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является способ изготовления высокоточных (прецизионных) оптических шкал и сеток фотографических, использующих фотолитографию с травлением для изготовления шкал и сеток, описанный в отраслевом стандарте ОСТ3-6209-86, «Шкалы и сетки фотографические, типовые технологические процессы получения с применением позитивных фоторезистов на основе диазосоединений», который содержит следующие основные операции: чистка, нанесение фоторезиста, сушка, первая термообработка, экспонирование, проявление, вторая термообработка, травление, чистка.
Чистку заготовки производят ватным тампоном, смоченным осушенным и перегнанным этиловым спиртом, а затем ацетоном.
Нанесение фоторезиста на основе диазосоединений производят на вращающуюся заготовку при помощи стеклянной трубочки, капельницы или шприца (частота вращения центрифуги от 800 до 4000 об/мин, допускаемое отклонение частоты вращения от ±40 до ±200об/мин).
Сушку и первую термообработку заготовки с нанесенным слоем фоторезиста производят в сушильном шкафу СНОЛ (конвекционный способ) и в установке ИК-сушки УОФ-700.
Экспонирование производят с использованием установки контактного копирования ИФ-50М и установки проекционного копирования JuBPM S80, предназначенных для изготовления элементов топологии не менее 5 мкм.
Проявление включает переходы: помещение заготовки в раствор проявителя, промывку заготовки струей проточной фильтрованной воды, помещение заготовки в дистиллированную воду, промывку заготовки струей проточной дистиллированной воды и последующую промывку вращающейся заготовки дистиллированной водой (частота вращения центрифуги 300÷1200 об/мин).
Вторую термообработку заготовки производят в сушильном шкафу СНОЛ при температуре (100÷140)°С и охлаждают заготовку до температуры (20±5)°С.
При операции травления хромового покрытия помещают заготовки в кювету с травящим раствором, приводят в контакт алюминиевую палочку с поверхностью заготовки под травящим раствором, травят хромовое покрытие в течение 15-90 с, переносят заготовку под струю проточной фильтрованной воды и промывают так же, как после операции проявления.
Чистка состоит из следующих операций: заготовку протирают ватным тампоном, смоченным ацетоном или диоксаном, заготовку переносят в стакан с 10-15% раствором синтанола, или со смесью диметилформамида и моноэтаноламина в соотношении 1:1, или ацетоном, подогретым на водяной бане до температуры кипения, выдерживают заготовку в течение 2-30 минут, протирают заготовку ватным тампоном, смоченным в этиловом спирте.
При проведении технологического процесса чистота воздушной среды помещений соответствует I классу по ОСТ3-5757-84 (содержание частиц размером более 1 мкм в 1 литре воздуха допускается не более 1000 шт.).
Недостатками указанного способа являются:
- операции технологического процесса не позволяют получить оптическую шкалу, видимую в темное время суток,
- операции технологического процесса фотолитографии не позволяют получить рельеф на поверхности стекла под запуск,
- снижение класса чистоты полированных поверхностей до двух классов, ГОСТ 11141.
По второму варианту группы изобретений наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является изобретение по патенту RU №2370799 С2, «Способ изготовления прецизионных оптических шкал обратной фотолитографией», состоящий из следующих операций: обезжиривание, чистка, первая термообработка, нанесение фоторезиста, вторая термообработка, экспонирование, проявление, нанесение металлического покрытия, удаление защитного фоторезистивного покрытия.
Обезжиривание производят безворсовым материалом, смоченным органическим растворителем.
Чистку заготовки производят следующим образом: подложку устанавливают на центрифугу, задают центрифуге частоту вращения 3500 об/мин и на вращающуюся подложку в рабочую зону шкалы подают чистящий раствор, одновременно в соприкосновение с рабочей зоной шкалы приводится не выделяющий частицы материал, который не повреждает полированной поверхности и не снижает ее класс чистоты. После этого в рабочую зону подают воду, при этом подложка продолжает вращаться с частотой 3500 об/мин. После прекращения подачи воды подложка продолжает вращаться с той же частотой.
Первую термообработку заготовки, установленной на горячей плите с зазором или без зазора, производят в присутствии адгезива.
На заготовку наносят позитивный фоторезист на основе диазосоединений, при нанесении которого производят двухступенчатую регулировку по нарастающей частоте вращения заготовки с 200 до 8000 об/мин и с допускаемым отклонением частоты вращения ±10 об/мин.
Производят вторую термообработку заготовки, установленной на горячей плите с зазором или без зазора.
Экспонирование производят на установке, обеспечивающей ширину элементов топологии не менее 1,5 мкм.
Операцию проявления производят следующим образом: стеклянную полированную подложку с нанесенным и проэкспонированным слоем фоторезиста устанавливают на центрифугу. Включают вращение центрифуги с вращением 3500 об/мин. На вращающуюся подложку в рабочую зону шкалы подают проявитель, а затем воду. После завершения подачи воды подложка продолжает вращаться с частотой 3500 об/мин.
Хромовое маскирующее покрытие наносят на заготовку в вакууме.
Удаление защитного фоторезистивного слоя производят органическим растворителем.
Недостатками указанного способа изготовления высокоточных (прецизионных) оптических шкал обратной фотолитографией являются:
- операции технологического процесса не позволяют получить рельеф оптической шкалы, способной быть видимой при подсветке в темное время суток,
- не предусмотрены операции получения рельефа на поверхности заготовки под запуск.
Задачами, на решение которых направлено каждое из группы предлагаемых изобретений, является получение способа изготовления шкал, имеющих в качестве маскирующего покрытия запуск, находящийся в рельефных углублениях на поверхности стекла.
При реализации заявляемых изобретений достигаемый технический результат заключается в изготовлении высокоточных оптических шкал произвольной топологии с высокой чистотой полированной поверхности до 0-10 класса, имеющих в качестве маскирующего покрытия запуск (рельеф на поверхности).
Поставленные задачи решаются, а указанный технический результат достигается тем, что:
- в первом известном способе изготовления высокоточных оптических шкал методом фотолитографии, содержащем первую чистку заготовки, нанесение на нее фоторезиста, сушку, первую термообработку, экспонирование, проявление, вторую термообработку, травление, вторую чистку,
- после проявления производят дополнительное ретуширование защитным лаком,
- операцию травления заготовки делят на три этапа:
1) травление защитного металлического покрытия,
2) рельефное химическое травление заготовки через защитные фоторезистивное, лаковое и металлическое покрытия,
3) травление металлического покрытия после второй чистки заготовки,
при этом лаковое покрытие удаляют после второго рельефного химического травления, перед второй чисткой,
- производят запуск после третьего травления,
- рельефное химическое травление заготовки производят или травителем в виде пасты, или жидким травителем, или в парах травителя.
- рельефное химическое травление заготовки через защитные фоторезистивное, лаковое и хромовое покрытия жидким травителем производят методом погружения в ванну с травителем или центрифугирования.
В описанном варианте указанный технический эффект достигается всей совокупностью существенных признаков, в том числе: дополнительное ретуширование заготовки защитным лаком обеспечивает сохранение высокого класса чистоты заготовки, использование металлического хромового покрытия в качестве защитного технологического покрытия защищает места, не подлежащие травлению, держит край штриха. Деление операции травления на три этапа обеспечивает формирование высокоточной топологии под запуск. Использование травителя в виде пасты позволяет обеспечить безопасность и экологичность выполняемых работ. Кроме того, обеспечивается технологичность процесса, не требуется дополнительной оснастки приспособлений. При травлении одним из методов: или погружением в травитель, или центрифугированием путем подачи травителя на вращающуюся заготовку, или в парах травителя, получают необходимую точность и возможность изготовления шкал больших размеров.
Технический результат, полученный во втором изобретении группы, также заключается в изготовлении высокоточных (прецизионных) оптических шкал произвольной топологии с высокой чистотой полированной поверхности до 0-10 класса, имеющих в качестве маскирующего покрытия запуск (рельеф на поверхности), обеспечивающий видимость шкалы при подсвечивании в темное время суток.
Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что:
- во втором известном способе изготовления высокоточных оптических шкал методом фотолитографии с запуском, содержащем обезжиривание, чистку, первую термообработку, нанесение фоторезиста, вторую термообработку, экспонирование, проявление, нанесение металлического покрытия, удаление защитного фоторезистивного покрытия, процесс дополняют
- ретушированием защитным лаком,
- третьей термообработкой,
- рельефным химическим травлением стекла через защитные лаковое и металлическое покрытия, при этом рельефное химическое травление производят или травителем в виде пасты, или жидким травителем, или в парах травителя,
- удалением лака,
- травлением металлического покрытия,
- запуском,
- рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и металлическое покрытия производят жидким травителем методом центрифугирования или погружения.
Во втором варианте изобретение характеризуется совокупностью действий, выражающихся в наличии дополнительных операций, средств и веществ. Операция ретуширования защитным лаком обеспечивает сохранение высокого класса чистоты заготовки. Третья термообработка повышает защитные свойства нанесенного лакового покрытия. Рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и металлическое покрытия формирует высокоточную топологию под запуск. Использование травителя в виде пасты обеспечивает технологичность процесса, при этом не требуется дополнительной оснастки, приспособлений. При травлении, или погружении в травитель, или центрифугировании путем подачи травителя на вращающуюся заготовку, или в парах травителя получают необходимую точность топологии и возможность изготовления шкал больших размеров.
Заявляемая группа изобретений характеризуется следующими примерами.
Изготовление оптической шкалы (сетки) на полированной подложке из стекла БК10 (ГОСТ 3514-94), имеющей форму плоского круга, по первому варианту способа
Пример 1. Хромированную полированную подложку чистят батистовыми салфетками, смоченными органическими растворителями. Затем наносят фоторезист ФП-383 методом центрифугирования. Производят конвекционным способом термообработку подложки с нанесенным слоем фоторезиста. Производят экспонирование на установке экспонирования контактным способом. После этого производится проявление методом погружения. Затем производят кисточкой ретуширование защитным лаком мест, не подлежащих травлению. Производят термообработку конвекционным способом. После этого травление хромового покрытия производится химическим способом в травильном растворе на основе насыщенного раствора хлористого кальция и хлористого цинка. Рельефное химическое травление стекла через защитные фоторезистивное, лаковое и хромовое покрытия производят травителем в виде пасты. Удаление защитного лака производят в органическом растворителе, удаление фоторезистивного покрытия - в органическом или неорганическом растворителе. Травление хромового покрытия производят химическим способом в травильном растворе на основе сернокислого церия (IV). Запуск маскирующего покрытия в углубления в подложке производят втиранием вещества на основе оксида цинка для запуска.
Пример 2. Последовательность технологических операций при изготовлении сетки такая же, как в примере 1. Отличие состоит в следующем: рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят жидким травителем методом погружения.
Пример 3. Последовательность технологических операций при изготовлении сетки такая же, как в примере 1. Отличие состоит в следующем: рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят жидким травителем методом центрифугирования с частотой вращения от 100 до 8000 об/мин.
Пример 4. Последовательность технологических операций при изготовлении сетки такая же, как в примере 1. Отличие состоит в следующем: рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят в парах травителя.
Изготовление круговой оптической шкалы (лимба) на полированной подложке из стекла БК10 (ГОСТ3514-94), имеющей вид кольца, по второму варианту способа
Пример 5. Начинают процесс с обезжиривания полированной подложки безворсовыми салфетками, смоченными органическими растворителями. Затем чистят полированную подложку гидромеханическим способом на центрифуге. Производят термообработку методом «горячая плита» в замкнутом объеме в присутствии адгезива. Производят экспонирование на установке экспонирования контактным способом. Проявление производят методом центрифугирования.
Хромовое защитное покрытие наносят на заготовку в вакууме.
Удаление фоторезистивного покрытия производят в органическом или неорганическом растворителе.
Затем производят кисточкой ретуширование защитным лаком мест, не подлежащих травлению.
Производят термообработку конвекционным способом.
Рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят в парах плавиковой кислоты.
Удаление защитного лака производят в органическом растворителе. Травление хромового покрытия производят химическим способом в травильном растворе на основе сернокислого церия (IV). Запуск маскирующего покрытия в углубления в подложке производят втиранием вещества на основе оксида цинка для запуска.
Пример 6. Последовательность технологических операций при изготовлении лимба такая же, как в примере 5. Отличие состоит в следующем: рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят травителем в виде пасты.
Пример. 7. Последовательность технологических операций при изготовлении лимба такая же, как в примере 5. Отличие состоит в следующем: рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят жидким травителем методом погружения.
Пример 8. Последовательность технологических операций при изготовлении лимба такая же, как в примере 5. Отличие состоит в следующем: рельефное химическое травление стекла через защитные лаковое и хромовое покрытия производят жидким травителем методом центрифугирования с частотой вращения от 100 до 8000 об/мин.
Использование заявляемых технологических процессов по сравнению с известными способами изготовления оптических шкал позволило обеспечить:
- изготовление прецизионных оптических шкал различной номенклатуры с шириной элементов топологии не менее 5 мкм;
- погрешность углового положения диаметров осей штрихов не более ±3,0 угл. сек (для диаметра шкалы 90 мм);
- неравномерность ширины элементов топологии, в том числе штрихов, не более 1,0 мкм;
- класс чистоты полированных поверхностей до 0-10;
- возможность получения рельефа оптической шкалы, способной быть видимой при подсветке, например, сбоку установленными в приборе светодиодными лампами в темное время суток.
Реализация заявляемой группы изобретений осуществляется с использованием стандартных операций, материалов и оборудования.