СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ШКАЛ ОБРАТНОЙ ФОТОЛИТОГРАФИЕЙ
METHOD OF MAKING PRECISION OPTICAL SCALES USING LIFT-OFF PHOTOLITHOGRAPHY

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для изготовления оптических шкал, в частности штриховых или геодезических лимбов, кодовых лимбов, растров, имеющих высокую угловую точность расположения элементов топологии, и оптических шкал (сеток), имеющих высокую точность расположения элементов топологии.
Известен способ обратной фотолитографии, используемый для изготовления оптических шкал, который содержит следующие основные операции: обезжиривание, отжиг, чистку, нанесение фоторезиста на основе диазосоединений, первую термообработку, экспонирование, проявление, вторую термообработку, подготовку рельефного фотоизображения, нанесение оптического покрытия, удаление фоторезистивного покрытия, чистку (п.4, 4.1, 4.2, 4.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 4.6, 4.7, 4.8 и 4.9 отраслевого стандарта ОСТ3-6209-86, «Шкалы и сетки фотографические. Типовые технологические процессы получения с применением позитивных фоторезистов на основе диазосоединений»). Операции известного способа имеют следующие основные переходы.
Обезжиривание заготовки включает: протирку заготовки ватным тампоном или салфетками из отбеленной фланели, смоченными петролейным эфиром или трихлорэтиленом, или спирто-эфирной смесью; заливку заготовки хромовой смесью; последовательную промывку заготовки под струей фильтрованной водопроводной воды; помещение заготовки в кювету с дистиллированной водой; промывку заготовки под струей проточной дистиллированной воды. Затем вращающуюся заготовку промывают дистиллированной водой (частота вращения центрифуги 300-1200 об/мин).
Отжиг в сушильном шкафу при температуре (20±1)°С, а затем при температуре 90÷100°С.
Чистку заготовки производят ватным тампоном, смоченным осушенным и перегнанным этиловым спиртом, а затем ацетоном марки ос.ч.
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 об/мин до ±200 об/мин);
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 под струей фильтрованной дистиллированной воды, чистку заготовки струей проточной дистиллированной воды и последующую чистку 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 охлаждение заготовки до температуры (20±5)°С.
Подготовка рельефного фотоизображения включает переходы: заготовку подвергают излучению ртутно-кварцевой лампы, а в случае нанесения оптического покрытия вакуумным способом в условиях повышенных температур или в присутствии реакционно-способных газов рельефное изображение после световой обработки заготовки подвергают ступенчатой термообработке с нагревом.
Оптическое покрытие из хрома наносят в вакууме;
Слой защитного фоторезистивного покрытия удаляют в ацетоне, а чистку вращающейся заготовки производят с помощью дистиллированной воды и ватных тампонов, смоченных спиртом или ацетоном.
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.).
К недостаткам известного аналога можно отнести:
1. Отсутствие при нанесении на заготовку фоторезиста ступенчатой регулировки по нарастающей частоты вращения центрифуги, на которой установлена заготовка, и слишком большое допускаемое отклонение частоты вращения центрифуги (от ±40 об/мин до ±200 об/мин) ведет к нестабильности свойств покрытия и снижению качества деталей.
2. Длительность технологического процесса за счет невысокой частоты вращения заготовки при обезжиривании, нанесении на заготовку фоторезиста, проявлении; наличия в операциях обезжиривания и проявления большого числа переходов, использования конвекционного способа термообработки, а также наличия двух операций (отжига и подготовки рельефного фотоизображения), отсутствующих в заявляемом изобретении.
3. Выполнение в операциях обезжиривания и проявления промывки заготовки при невысоких скоростях вращения, а также низкая частота вращения центрифуги в процессе нанесения на заготовку фоторезиста ухудшает качество и снижает точность расположения и воспроизведения элементов топологии.
4. Известные экспонирующие установки не могут быть использованы для изготовления прецизионных оптических шкал с элементами топологии меньше 5 мкм.
5. Использование при чистке ворсовых материалов является одной из причин снижения точности изготовления и увеличения числа бракованных деталей.
6. Повышенная запыленность помещений, используемых для проведения технологического процесса (запыленность соответствует I классу ОСТ3-5757-84), а также отсутствие требований по содержанию взвешенных частиц в воде приводит к снижению числа годных деталей и ухудшает их качество.
7. При обезжиривании заготовки используют агрессивные соединения: хромовую смесь, петролейный эфир, трихлорэтилен, спирто-эфирную смесь. Так, использование, например, хромовой смеси наносит большой вред здоровью работников, участвующих в данной операции (хромовая смесь соответствует 1 классу опасности по гигиеническому нормативу ГН 2.2.5. 1313-03), и окружающей среде (отходы хромовой смеси соответствует 1 классу Федерального классификационного каталога отходов, утвержденного МПР, приказом №786 от 2.12.2002 г.).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание универсальной технологии, позволяющей расширить номенклатуру деталей, производимых в соответствии с нормативными требованиями.
Технические результаты, достигаемые при использовании заявляемой технологии:
- улучшение технических характеристик деталей за счет снижения линейных, угловых погрешностей расположения и воспроизведения элементов топологии, а также за счет уменьшения минимальной ширины элементов топологии с сохранением высокой чистоты полированной поверхности заготовки;
- снижение дефектности топологии;
- повышение качества деталей за счет повышения адгезии фоторезиста и стекла (при первой термообработке стеклянной полированной подложки на горячей плите с зазором или контактным способом в присутствии адгезива); создания равномерного фоторезистивного слоя (благодаря наличию двухступенчатой высокоскоростной и высокоточной скорости регулировки вращения заготовки); изменения последовательности и режимов проведения операций; чистки заготовки безворсовым материалом, улучшения свойств используемой воды, а также повышения чистоты воздушной среды помещений, в которых осуществляется способ;
- снижение трудозатрат, за счет повышения качества деталей и уменьшения продолжительности процесса;
- снижение материалоемкости за счет уменьшения числа бракованных деталей;
- улучшение степени безопасности способа в области охраны труда и экологии, за счет использования менее агрессивных органических соединений;
Задача решается, а технические результаты достигаются за счет того, что способ изготовления прецизионных оптических шкал обратной фотолитографией включает следующие операции:
обезжиривание с последующей промывкой вращающейся заготовки водой;
нанесение на заготовку позитивного фоторезиста на основе диазосоединений;
чистку заготовки материалом, смоченным органическим растворителем;
первую термообработку заготовки;
экспонирование;
проявление с последующей промывкой вращающейся заготовки водой;
вторую термообработку;
нанесение на заготовку хромового маскирующего покрытия в вакууме;
удаление защитного фоторезистивного слоя органическим растворителем, промывку вращающейся заготовки водой.
Новизна заявляемого способа состоит в следующем:
обезжиривание начинают с чистки заготовки безворсовым материалом, смоченным органическим растворителем;
первую термообработку производят перед нанесением на заготовку позитивного фоторезиста на основе диазосоединений, а вторую - после нанесения на заготовку позитивного фоторезиста на основе диазосоединений, при термообработках заготовку устанавливают на горячей плите с зазором или без зазора, причем первую термообработку производят в присутствии адгезива;
при нанесении позитивного фоторезиста на основе диазосоединений производят двухступенчатую регулировку по нарастающей частоте вращения заготовки с 200 до 8000 об/мин и допускаемым отклонением частоты вращения ±10 об/мин;
экспонирование производят после второй термообработки на установке, обеспечивающей ширину элементов топологии не менее 1,5 мкм;
после экспонирования последовательно производят операции проявления, нанесения хромового маскирующего покрытия, удаления защитного фоторезистивного слоя органическим растворителем;
чистку и промывку после обезжиривания производят при вращении заготовки с частотой 1000÷8000 об/мин последовательно чистящим раствором и водой, не содержащей частицы более 0,2 мкм, с помощью безворсового материала;
подачу проявителя и последующую промывку производят при вращении заготовки с частотой 1000÷8000 об/мин;
воздушная среда помещений, в которых производят перечисленные выше операции, соответствует нормативу не меньше пятого класса по ИСО, ГОСТ ИСО 14644-1-2002.
Кроме того, органический растворитель, упомянутый ранее, соответствует гигиеническому нормативу не меньше четвертого класса по ГН 2.2.5. 1313-03 и не меньше второго класса по Федеральному классификационному каталогу отходов, утвержденному МПР приказом №786 от 02.12.2002 г.
Пример 1. Изготовление круговой оптической шкалы (лимба) на полированной подложке из стекла К8 (ГОСТ3514-94), имеющей форму плоского кольца.
Стеклянную полированную подложку обезжиривают безворсовыми салфетками, смоченными органическим растворителем. Затем производят чистку следующим образом: подложку устанавливают на центрифугу. Задают центрифуге частоту вращения 3500 об/мин. 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 полированную поверхность 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 частотой 3500 об/мин. После чистки подложку подвергают первой термообработке в присутствии адгезива. На иглы, выступающие над горячей плитой, устанавливают оправку, которая обеспечивает зазор между обратной стороной подложки и горячей плитой с целью сохранения класса чистоты поверхности на обратной стороне полированной подложки. Подложку устанавливают на оправку, иглы опускают, оправка приходит в соприкосновение с горячей плитой. Первую термообработку производят при температуре горячей плиты 130°С в замкнутом объеме при подаче адгезива. Операцию нанесения позитивного фоторезиста на основе диазосоединений производят следующим образом.
Подложку устанавливают на центрифугу и включают вращение центрифуги с частотой 1000 об/мин (первая ступень регулировки скорости). На вращающуюся подложку в рабочую зону подают дозу фоторезиста. Сразу после подачи дозы фоторезиста подложку раскручивают до частоты вращения 3500 об/мин (вторая ступень регулировки скорости). Допускаемое отклонение частоты вращения центрифуги в данной операции составляет ±10 об/мин. Вторую термообработку подложки с нанесенным слоем фоторезиста производят так же, как первую. Отличие состоит в том, что вторую термообработку производят при температуре горячей плиты 125°С в замкнутом объеме без адгезива. Последующую операцию экспонирования осуществляют на установке, обеспечивающей получение ширины элементов топологии шириной 1,5 мкм. Операцию проявления производят следующим образом: стеклянную полированную подложку с нанесенным и проэкспонированным слоем фоторезиста устанавливают на центрифугу. Включают вращение центрифуги с частотой 3500 об/мин. На вращающуюся подложку в рабочую зону шкалы подают проявитель, а затем воду (при этом подложка продолжает вращаться с частотой 3500 об/мин). После завершения подачи воды подложка продолжает вращаться с частотой 3500 об/мин. После операции проявления на подложку наносят хромовое маскирующее покрытие напылением в вакууме. Затем производят удаление защитного фоторезистивного покрытия органическим растворителем.
Пример 2. Изготовление оптической шкалы (сетки) на подложке из стекла марки К8 (ГОСТ 3514-94), имеющей вид плоского круга.
Последовательность операций при изготовлении сетки такая же, как и при изготовлении лимба. Отличие состоит в следующем:
1. Операцию чистки заготовки производят аналогично первому примеру, но частота вращения центрифуги при этом составляет 8000 об/мин.
2. Первую термообработку, выполняемую в присутствии адгезива, и вторую термообработку производят контактным способом: на иглы, выступающие над горячей плитой, устанавливают оправку. Подложку устанавливают на оправку, иглы опускают, оправку приводят в соприкосновение с горячей плитой. Первую термообработку производят при температуре горячей плиты 130°С в замкнутом объеме в присутствии адгезива (вторую термообработку производят так, как указано в первом примере).
3. При нанесении на подложку фоторезиста на первой ступени регулировки частота вращения составляет 200 об/мин, на второй 8000 об/мин.
4. Проявление производят аналогично первому примеру, но частота вращения центрифуги при подаче проявителя, воды и после подачи воды составляет 8000 об/мин.
Пример 3. Изготовление оптической шкалы на подложке из стекла марки M1 (ГОСТ 111-2001), имеющей вид плоского квадрата, толщиной 2 мм, класс чистоты обратной стороны подложки II, ГОСТ 11141-84.
Последовательность операций такая же, как в первом и втором примерах. Отличие состоит в следующем:
1. Чистку подложки после обезжиривания производят с частотой вращения центрифуги 1000 об/мин при подаче чистящего раствора, воды и 3000 об/мин после завершения подачи воды.
2. Первую термообработку производят в присутствии адгезива контактным способом аналогично второму примеру. Отличие заключается в том, что подложку без оправки устанавливают на иглы, выступающие над горячей плитой, иглы опускают, подложка приходит в соприкосновение с горячей плитой.
3. Нанесение фоторезиста осуществляют аналогично первому примеру. Отличие в том, что при нанесении на подложку фоторезиста на первой ступени частота вращения составляет 1000 об/мин, на второй ступени 2000 об/мин. Допускаемое отклонение частоты вращения центрифуги ±10 об/мин.
4. Проявление производят аналогично первому примеру. Но при этом частота вращения центрифуги 1000 об/мин при подаче проявителя, воды и 3000 об/мин после завершения подачи воды.
Во всех приведенных примерах:
- используют воду по солевому составу, соответствующую дистиллированной, но не содержащую частицы размером более 0,2 мкм;
- воздушная среда помещений соответствует 5 классу ИСО, ГОСТ ИСО 14644-1-2002 (содержит частицы размером не более 0,5 мкм в количестве не более 3 штук в 1 литре воздуха);
- органический растворитель соответствует гигиеническому нормативу 4 класса по ГН 2.2.5.1313-03 и 2 классу по Федеральному классификационному каталогу отходов, утвержденному МПР Приказом №786 от 2.12.2002 г.
Использование заявляемого технологического процесса по сравнению с известным способом обратной фотолитографии для оптических шкал позволило обеспечить:
- изготовление прецизионных оптических шкал различной номенклатуры с шириной элементов топологии не менее 1,5 мкм;
- погрешность углового положения диаметров осей штрихов не более ±1,5 угл. с (для диаметра шкалы 90 мм);
- отклонение ширины штрихов от соответствующего размера на фотошаблоне не более ±0,3 мкм;
- неравномерность ширины элементов топологии, в том числе штрихов, не более 0,4 мкм;
- дефектность элементов топологии составляет не более двух разрывов размером не более одной ширины элемента топологии на всю шкалу;
- снижение трудоемкости изготовления оптических шкал в два раза;
- снижение материалоемкости в два раза.