車窗外罩注射模具設(shè)計(jì)-塑料注塑模側(cè)抽芯1模2腔含proe三維及16張CAD圖帶開題報(bào)告.zip,車窗,外罩,注射,模具設(shè)計(jì),塑料,注塑,模側(cè)抽芯,proe,三維,16,CAD,開題,報(bào)告 DVD 拾取鏡頭三束光柵的注塑成型和注射壓縮成型 Cheng-Hsien Wu ?, Wei-Shiu Chen 摘要 本文目的在于研究注塑成型和注射壓縮成型在衍射光柵產(chǎn)生中的應(yīng)用。首先設(shè)計(jì)模具以便產(chǎn)生一個(gè)與固定襯套相連的衍射等級(jí)。驗(yàn)證表明組合件具有良好衍射性能。集成光柵減少了組裝成本和誤差。然后應(yīng)用光刻法制作模具嵌件。并利用田口法和參數(shù)分析法研究模壓工藝參數(shù)對(duì)光柵質(zhì)量的影響。接著，介紹并比較結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計(jì)，制造以及通過(guò)注塑成型 (IM)和注射壓縮成型(ICM)的復(fù)制結(jié)果。結(jié)果表明 ICM光柵的衍射角比 IM光柵更精確。通過(guò) ICM制作的光柵產(chǎn)生的翹曲比通過(guò) ICM制作的光柵小很多。衍射圖說(shuō)明在復(fù)制衍射光柵方面 ICM比IM工藝更好。 關(guān)鍵詞：注塑成型；注射壓縮成型；光柵；復(fù)制 1. 引言 光學(xué)拾取器的所有部件，包括記錄基板和許多組件，都要求有優(yōu)越的光學(xué)性能。這便要求形狀復(fù)制需十分精確且由模塑相關(guān)應(yīng)力引起的光學(xué)各向異性較低。 每當(dāng)行波遇到尺寸與其波長(zhǎng)類似的阻塞時(shí)，波中的一些能量便會(huì)被分散[1,2] 。如果該阻塞周期性出現(xiàn)或的確如果影響波傳播的任意參數(shù)有周期性變化，那么能量則向各個(gè)離散方向或衍射級(jí)分散，以這種方式發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)可被稱為衍射光柵。 播放器的光學(xué)拾取器中，衍射光學(xué)元件(DOE)不僅用來(lái)將主要激光束分割成尋跡追蹤的三個(gè)光束，而且使得返回光束向探測(cè)區(qū)域偏轉(zhuǎn)。制造光柵的傳統(tǒng)方法是在較好的光學(xué)表面上進(jìn)行刻劃、拋光或壓花一系列凹槽[3]。 母件通常是DOE原件通過(guò)一種或幾種高分辨率光刻步驟組合制造而成的金屬?gòu)?fù)制品[4,5]。制造原件的材料可為抗蝕劑、石英、硅或?qū)嵸|(zhì)上任意適合的高分辨率膜或基材。母件一般情況下由電鍍鎳原料制造，但是在有些情況下，其也可為其他材料如石英、塑料或其他金屬，或甚至原料本身。標(biāo)準(zhǔn)光柵首先由一層薄薄的非粘附材料（如金）覆蓋。然后是實(shí)質(zhì)層鋁。之后母件通過(guò)一層薄薄的低粘度樹脂膠結(jié)到經(jīng)過(guò)仔細(xì)清潔的復(fù)制坯料上，這使得樹脂在恒溫下聚合（通常是一個(gè)緩慢過(guò)程）。當(dāng)樹脂固化后，復(fù)制品和母件分離。 作為 DOEs低成本，批量生產(chǎn)的主要技術(shù)，替代性復(fù)制方法如下。這里有三種替代性復(fù)制方法：母本鎳鑄造、壓花和注塑成型 (IM)。 鑄造方法中，在固態(tài)基板上應(yīng)用環(huán)氧樹脂薄膜。在室溫條件下熱固化環(huán)氧樹脂。該方法的主要弊端是固化時(shí)間長(zhǎng)。還有一種特別感興趣的相關(guān)技術(shù)是將DOEs復(fù)制成涂覆在玻璃或聚合物基質(zhì)上的UV固化材料的薄層。 一種制造光柵復(fù)制品較快的方法是在一定壓力下使其從光滑的支承輥穿過(guò)加熱料筒壓印成塑料膜。通常情況下料筒有鎳電鍍包裹圍繞。因?yàn)檫@是一個(gè)連續(xù)工藝，單位成本最低，但是質(zhì)量卻僅限于學(xué)生試驗(yàn)或更可能是裝飾設(shè)備，如全息圖。 注塑成型是一種經(jīng)典的低成本工藝，原則上可以通過(guò)將源于一個(gè)精密母件鎳電鍍復(fù)制品插入到合適模具中產(chǎn)生光柵。注塑光柵的精度通常受工藝成型條件的限制。所以研究人員應(yīng)更加努力識(shí)別影響充型行為的重要因素。 近年來(lái)，塑料已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的商業(yè)潛能特別是在微結(jié)構(gòu)零件制造方面。注塑成型是制造塑料件的最重要工藝。雖然許多原型塑料微器材通過(guò)工程法如激光加工等制造，但是目前全球研究最多的還是微注塑成型法[6,7]。注塑成型的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)此我們可在一個(gè)自動(dòng)化工藝的一次生產(chǎn)步驟中制成復(fù)雜的幾何形狀。許多微器材如手表和照相機(jī)組件、汽車碰撞、加速、距離傳感器、硬盤讀/寫頭、CD驅(qū)動(dòng)器、醫(yī)療傳感器、泵、手術(shù)器械和電信組件等都已經(jīng)被成功地注塑成型。 注塑成型涉及將金屬聚合物注塑到一個(gè)模具中使得金屬可冷卻且固化形成一個(gè)塑料件。通常來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)三相工藝，即填充、壓緊和冷卻階段。當(dāng)空腔穩(wěn)定后，產(chǎn)品則從模具中彈出。 盡管有許多優(yōu)勢(shì)，注塑成型工藝在模塑微結(jié)構(gòu)方面也有一些固有問(wèn)題[8]。主要問(wèn)題是微小腔中的熔融聚合物一接觸相對(duì)較冷的腔壁時(shí)便立即凍結(jié)。當(dāng)模制具有較高縱橫比的微結(jié)構(gòu)時(shí)，情況會(huì)更糟糕。但是當(dāng)熔化和模制溫度均高于正常值時(shí)便可實(shí)現(xiàn)最佳復(fù)制結(jié)果[9]。 注射壓縮成型(ICM) 也有很多優(yōu)點(diǎn)如降低成型壓力、減少殘余應(yīng)力、將分子取向最小化、均勻壓緊、減少不均勻收縮、克服凹痕和翹曲。減少密度變化并提高尺寸精度等。由于這些優(yōu)點(diǎn)，注射壓縮成型通常用來(lái)制造高精度尺寸部件，特別對(duì)光學(xué)部件來(lái)說(shuō)無(wú)殘余應(yīng)力。 [7]沒有應(yīng)用微注塑機(jī)而是通過(guò)常規(guī)注塑成型法制造亞μm光柵光學(xué)元件。利用兩種不同工藝制成嵌件：SiO2中的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)和電子束光刻，緊接著是鎳電鍍。模制溫度為140℃時(shí)不存在填充問(wèn)題。然而， SEM顯微圖則顯示存在一定的形狀偏差，即結(jié)構(gòu)頂部比底部厚。光柵元件間距小于0.5 μm且深度超過(guò)1.5 μm。通過(guò)在兩個(gè)減速元件上分割功能，實(shí)際僅需一半填充深度。從而降低形狀偏差的影響。通過(guò)與聚碳酸酯注塑成型復(fù)制一個(gè)深度為2 μm間距為0.5 μm的光柵結(jié)構(gòu)。 試驗(yàn)證明較高縱橫比的特性通常難以形成，但是按照設(shè)想，注塑成型的進(jìn)一步優(yōu)化將解決這些困難[10]。Parashar等人[11]采用兩步驟工藝轉(zhuǎn)移復(fù)制玻璃中的結(jié)構(gòu)：首先，從一個(gè)母本結(jié)構(gòu)處獲得一個(gè)聚二甲基硅氧烷 (PDMS)復(fù)制品。然后，在PDMS軟復(fù)制品上施用一層溶膠凝膠材料，經(jīng)過(guò)干燥和退火后在玻璃中得到微-/納米-結(jié)構(gòu)。他們已經(jīng)在玻璃微-/納米-結(jié)構(gòu)的納米復(fù)制品中，創(chuàng)建了內(nèi)部開發(fā)的衍生自金屬醇鹽的溶膠凝膠材料的有效性。 Obi等人[12]提出了一種制造微結(jié)構(gòu)的復(fù)制方法。將UV固化溶膠凝膠作為一種基礎(chǔ)材料?；A(chǔ)的制造工藝涉及一個(gè)犧牲間隔層沉積和模式化以及模制和光刻步驟組合。該制造工藝可應(yīng)用于包含透鏡、衍射光學(xué)元件或波導(dǎo)的光學(xué)MEMS設(shè)備。 本文旨在研究 IM和 ICM工藝在衍射光柵產(chǎn)生中的應(yīng)用。此外應(yīng)用田口法和參數(shù)分析法研究成型參數(shù)對(duì)光柵質(zhì)量的影響。論文描述了結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計(jì)，制造以及通過(guò)IM和ICM工藝的復(fù)制結(jié)果。 2. 傳播衍射光柵 2.1 應(yīng)用實(shí)例---光學(xué)拾取器 當(dāng)激光束通過(guò)衍射光柵時(shí)，其被分割成中央明亮和多個(gè)側(cè)光束。CD利用中央光束和每側(cè)的一個(gè)光束進(jìn)行系統(tǒng)追蹤。考慮到CD播放器的一部分包含幾個(gè)軌道，如果光學(xué)頭在軌道上，那么主光束便集中在軌道上（凹坑和凸起），二次射束集中在陸地上。三個(gè)點(diǎn)彼此之間刻意偏移約20 μm。兩個(gè)附加探測(cè)器沿主四象限探測(cè)器放置以便拾取這些輔助光束。如果三個(gè)光束在軌道上，則兩個(gè)輔助光電探測(cè)器具有等量光，并且相當(dāng)明亮，這是因?yàn)樗鼈儍H在陸地上追蹤。中央光束的亮度降低，因?yàn)槠湓陉懙睾桶伎犹幘M(jìn)行追蹤。然而，如果光學(xué)頭偏離軌道，則中心點(diǎn)可得到更多光線(因?yàn)閹缀鯖]有凹坑偏離軌道)且側(cè)面探測(cè)器也將不平衡。 現(xiàn)代CD播放器中最常見的光學(xué)系統(tǒng)是三光束拾取器，如圖1所示。從激光二極管發(fā)射的光進(jìn)入衍射光柵。光柵將入射光束轉(zhuǎn)化成中心峰值和一些副峰值。在追蹤機(jī)制中主要的中心峰值和兩個(gè)副峰值十分重要。三種光束穿過(guò)偏振光束分光器。這僅傳播平行于頁(yè)面的極化。此時(shí)，出現(xiàn)的光（現(xiàn)已與頁(yè)面平行極化）是平行的。平行光穿過(guò)λ/4板，將其轉(zhuǎn)化為圓偏振光，圓偏振光聚焦后射到盤上。如果光照射到地面上，其將被反射回物鏡。（如果光照射到凹坑，現(xiàn)在為一個(gè)凸起處，其不會(huì)被反射），然后光再次穿過(guò) λ/4板。因?yàn)槠湟苑捶较蛘丈洌鋵⒃诖怪庇谠脊馐姆较蚱瘢〒Q句話說(shuō)，現(xiàn)在光朝垂直于紙的方向偏振）。當(dāng)這次垂直的偏振光遇到偏振光束分光器時(shí)，其將被反射（不像原來(lái)那樣傳播）。因此，其將通過(guò)聚焦透鏡反射，然后是柱面透鏡，接著便在光探測(cè)器陣列上成像。在自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)中柱面透鏡十分重要。 2.2 常見的光柵方程 傳輸衍射光柵是一個(gè)具有大量平行的幻燈片，并在其上繪制密集間隔縫隙（透明空間）。早期的載玻片是用碳覆蓋的用針尖蝕刻的玻璃載片--現(xiàn)在它們傾向于被印到幻燈片上。入射光顏色分離良好，因?yàn)楦鶕?jù)光柵關(guān)系，不同波長(zhǎng)的光以不同角度衍射（圖2）： 其中d是狹縫之間的距離，θ為衍射角，λ 光波長(zhǎng)，且n為衍射級(jí)。 2.3 衍射效率 標(biāo)準(zhǔn)相位光柵的衍射效率，連續(xù)閃耀或多級(jí)逼近是衍射微光學(xué)中的一個(gè)基本問(wèn)題。在幾乎所有的光柵應(yīng)用中，主要要求是高衍射效率。實(shí)踐中可實(shí)現(xiàn)的效率則取決于多個(gè)因素：所應(yīng)用制造技術(shù)的類型和性能，以及光柵周期與波長(zhǎng)比，材料等。另外由于不存在唯一的衍射效率定義，所以實(shí)質(zhì)值也取決于衍射效率定義。因此對(duì)于文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的結(jié)果，比較起來(lái)十分困難。 為了描述衍射光柵的性能，時(shí)常應(yīng)用兩個(gè)數(shù)字： （1）總效率ηo,1 該總效率被定義為ηo,1 =一階強(qiáng)度/入射光強(qiáng)度 （2）衍射效率ηd,1 衍射效率被定義ηd,1 =一階強(qiáng)度/穿過(guò)非結(jié)構(gòu)話基板的投射光強(qiáng)度。 在第二個(gè)定義中，由于光柵界面表面粗糙度引起的損耗也包含在效率測(cè)量中。本研究中應(yīng)用衍射效率 ηd,1。 3. 試驗(yàn)步驟 3.1 材料 本研究是使用的材料是聚甲基丙烯酸甲酯的高熱注射級(jí)（PMMA, CM-205，來(lái)自臺(tái)灣奇美公司）。熔體流動(dòng)指數(shù) 1.8 g/10 min 且體積密度為1.19 g/cm3。建議的料筒溫度在210 到250 ?C之間，推薦的模具溫度在50 到70 ?C之間。材料在成型前使用除濕干燥機(jī)于90 ?C環(huán)境下預(yù)干燥4小時(shí)。 3.2 零件幾何體和模具設(shè)計(jì) 衍射光柵在玻璃基板上加工。加工后，光柵組裝成固定襯套（如圖3 所示）。組裝要求大量生產(chǎn)時(shí)間和人力成本。其還產(chǎn)生定位誤差和角度誤差，然后降低光學(xué)拾波器精確度。在該研究中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)為光柵和套管的組合。整個(gè)部件直徑為7 mm。光柵部分直徑為4 mm，位于中心。鎳模具插件設(shè)計(jì)周期為20 μm。切口深度為1.5 μm。 中心澆口模架中安裝電鍍鎳模具嵌件如圖4所示。模具有兩個(gè)對(duì)稱腔位于澆口兩對(duì)邊。模板由S45C工具鋼制成?？涨煌ㄟ^(guò)一個(gè)澆口、兩個(gè)澆道和兩個(gè)扇形澆口進(jìn)料，如圖5所示。澆口 48mm長(zhǎng)直徑為5 mm。澆道的尺寸為 1.55 mm × 3.50 mm × 5.68 mm。 3.3 模具嵌件制造 我們的光刻工藝涉及光掩膜制造、晶片清洗、旋轉(zhuǎn)涂布、軟烘、曝光、曝光后烘烤、顯影和硬烘烤。 CAD程序中創(chuàng)建的包含特征設(shè)計(jì)的高分辨率透明度可作為光刻法中的掩膜。在本研究中，利用高分辨率激光打印機(jī) (16,000 dpi)將掩膜圖案轉(zhuǎn)印到幻燈片上。 圖6為制造鎳電鍍模具嵌件步驟示意圖。硅晶片作為一個(gè)基板。為去除晶片表面污染物，晶片清潔便是一個(gè)必要步驟以便獲得高性能且高可靠性的產(chǎn)品，還能預(yù)防工藝設(shè)備污染。晶片表面在120 ?C 條件下用4:1 H2SO4/H2O2清洗10分鐘以去除有機(jī)污染物。而后用去離子（DI）水清潔晶片表面直至耐水性高于8 K。接著在室溫條件下 用50:1 H2O/HF處理10分鐘以去除化學(xué)氧化物。再次用去離子水清洗晶片表面。清洗后，旋轉(zhuǎn)基板并用加熱氮吹干，然后放置在熱板上（120℃條件下放置3分鐘）以便去除表面的任意水蒸氣。該步驟稱為烘烤脫水。 為了提高對(duì)硅晶片的抗粘附性，通常應(yīng)用六甲基二硅烷(HMDS)。通過(guò)在室溫下旋轉(zhuǎn)將HMDS應(yīng)用到晶片上。在 90 ?C條件下將晶片置于熱板上2分鐘以便干燥HMDS。下一步驟中將抗蝕劑旋轉(zhuǎn)到晶片上，該步驟應(yīng)在施用HMDS后立即進(jìn)行。本研究使用AZ9260，正性抗蝕劑。當(dāng)晶片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)均勻?qū)?，此時(shí)該抗蝕劑配發(fā)到晶片上。旋涂機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度增加到 500 rpm，并以 500 rpm/s的加速度加速10s。另外30秒中，旋涂機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和加速度分別為300rpm和300rpm / s。該步驟中旋轉(zhuǎn)速度決定了抗蝕劑的最終厚度（本研究中約為50 μm）。 光刻法中的下一步驟為預(yù)烘烤，預(yù)烘烤條件取決于光刻膠厚度。本研究中基板在50 ?C環(huán)境下置放在水平熱板上10分鐘并在90 ?C環(huán)境下置放10分鐘。預(yù)烘烤步驟要達(dá)到三個(gè)目標(biāo)。首先，大量蒸發(fā)抗蝕劑中的剩余溶劑。其次，抗蝕劑的粘合性得到改善。最后，通過(guò)熱松弛可釋放抗蝕劑中的應(yīng)力。然后基板逐漸冷卻到室溫，以便使殘余應(yīng)力最小化。下一步驟為晶片曝光，其可分為三種基本方法：即接觸曬印、接近式曝光和投影曝光。接觸曬印是最早也是最簡(jiǎn)單的曬印工藝。掩膜曬印面朝下放置在與晶片抗蝕層直接接觸的地方。然后閃光通過(guò)掩膜發(fā)生抗蝕劑曝光。利用接觸式光刻機(jī)將掩膜與圖案對(duì)準(zhǔn)(Karl Suss MA-6)。掩膜與晶片之間的硬性接觸可損害掩膜和抗蝕層。盡管如此，本研究中應(yīng)用接觸式曬印實(shí)現(xiàn)高分辨率曬印能力，曝光時(shí)間為3分鐘。 下一步驟為曝光后烘烤(PEB)。該步驟在90 ?C條件下進(jìn)行1分鐘。PEB后，基板再次逐漸冷卻到室溫以便使應(yīng)力最小化并防止抗蝕劑破裂?；褰?rùn)到含顯影劑(1:3 AZ400K/DI 水) 的燒杯中約5分鐘，所有特征被開發(fā)后，在新鮮 DI水中清洗光刻膠并用氮吹干。這樣便產(chǎn)生了一個(gè)具有正性功能的 AZ9260模具嵌件。 光刻工藝的最后一步是后烘烤用來(lái)硬化抗蝕劑并改善其抗蝕刻性。該步驟在 110 ?C條件下進(jìn)行10分鐘，后烘烤的光刻膠模具在注塑成型中其耐高壓和溫度能力沒有金屬?gòu)?qiáng)。這里光刻膠模具用作鎳模具電鍍的一種圖案。濺射一薄金層以便為鎳生長(zhǎng)創(chuàng)建一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域。 表面用淺色硫酸在60 ?C條件下進(jìn)行預(yù)處理，并用DI 水清洗。在50 ?C，pH等于4，低電流密度4 A/dm2 條件下進(jìn)行電鍍以便在鎳模具中使內(nèi)部應(yīng)力最小化。電鍍后，用超聲波振動(dòng)器剝離光刻膠，將鎳結(jié)構(gòu)置于丙酮中并用DI水清洗。整個(gè)工藝不到2天完成（包括1小時(shí)光刻和40小時(shí)電鍍）。 3.4 成型 利用注塑機(jī)進(jìn)行成型操作(FANUC ROBOSHOT S-2000i50A)。該機(jī)器可提供高達(dá)50噸的夾緊力。螺桿直徑為 22 mm，最大進(jìn)樣量為29 cm3。該注塑機(jī)可提供ICM 工藝和IM 工藝。 每組工藝條件下，進(jìn)行10次試驗(yàn)以確保樣品收集前工藝的穩(wěn)定性。如果在前10次運(yùn)行中沒有觀察到明顯變化，則在接下來(lái)5次運(yùn)行中收集成型部件作為產(chǎn)品表征的樣品。 3.5 質(zhì)量測(cè)量 衍射光柵的兩個(gè)主要性能使衍射角度的準(zhǔn)確性和衍射效率。試驗(yàn)裝置如圖7所示，用于測(cè)量衍射效率和衍射角度。 He–Ne置放在精確的旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)上并指向臺(tái)中心。測(cè)試光柵置放在臺(tái)中心。光柵具有指向性這樣激光束可垂直于光柵表面。功率計(jì)和光電探測(cè)器結(jié)合用來(lái)測(cè)量光強(qiáng)度。首先將旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至光電探測(cè)器接收最大強(qiáng)度的方向。即，0階光線在光電探測(cè)器中心準(zhǔn)確輻照。然后將旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)零。其次，將旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至1階光線在光電探測(cè)器中心準(zhǔn)確輻照的方向。旋轉(zhuǎn)角度為+1階的衍射角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明?1階的衍射角與+1階衍射角十分接近。因此，本研究中僅測(cè)量+1階的衍射角。 4. 田口參數(shù)設(shè)計(jì) 研究分析并比較了工藝參數(shù)對(duì)注塑成型光柵和注射壓縮成型光柵衍射角的影響。這里應(yīng)用田口法，找出每個(gè)因素的貢獻(xiàn)率并測(cè)定在兩個(gè)成型工藝中驅(qū)動(dòng)有效因素的參數(shù)最佳組合，以便得到具有最精確衍射角的產(chǎn)品。 分析中，信噪(S/N) 比是統(tǒng)計(jì)量表示響應(yīng)信號(hào)功率處以由于噪聲引起信號(hào)變化的功率。 S/N的最大化導(dǎo)致對(duì)噪聲敏感的任何性能將最小化。為優(yōu)化IM和ICM衍射光柵，我們可用“名義上最佳”的方程進(jìn)行分析： 其中μ 是平均性能，σ 為標(biāo)準(zhǔn)偏差，yi測(cè)量的性質(zhì)， n為每次測(cè)試試驗(yàn)中樣品數(shù)量。然后總結(jié)具有最大S/N比的最佳因子水平，這將在噪聲范圍內(nèi)使靈敏度最小化。 該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定成型因素對(duì)衍射角和最佳因素組合的影響。通過(guò)這種最佳工藝條件，衍射角與理論值最接近。根據(jù)我們的最初測(cè)試和之前的文獻(xiàn)綜述[13–15]，兩種工藝選擇四個(gè)成型因素。注塑成型為熔融溫度、注射速度、成型溫度和壓緊壓力。每個(gè)因素都有三個(gè)級(jí)別，如表1所示，這是因?yàn)檫@些因素對(duì)結(jié)果的影響呈非線性變化。對(duì)于注射壓縮成型而言，選擇的四個(gè)因素為成型溫度、注射速度、壓縮速度和壓縮周期，如表2所示。根據(jù)每個(gè)參數(shù)等級(jí)，應(yīng)用 L9(34)正交表進(jìn)行測(cè)試。 5. 結(jié)果 5.1 最佳成型參數(shù)組合 圖8和9分別描述了 IM和ICM工藝中工藝因素對(duì)衍射角精確度的影響。這些響應(yīng)圖說(shuō)明各因素之間如何使精確度發(fā)生變化。從圖8可看出，在熔融溫度240 ?C，注射速度為150 mm/s，成型溫度為60 ?C，且壓緊壓力為100 MPa條件下因素各等級(jí)將產(chǎn)生最小誤差。最佳工藝條件下，進(jìn)行四次確認(rèn)測(cè)試，則測(cè)量的衍射角為 0.988?, 0.985?, 0.987?和 0.984? 平均值為0.986，相應(yīng)S/N比為54.65。確認(rèn)測(cè)試中計(jì)算的 S/N 比位于確認(rèn)區(qū)間內(nèi) [52.38, 83.42]。確認(rèn)測(cè)試結(jié)果表明本研究中恰當(dāng)應(yīng)用了田口法（表3和表4）。 5.2 成型因素對(duì)衍射角精確度的影響 在之前的分析中，每個(gè)因素對(duì)衍射角精確度整體影響的貢獻(xiàn)用百分比表示。對(duì)于 IM 光柵來(lái)說(shuō)，成型溫度的影響最大，貢獻(xiàn)率為57.41%，其次為熔融溫度為19.23%，壓緊壓力 19.1%和注射速度 4.25%。而對(duì)于ICM光柵而言，壓縮速度的影響最大，貢獻(xiàn)率為55.7%，其次為壓縮周期為26.0%，注射速度14.3% 和成型溫度 4.02%。 5.3 IM 和ICM部件之間的比較 在各自最佳工藝條件下，通過(guò) IM和ICM制造部件。我們通過(guò)比較 IM和 ICM部件質(zhì)量研究這兩種工藝。圖10描述了 IM 光柵和 ICM光柵的衍射性能。從圖中可看出ICM 光柵提供比IM光柵更集中的衍射圖案。這說(shuō)明 ICM光柵的光學(xué)質(zhì)量比IM光柵好。此外，根據(jù)測(cè)量的衍射角和觀察的表面質(zhì)量研究光柵。接著，通過(guò)測(cè)量光柵表面的表面輪廓研究表面特性。 5.3.1 衍射角測(cè)量 激光波長(zhǎng)為685 nm。本研究中衍射光柵的間距為40 μm。根據(jù)方程式（1）預(yù)測(cè)的衍射角為0.9812?。對(duì)IM工藝而言，確認(rèn)測(cè)試的結(jié)果表明平均最佳衍射角為0.986?。而對(duì)于 ICM工藝而言，衍射角為0.983?，其與預(yù)測(cè)的衍射角更接近一些。 5.3.2 顯微鏡技術(shù) 掃描電子顯微鏡（JOEL，JSM-6400）中驗(yàn)證模制光柵。首先將樣品切成小塊并用金在表面濺射，接著用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。圖11是 IM光柵和ICM光柵的SEM 顯微照片。它們的形狀和尺寸看起來(lái)類似。為了獲得更清晰的立體圖，我們使用另一臺(tái)顯微鏡（具有OPTEM Zoom 125光學(xué)系統(tǒng)的SONY Exwave HAD攝像機(jī)）。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn) ICM 光柵比IM光柵復(fù)制更好（圖12）。ICM光柵有一個(gè)邊緣比IM光柵更鋒利的凹槽。此外，IM光柵比ICM光柵含更多空隙。 5.3.3 表面輪廓測(cè)量 為測(cè)量微結(jié)構(gòu)輪廓，我們使用高性能表面輪廓儀（XP-2, Ambios Technology Inc.）測(cè)量 IM光柵和 ICM光柵。表面輪廓如圖13所示。在接近中心的光柵表面進(jìn)行測(cè)量。光柵的中心點(diǎn)表示為表面輪廓的A點(diǎn)。在A點(diǎn)的17個(gè)周期處，表示為B點(diǎn)。兩個(gè)輪廓的A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的水平距離約為 670 μm。周期也大致相同，但是對(duì)IM輪廓來(lái)說(shuō)，兩點(diǎn)之間的垂直距離（23.6 μm）大于 ICM 輪廓的垂直距離（9.2 μm）。垂直偏差顯示光柵翹曲。結(jié)果表明 ICM光柵的翹曲比IM 光柵小得多。 6. 結(jié)論 本文旨在研究應(yīng)用 IM和ICM制造衍射光柵。文中利用田口法和參數(shù)分析探索模制參數(shù)對(duì)光柵質(zhì)量的影響。此外，研究描述了 結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計(jì)和制造以及IM 和ICM工藝復(fù)制結(jié)果。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論： （1） 利用 IM和ICM工藝可制造衍射光柵。模具用來(lái)制造與固定襯套連接的衍射光柵。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)結(jié)合件具有良好的衍射性能。集成光柵消除了組裝成本和誤差。根據(jù)光刻工藝制造模具嵌件。 （2） 對(duì)于注塑成型的光柵而言，模具溫度影響最大，其次是熔融溫度、壓緊壓力和注射速度。而對(duì)于注射壓縮成型的光柵而言，壓縮速度影響最大，其次是壓縮周期、注射速度和模具溫度。 （3） 衍射圖案表明在復(fù)制一個(gè)衍射光柵方面 ICM工藝比IM更好。 ICM光柵衍射角比 IM光柵更精確。ICM工藝比注塑成型提供更精確的形狀復(fù)制。通過(guò)ICM制造的光柵，其產(chǎn)生的翹曲比IM制造的光柵小得多。 設(shè)計(jì)中期檢查表 系別 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 班級(jí) 專業(yè) 指導(dǎo)教師 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 外罩注射模具設(shè)計(jì)　 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展情況與已完成的工作： 說(shuō)明書已基本完成。 已完成的工作：2D零件圖 ? ?三維圖 ? ?裝配圖 ? ?外文翻譯 下一步擬進(jìn)行的工作計(jì)劃： 完善說(shuō)明書，修改圖紙，準(zhǔn)備答辯。 學(xué)生簽名： 年 月 日 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 　 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 DVD 拾取鏡頭三束光柵的注塑成型和注射壓縮成型 Cheng-Hsien Wu ?, Wei-Shiu Chen 摘要 本文目的在于研究注塑成型和注射壓縮成型在衍射光柵產(chǎn)生中的應(yīng)用。首先設(shè)計(jì)模具以便產(chǎn)生一個(gè)與固定襯套相連的衍射等級(jí)。驗(yàn)證表明組合件具有良好衍射性能。集成光柵減少了組裝成本和誤差。然后應(yīng)用光刻法制作模具嵌件。并利用田口法和參數(shù)分析法研究模壓工藝參數(shù)對(duì)光柵質(zhì)量的影響。接著，介紹并比較結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計(jì)，制造以及通過(guò)注塑成型 (IM)和注射壓縮成型(ICM)的復(fù)制結(jié)果。結(jié)果表明 ICM光柵的衍射角比 IM光柵更精確。通過(guò) ICM制作的光柵產(chǎn)生的翹曲比通過(guò) ICM制作的光柵小很多。衍射圖說(shuō)明在復(fù)制衍射光柵方面 ICM比IM工藝更好。 關(guān)鍵詞：注塑成型；注射壓縮成型；光柵；復(fù)制 1. 引言 光學(xué)拾取器的所有部件，包括記錄基板和許多組件，都要求有優(yōu)越的光學(xué)性能。這便要求形狀復(fù)制需十分精確且由模塑相關(guān)應(yīng)力引起的光學(xué)各向異性較低。 每當(dāng)行波遇到尺寸與其波長(zhǎng)類似的阻塞時(shí)，波中的一些能量便會(huì)被分散[1,2] 。如果該阻塞周期性出現(xiàn)或的確如果影響波傳播的任意參數(shù)有周期性變化，那么能量則向各個(gè)離散方向或衍射級(jí)分散，以這種方式發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)可被稱為衍射光柵。 播放器的光學(xué)拾取器中，衍射光學(xué)元件(DOE)不僅用來(lái)將主要激光束分割成尋跡追蹤的三個(gè)光束，而且使得返回光束向探測(cè)區(qū)域偏轉(zhuǎn)。制造光柵的傳統(tǒng)方法是在較好的光學(xué)表面上進(jìn)行刻劃、拋光或壓花一系列凹槽[3]。 母件通常是DOE原件通過(guò)一種或幾種高分辨率光刻步驟組合制造而成的金屬?gòu)?fù)制品[4,5]。制造原件的材料可為抗蝕劑、石英、硅或?qū)嵸|(zhì)上任意適合的高分辨率膜或基材。母件一般情況下由電鍍鎳原料制造，但是在有些情況下，其也可為其他材料如石英、塑料或其他金屬，或甚至原料本身。標(biāo)準(zhǔn)光柵首先由一層薄薄的非粘附材料（如金）覆蓋。然后是實(shí)質(zhì)層鋁。之后母件通過(guò)一層薄薄的低粘度樹脂膠結(jié)到經(jīng)過(guò)仔細(xì)清潔的復(fù)制坯料上，這使得樹脂在恒溫下聚合（通常是一個(gè)緩慢過(guò)程）。當(dāng)樹脂固化后，復(fù)制品和母件分離。 作為 DOEs低成本，批量生產(chǎn)的主要技術(shù)，替代性復(fù)制方法如下。這里有三種替代性復(fù)制方法：母本鎳鑄造、壓花和注塑成型 (IM)。 鑄造方法中，在固態(tài)基板上應(yīng)用環(huán)氧樹脂薄膜。在室溫條件下熱固化環(huán)氧樹脂。該方法的主要弊端是固化時(shí)間長(zhǎng)。還有一種特別感興趣的相關(guān)技術(shù)是將DOEs復(fù)制成涂覆在玻璃或聚合物基質(zhì)上的UV固化材料的薄層。 一種制造光柵復(fù)制品較快的方法是在一定壓力下使其從光滑的支承輥穿過(guò)加熱料筒壓印成塑料膜。通常情況下料筒有鎳電鍍包裹圍繞。因?yàn)檫@是一個(gè)連續(xù)工藝，單位成本最低，但是質(zhì)量卻僅限于學(xué)生試驗(yàn)或更可能是裝飾設(shè)備，如全息圖。 注塑成型是一種經(jīng)典的低成本工藝，原則上可以通過(guò)將源于一個(gè)精密母件鎳電鍍復(fù)制品插入到合適模具中產(chǎn)生光柵。注塑光柵的精度通常受工藝成型條件的限制。所以研究人員應(yīng)更加努力識(shí)別影響充型行為的重要因素。 近年來(lái)，塑料已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的商業(yè)潛能特別是在微結(jié)構(gòu)零件制造方面。注塑成型是制造塑料件的最重要工藝。雖然許多原型塑料微器材通過(guò)工程法如激光加工等制造，但是目前全球研究最多的還是微注塑成型法[6,7]。注塑成型的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)此我們可在一個(gè)自動(dòng)化工藝的一次生產(chǎn)步驟中制成復(fù)雜的幾何形狀。許多微器材如手表和照相機(jī)組件、汽車碰撞、加速、距離傳感器、硬盤讀/寫頭、CD驅(qū)動(dòng)器、醫(yī)療傳感器、泵、手術(shù)器械和電信組件等都已經(jīng)被成功地注塑成型。 注塑成型涉及將金屬聚合物注塑到一個(gè)模具中使得金屬可冷卻且固化形成一個(gè)塑料件。通常來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)三相工藝，即填充、壓緊和冷卻階段。當(dāng)空腔穩(wěn)定后，產(chǎn)品則從模具中彈出。 盡管有許多優(yōu)勢(shì)，注塑成型工藝在模塑微結(jié)構(gòu)方面也有一些固有問(wèn)題[8]。主要問(wèn)題是微小腔中的熔融聚合物一接觸相對(duì)較冷的腔壁時(shí)便立即凍結(jié)。當(dāng)模制具有較高縱橫比的微結(jié)構(gòu)時(shí)，情況會(huì)更糟糕。但是當(dāng)熔化和模制溫度均高于正常值時(shí)便可實(shí)現(xiàn)最佳復(fù)制結(jié)果[9]。 注射壓縮成型(ICM) 也有很多優(yōu)點(diǎn)如降低成型壓力、減少殘余應(yīng)力、將分子取向最小化、均勻壓緊、減少不均勻收縮、克服凹痕和翹曲。減少密度變化并提高尺寸精度等。由于這些優(yōu)點(diǎn)，注射壓縮成型通常用來(lái)制造高精度尺寸部件，特別對(duì)光學(xué)部件來(lái)說(shuō)無(wú)殘余應(yīng)力。 [7]沒有應(yīng)用微注塑機(jī)而是通過(guò)常規(guī)注塑成型法制造亞μm光柵光學(xué)元件。利用兩種不同工藝制成嵌件：SiO2中的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)和電子束光刻，緊接著是鎳電鍍。模制溫度為140℃時(shí)不存在填充問(wèn)題。然而， SEM顯微圖則顯示存在一定的形狀偏差，即結(jié)構(gòu)頂部比底部厚。光柵元件間距小于0.5 μm且深度超過(guò)1.5 μm。通過(guò)在兩個(gè)減速元件上分割功能，實(shí)際僅需一半填充深度。從而降低形狀偏差的影響。通過(guò)與聚碳酸酯注塑成型復(fù)制一個(gè)深度為2 μm間距為0.5 μm的光柵結(jié)構(gòu)。 試驗(yàn)證明較高縱橫比的特性通常難以形成，但是按照設(shè)想，注塑成型的進(jìn)一步優(yōu)化將解決這些困難[10]。Parashar等人[11]采用兩步驟工藝轉(zhuǎn)移復(fù)制玻璃中的結(jié)構(gòu)：首先，從一個(gè)母本結(jié)構(gòu)處獲得一個(gè)聚二甲基硅氧烷 (PDMS)復(fù)制品。然后，在PDMS軟復(fù)制品上施用一層溶膠凝膠材料，經(jīng)過(guò)干燥和退火后在玻璃中得到微-/納米-結(jié)構(gòu)。他們已經(jīng)在玻璃微-/納米-結(jié)構(gòu)的納米復(fù)制品中，創(chuàng)建了內(nèi)部開發(fā)的衍生自金屬醇鹽的溶膠凝膠材料的有效性。 Obi等人[12]提出了一種制造微結(jié)構(gòu)的復(fù)制方法。將UV固化溶膠凝膠作為一種基礎(chǔ)材料。基礎(chǔ)的制造工藝涉及一個(gè)犧牲間隔層沉積和模式化以及模制和光刻步驟組合。該制造工藝可應(yīng)用于包含透鏡、衍射光學(xué)元件或波導(dǎo)的光學(xué)MEMS設(shè)備。 本文旨在研究 IM和 ICM工藝在衍射光柵產(chǎn)生中的應(yīng)用。此外應(yīng)用田口法和參數(shù)分析法研究成型參數(shù)對(duì)光柵質(zhì)量的影響。論文描述了結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計(jì)，制造以及通過(guò)IM和ICM工藝的復(fù)制結(jié)果。 2. 傳播衍射光柵 2.1 應(yīng)用實(shí)例---光學(xué)拾取器 當(dāng)激光束通過(guò)衍射光柵時(shí)，其被分割成中央明亮和多個(gè)側(cè)光束。CD利用中央光束和每側(cè)的一個(gè)光束進(jìn)行系統(tǒng)追蹤。考慮到CD播放器的一部分包含幾個(gè)軌道，如果光學(xué)頭在軌道上，那么主光束便集中在軌道上（凹坑和凸起），二次射束集中在陸地上。三個(gè)點(diǎn)彼此之間刻意偏移約20 μm。兩個(gè)附加探測(cè)器沿主四象限探測(cè)器放置以便拾取這些輔助光束。如果三個(gè)光束在軌道上，則兩個(gè)輔助光電探測(cè)器具有等量光，并且相當(dāng)明亮，這是因?yàn)樗鼈儍H在陸地上追蹤。中央光束的亮度降低，因?yàn)槠湓陉懙睾桶伎犹幘M(jìn)行追蹤。然而，如果光學(xué)頭偏離軌道，則中心點(diǎn)可得到更多光線(因?yàn)閹缀鯖]有凹坑偏離軌道)且側(cè)面探測(cè)器也將不平衡。 現(xiàn)代CD播放器中最常見的光學(xué)系統(tǒng)是三光束拾取器，如圖1所示。從激光二極管發(fā)射的光進(jìn)入衍射光柵。光柵將入射光束轉(zhuǎn)化成中心峰值和一些副峰值。在追蹤機(jī)制中主要的中心峰值和兩個(gè)副峰值十分重要。三種光束穿過(guò)偏振光束分光器。這僅傳播平行于頁(yè)面的極化。此時(shí)，出現(xiàn)的光（現(xiàn)已與頁(yè)面平行極化）是平行的。平行光穿過(guò)λ/4板，將其轉(zhuǎn)化為圓偏振光，圓偏振光聚焦后射到盤上。如果光照射到地面上，其將被反射回物鏡。（如果光照射到凹坑，現(xiàn)在為一個(gè)凸起處，其不會(huì)被反射），然后光再次穿過(guò) λ/4板。因?yàn)槠湟苑捶较蛘丈?，其將在垂直于原始光束的方向偏振（換句話說(shuō)，現(xiàn)在光朝垂直于紙的方向偏振）。當(dāng)這次垂直的偏振光遇到偏振光束分光器時(shí)，其將被反射（不像原來(lái)那樣傳播）。因此，其將通過(guò)聚焦透鏡反射，然后是柱面透鏡，接著便在光探測(cè)器陣列上成像。在自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)中柱面透鏡十分重要。 2.2 常見的光柵方程 傳輸衍射光柵是一個(gè)具有大量平行的幻燈片，并在其上繪制密集間隔縫隙（透明空間）。早期的載玻片是用碳覆蓋的用針尖蝕刻的玻璃載片--現(xiàn)在它們傾向于被印到幻燈片上。入射光顏色分離良好，因?yàn)楦鶕?jù)光柵關(guān)系，不同波長(zhǎng)的光以不同角度衍射（圖2）： 其中d是狹縫之間的距離，θ為衍射角，λ 光波長(zhǎng)，且n為衍射級(jí)。 2.3 衍射效率 標(biāo)準(zhǔn)相位光柵的衍射效率，連續(xù)閃耀或多級(jí)逼近是衍射微光學(xué)中的一個(gè)基本問(wèn)題。在幾乎所有的光柵應(yīng)用中，主要要求是高衍射效率。實(shí)踐中可實(shí)現(xiàn)的效率則取決于多個(gè)因素：所應(yīng)用制造技術(shù)的類型和性能，以及光柵周期與波長(zhǎng)比，材料等。另外由于不存在唯一的衍射效率定義，所以實(shí)質(zhì)值也取決于衍射效率定義。因此對(duì)于文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的結(jié)果，比較起來(lái)十分困難。 為了描述衍射光柵的性能，時(shí)常應(yīng)用兩個(gè)數(shù)字： （1）總效率ηo,1 該總效率被定義為ηo,1 =一階強(qiáng)度/入射光強(qiáng)度 （2）衍射效率ηd,1 衍射效率被定義ηd,1 =一階強(qiáng)度/穿過(guò)非結(jié)構(gòu)話基板的投射光強(qiáng)度。 在第二個(gè)定義中，由于光柵界面表面粗糙度引起的損耗也包含在效率測(cè)量中。本研究中應(yīng)用衍射效率 ηd,1。 3. 試驗(yàn)步驟 3.1 材料 本研究是使用的材料是聚甲基丙烯酸甲酯的高熱注射級(jí)（PMMA, CM-205，來(lái)自臺(tái)灣奇美公司）。熔體流動(dòng)指數(shù) 1.8 g/10 min 且體積密度為1.19 g/cm3。建議的料筒溫度在210 到250 ?C之間，推薦的模具溫度在50 到70 ?C之間。材料在成型前使用除濕干燥機(jī)于90 ?C環(huán)境下預(yù)干燥4小時(shí)。 3.2 零件幾何體和模具設(shè)計(jì) 衍射光柵在玻璃基板上加工。加工后，光柵組裝成固定襯套（如圖3 所示）。組裝要求大量生產(chǎn)時(shí)間和人力成本。其還產(chǎn)生定位誤差和角度誤差，然后降低光學(xué)拾波器精確度。在該研究中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)為光柵和套管的組合。整個(gè)部件直徑為7 mm。光柵部分直徑為4 mm，位于中心。鎳模具插件設(shè)計(jì)周期為20 μm。切口深度為1.5 μm。 中心澆口模架中安裝電鍍鎳模具嵌件如圖4所示。模具有兩個(gè)對(duì)稱腔位于澆口兩對(duì)邊。模板由S45C工具鋼制成?？涨煌ㄟ^(guò)一個(gè)澆口、兩個(gè)澆道和兩個(gè)扇形澆口進(jìn)料，如圖5所示。澆口 48mm長(zhǎng)直徑為5 mm。澆道的尺寸為 1.55 mm × 3.50 mm × 5.68 mm。 3.3 模具嵌件制造 我們的光刻工藝涉及光掩膜制造、晶片清洗、旋轉(zhuǎn)涂布、軟烘、曝光、曝光后烘烤、顯影和硬烘烤。 CAD程序中創(chuàng)建的包含特征設(shè)計(jì)的高分辨率透明度可作為光刻法中的掩膜。在本研究中，利用高分辨率激光打印機(jī) (16,000 dpi)將掩膜圖案轉(zhuǎn)印到幻燈片上。 圖6為制造鎳電鍍模具嵌件步驟示意圖。硅晶片作為一個(gè)基板。為去除晶片表面污染物，晶片清潔便是一個(gè)必要步驟以便獲得高性能且高可靠性的產(chǎn)品，還能預(yù)防工藝設(shè)備污染。晶片表面在120 ?C 條件下用4:1 H2SO4/H2O2清洗10分鐘以去除有機(jī)污染物。而后用去離子（DI）水清潔晶片表面直至耐水性高于8 K。接著在室溫條件下 用50:1 H2O/HF處理10分鐘以去除化學(xué)氧化物。再次用去離子水清洗晶片表面。清洗后，旋轉(zhuǎn)基板并用加熱氮吹干，然后放置在熱板上（120℃條件下放置3分鐘）以便去除表面的任意水蒸氣。該步驟稱為烘烤脫水。 為了提高對(duì)硅晶片的抗粘附性，通常應(yīng)用六甲基二硅烷(HMDS)。通過(guò)在室溫下旋轉(zhuǎn)將HMDS應(yīng)用到晶片上。在 90 ?C條件下將晶片置于熱板上2分鐘以便干燥HMDS。下一步驟中將抗蝕劑旋轉(zhuǎn)到晶片上，該步驟應(yīng)在施用HMDS后立即進(jìn)行。本研究使用AZ9260，正性抗蝕劑。當(dāng)晶片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)均勻?qū)?，此時(shí)該抗蝕劑配發(fā)到晶片上。旋涂機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度增加到 500 rpm，并以 500 rpm/s的加速度加速10s。另外30秒中，旋涂機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和加速度分別為300rpm和300rpm / s。該步驟中旋轉(zhuǎn)速度決定了抗蝕劑的最終厚度（本研究中約為50 μm）。 光刻法中的下一步驟為預(yù)烘烤，預(yù)烘烤條件取決于光刻膠厚度。本研究中基板在50 ?C環(huán)境下置放在水平熱板上10分鐘并在90 ?C環(huán)境下置放10分鐘。預(yù)烘烤步驟要達(dá)到三個(gè)目標(biāo)。首先，大量蒸發(fā)抗蝕劑中的剩余溶劑。其次，抗蝕劑的粘合性得到改善。最后，通過(guò)熱松弛可釋放抗蝕劑中的應(yīng)力。然后基板逐漸冷卻到室溫，以便使殘余應(yīng)力最小化。下一步驟為晶片曝光，其可分為三種基本方法：即接觸曬印、接近式曝光和投影曝光。接觸曬印是最早也是最簡(jiǎn)單的曬印工藝。掩膜曬印面朝下放置在與晶片抗蝕層直接接觸的地方。然后閃光通過(guò)掩膜發(fā)生抗蝕劑曝光。利用接觸式光刻機(jī)將掩膜與圖案對(duì)準(zhǔn)(Karl Suss MA-6)。掩膜與晶片之間的硬性接觸可損害掩膜和抗蝕層。盡管如此，本研究中應(yīng)用接觸式曬印實(shí)現(xiàn)高分辨率曬印能力，曝光時(shí)間為3分鐘。 下一步驟為曝光后烘烤(PEB)。該步驟在90 ?C條件下進(jìn)行1分鐘。PEB后，基板再次逐漸冷卻到室溫以便使應(yīng)力最小化并防止抗蝕劑破裂?；褰?rùn)到含顯影劑(1:3 AZ400K/DI 水) 的燒杯中約5分鐘，所有特征被開發(fā)后，在新鮮 DI水中清洗光刻膠并用氮吹干。這樣便產(chǎn)生了一個(gè)具有正性功能的 AZ9260模具嵌件。 光刻工藝的最后一步是后烘烤用來(lái)硬化抗蝕劑并改善其抗蝕刻性。該步驟在 110 ?C條件下進(jìn)行10分鐘，后烘烤的光刻膠模具在注塑成型中其耐高壓和溫度能力沒有金屬?gòu)?qiáng)。這里光刻膠模具用作鎳模具電鍍的一種圖案。濺射一薄金層以便為鎳生長(zhǎng)創(chuàng)建一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域。 表面用淺色硫酸在60 ?C條件下進(jìn)行預(yù)處理，并用DI 水清洗。在50 ?C，pH等于4，低電流密度4 A/dm2 條件下進(jìn)行電鍍以便在鎳模具中使內(nèi)部應(yīng)力最小化。電鍍后，用超聲波振動(dòng)器剝離光刻膠，將鎳結(jié)構(gòu)置于丙酮中并用DI水清洗。整個(gè)工藝不到2天完成（包括1小時(shí)光刻和40小時(shí)電鍍）。 3.4 成型 利用注塑機(jī)進(jìn)行成型操作(FANUC ROBOSHOT S-2000i50A)。該機(jī)器可提供高達(dá)50噸的夾緊力。螺桿直徑為 22 mm，最大進(jìn)樣量為29 cm3。該注塑機(jī)可提供ICM 工藝和IM 工藝。 每組工藝條件下，進(jìn)行10次試驗(yàn)以確保樣品收集前工藝的穩(wěn)定性。如果在前10次運(yùn)行中沒有觀察到明顯變化，則在接下來(lái)5次運(yùn)行中收集成型部件作為產(chǎn)品表征的樣品。 3.5 質(zhì)量測(cè)量 衍射光柵的兩個(gè)主要性能使衍射角度的準(zhǔn)確性和衍射效率。試驗(yàn)裝置如圖7所示，用于測(cè)量衍射效率和衍射角度。 He–Ne置放在精確的旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)上并指向臺(tái)中心。測(cè)試光柵置放在臺(tái)中心。光柵具有指向性這樣激光束可垂直于光柵表面。功率計(jì)和光電探測(cè)器結(jié)合用來(lái)測(cè)量光強(qiáng)度。首先將旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至光電探測(cè)器接收最大強(qiáng)度的方向。即，0階光線在光電探測(cè)器中心準(zhǔn)確輻照。然后將旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)零。其次，將旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至1階光線在光電探測(cè)器中心準(zhǔn)確輻照的方向。旋轉(zhuǎn)角度為+1階的衍射角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明?1階的衍射角與+1階衍射角十分接近。因此，本研究中僅測(cè)量+1階的衍射角。 4. 田口參數(shù)設(shè)計(jì) 研究分析并比較了工藝參數(shù)對(duì)注塑成型光柵和注射壓縮成型光柵衍射角的影響。這里應(yīng)用田口法，找出每個(gè)因素的貢獻(xiàn)率并測(cè)定在兩個(gè)成型工藝中驅(qū)動(dòng)有效因素的參數(shù)最佳組合，以便得到具有最精確衍射角的產(chǎn)品。 分析中，信噪(S/N) 比是統(tǒng)計(jì)量表示響應(yīng)信號(hào)功率處以由于噪聲引起信號(hào)變化的功率。 S/N的最大化導(dǎo)致對(duì)噪聲敏感的任何性能將最小化。為優(yōu)化IM和ICM衍射光柵，我們可用“名義上最佳”的方程進(jìn)行分析： 其中μ 是平均性能，σ 為標(biāo)準(zhǔn)偏差，yi測(cè)量的性質(zhì)， n為每次測(cè)試試驗(yàn)中樣品數(shù)量。然后總結(jié)具有最大S/N比的最佳因子水平，這將在噪聲范圍內(nèi)使靈敏度最小化。 該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定成型因素對(duì)衍射角和最佳因素組合的影響。通過(guò)這種最佳工藝條件，衍射角與理論值最接近。根據(jù)我們的最初測(cè)試和之前的文獻(xiàn)綜述[13–15]，兩種工藝選擇四個(gè)成型因素。注塑成型為熔融溫度、注射速度、成型溫度和壓緊壓力。每個(gè)因素都有三個(gè)級(jí)別，如表1所示，這是因?yàn)檫@些因素對(duì)結(jié)果的影響呈非線性變化。對(duì)于注射壓縮成型而言，選擇的四個(gè)因素為成型溫度、注射速度、壓縮速度和壓縮周期，如表2所示。根據(jù)每個(gè)參數(shù)等級(jí)，應(yīng)用 L9(34)正交表進(jìn)行測(cè)試。 5. 結(jié)果 5.1 最佳成型參數(shù)組合 圖8和9分別描述了 IM和ICM工藝中工藝因素對(duì)衍射角精確度的影響。這些響應(yīng)圖說(shuō)明各因素之間如何使精確度發(fā)生變化。從圖8可看出，在熔融溫度240 ?C，注射速度為150 mm/s，成型溫度為60 ?C，且壓緊壓力為100 MPa條件下因素各等級(jí)將產(chǎn)生最小誤差。最佳工藝條件下，進(jìn)行四次確認(rèn)測(cè)試，則測(cè)量的衍射角為 0.988?, 0.985?, 0.987?和 0.984? 平均值為0.986，相應(yīng)S/N比為54.65。確認(rèn)測(cè)試中計(jì)算的 S/N 比位于確認(rèn)區(qū)間內(nèi) [52.38, 83.42]。確認(rèn)測(cè)試結(jié)果表明本研究中恰當(dāng)應(yīng)用了田口法（表3和表4）。 5.2 成型因素對(duì)衍射角精確度的影響 在之前的分析中，每個(gè)因素對(duì)衍射角精確度整體影響的貢獻(xiàn)用百分比表示。對(duì)于 IM 光柵來(lái)說(shuō)，成型溫度的影響最大，貢獻(xiàn)率為57.41%，其次為熔融溫度為19.23%，壓緊壓力 19.1%和注射速度 4.25%。而對(duì)于ICM光柵而言，壓縮速度的影響最大，貢獻(xiàn)率為55.7%，其次為壓縮周期為26.0%，注射速度14.3% 和成型溫度 4.02%。 5.3 IM 和ICM部件之間的比較 在各自最佳工藝條件下，通過(guò) IM和ICM制造部件。我們通過(guò)比較 IM和 ICM部件質(zhì)量研究這兩種工藝。圖10描述了 IM 光柵和 ICM光柵的衍射性能。從圖中可看出ICM 光柵提供比IM光柵更集中的衍射圖案。這說(shuō)明 ICM光柵的光學(xué)質(zhì)量比IM光柵好。此外，根據(jù)測(cè)量的衍射角和觀察的表面質(zhì)量研究光柵。接著，通過(guò)測(cè)量光柵表面的表面輪廓研究表面特性。 5.3.1 衍射角測(cè)量 激光波長(zhǎng)為685 nm。本研究中衍射光柵的間距為40 μm。根據(jù)方程式（1）預(yù)測(cè)的衍射角為0.9812?。對(duì)IM工藝而言，確認(rèn)測(cè)試的結(jié)果表明平均最佳衍射角為0.986?。而對(duì)于 ICM工藝而言，衍射角為0.983?，其與預(yù)測(cè)的衍射角更接近一些。 5.3.2 顯微鏡技術(shù) 掃描電子顯微鏡（JOEL，JSM-6400）中驗(yàn)證模制光柵。首先將樣品切成小塊并用金在表面濺射，接著用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。圖11是 IM光柵和ICM光柵的SEM 顯微照片。它們的形狀和尺寸看起來(lái)類似。為了獲得更清晰的立體圖，我們使用另一臺(tái)顯微鏡（具有OPTEM Zoom 125光學(xué)系統(tǒng)的SONY Exwave HAD攝像機(jī)）。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn) ICM 光柵比IM光柵復(fù)制更好（圖12）。ICM光柵有一個(gè)邊緣比IM光柵更鋒利的凹槽。此外，IM光柵比ICM光柵含更多空隙。 5.3.3 表面輪廓測(cè)量 為測(cè)量微結(jié)構(gòu)輪廓，我們使用高性能表面輪廓儀（XP-2, Ambios Technology Inc.）測(cè)量 IM光柵和 ICM光柵。表面輪廓如圖13所示。在接近中心的光柵表面進(jìn)行測(cè)量。光柵的中心點(diǎn)表示為表面輪廓的A點(diǎn)。在A點(diǎn)的17個(gè)周期處，表示為B點(diǎn)。兩個(gè)輪廓的A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的水平距離約為 670 μm。周期也大致相同，但是對(duì)IM輪廓來(lái)說(shuō)，兩點(diǎn)之間的垂直距離（23.6 μm）大于 ICM 輪廓的垂直距離（9.2 μm）。垂直偏差顯示光柵翹曲。結(jié)果表明 ICM光柵的翹曲比IM 光柵小得多。 6. 結(jié)論 本文旨在研究應(yīng)用 IM和ICM制造衍射光柵。文中利用田口法和參數(shù)分析探索模制參數(shù)對(duì)光柵質(zhì)量的影響。此外，研究描述了 結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計(jì)和制造以及IM 和ICM工藝復(fù)制結(jié)果。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論： （1） 利用 IM和ICM工藝可制造衍射光柵。模具用來(lái)制造與固定襯套連接的衍射光柵。經(jīng)驗(yàn)證實(shí)結(jié)合件具有良好的衍射性能。集成光柵消除了組裝成本和誤差。根據(jù)光刻工藝制造模具嵌件。 （2） 對(duì)于注塑成型的光柵而言，模具溫度影響最大，其次是熔融溫度、壓緊壓力和注射速度。而對(duì)于注射壓縮成型的光柵而言，壓縮速度影響最大，其次是壓縮周期、注射速度和模具溫度。 （3） 衍射圖案表明在復(fù)制一個(gè)衍射光柵方面 ICM工藝比IM更好。 ICM光柵衍射角比 IM光柵更精確。ICM工藝比注塑成型提供更精確的形狀復(fù)制。通過(guò)ICM制造的光柵，其產(chǎn)生的翹曲比IM制造的光柵小得多。