一种空心柱立体结构的图形加工方法与流程

本发明光刻技术领域，特别是涉及一种空心柱立体结构的图形加工方法。

背景技术：

电子技术的不断发展，催生了一系列特殊结构的电子产品。在平面上加工复杂精细图形已经有完备的生产工艺流程，但在立体结构上制作精细图形仍存在一系列的问题，比如图形定位问题、产品结构加工一致性和重复性问题、产品图形偏差问题以及产品结构稳定性问题等。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空心柱立体结构的图形加工方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种空心柱立体结构的图形加工方法，该方法包括：步骤1，将柱体浸入到感光胶内，使所述柱体的表面形成厚度均匀的感光胶层；步骤2，根据所述柱体的表面的曝光尺寸大小及希望得到的柱体的结构，获得所需要的二维电子图形，并通过计算将所述柱体的表面分割成若干子区域并确定每个所述子区域的曝光焦点，并根据每个所述子区域的大小及位置将所述电子图形进行分割形成子图，最后将所述子图填充至相应的所述柱体上的对应的所述子区域，并形成待加工图形；步骤3，利用无掩模光刻技术，将所述待加工图形曝光在所述柱体的表面上，其具体包括：步骤31，对所述待加工图形的填充位置及倾斜角度进行修正，使所述待加工图形的位置与对应的所述柱体的表面上的实际位置一致，生成动态电子掩模；其中，“对所述待加工图形的填充位置及倾斜角度进行修正”具体包括：对所述柱体表面上待曝光的位置进行初始定位，图像控制器抓拍所述柱体的外形，并将所述柱体进行图形定位，曝光机根据图形定位自动修改图形曝光的位置坐标起点和角度；步骤32，根据每个所述子区域的曝光焦点，利用无掩模光刻技术按所述步骤31中生成的所述动态电子掩模，将所述待加工图形曝光在所述柱体的表面上，其中：在光刻过程中，所述柱体沿轴向以匀速或变速的方式旋转，且所述柱体旋转的速度和所述待加工图形曝光时提供的曝光图形的光点的光斑扫描速度保持一致，相邻的两次扫描光点之间实现图形的无缝衔接，所述柱体的表面上每个所述子区域的曝光图形在曝光过程中均处于所述曝光焦点的焦深范围以内，以保证多次曝光的图形的一致性和连续有效性以及图形最终的总长度和所需一致；和步骤33，利用显影方法，去除所述步骤32在所述柱体的表面上形成的曝光图形中的被曝光的部分，而留下被感光胶保护的部分；步骤4，对显影后的所述柱体的表面进行图形加法或是图形减法处理；步骤5，剥离所述柱体的表面的感光胶，得到连续的精细图形形成在所述柱体的表面。

进一步地，所述步骤4中的“图形加法”采用“电镀法”，其具体包括如下过程：首先，固定所述柱体的一端，并将该端与电源正极电连接；然后，封堵所述柱体的另一端内芯；最后，将所述柱体被封堵的端部浸入电镀药液中，且将该电镀药液电连接所述电源的负极，通电过程中，所述电镀药液中带正电的金属离子往所述柱体的表面上的金属基底上进行沉积，沉积形成的金属电镀层的厚度小于或等于感光胶膜厚。

进一步地，所述步骤1之前，还包括：步骤6，电镀所述柱体：首先，固定所述柱体的一端，封堵所述柱体的另一端内芯；然后，将所述柱体浸入电镀液中，利用化学方法在所述柱体的表面附着一层导电材料。

进一步地，所述步骤4中的“图形减法”采用“化学蚀刻法”，其具体包括如下过程：首先，固定所述柱体的一端，封堵所述柱体的另一端内芯；然后，将所述柱体被封堵的端部浸入化学药液中，将显影掉的位置的金属蚀刻掉，留下被感光胶保护的部分的下面的金属。

进一步地，所述步骤33具体为：将曝光后的所述柱体浸泡在质量百分比浓度范围为0.5～1％、温度范围为20～30℃的氢氧化钠药液，通过氢氧化钠药液去除所述步骤32在所述柱体的表面上形成的曝光图形中的多余部分。

进一步地，所述步骤1具体为：首先，固定所述柱体的一端，封堵所述柱体的另一端内芯；

然后，将所述柱体被封堵的端部浸入感光胶中，待所述柱体的表面浸润感光胶中，完全浸润后取出，得到膜厚均匀一致的感光胶，甩掉多余的感光胶。

本发明提供的方法能够制作出严格同心或是同波纹或是严格图形步进重复的任意精密图形的结构件。

附图说明

图1是本发明所提供的柱体进入液体中的操作示意图；

图2是发明所提供的柱体曝光过程中运动状态示意图。

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本实施例所提供的空心柱立体结构的图形加工方法包括：

步骤1，将柱体浸入到感光胶内，使所述柱体的表面形成厚度均匀的感光胶层。本领域普通技术人员可以知晓的是：经由步骤1后的所述柱体的表面为基层，该基层的材料为金属材料，基层的外表面附着一层感光胶层。

步骤2，根据所述柱体的表面的曝光尺寸大小及希望得到的柱体的结构，获得所需要的二维电子图形，并通过计算将所述柱体的表面分割成若干子区域并确定每个所述子区域的曝光焦点，并根据每个所述子区域的大小及位置将所述电子图形进行分割形成子图，最后将所述子图填充至相应的所述柱体上的对应的所述子区域，并形成待加工图形。其中，“根据所述柱体的表面的曝光尺寸大小及希望得到的柱体的结构，获得所需要的二维电子图形”中的“获得”指的是绘图软件将柱体的三维图形拆解成二维图形，即二维电子图形，具体是将柱面从的侧面沿其中心轴线o的方向剖开一条直线，直接展开即可实现将柱体的三维图形拆解成二维图形。

步骤3，利用无掩模光刻技术，将所述待加工图形曝光在所述柱体的表面上。本实施例采用不需要图形底片的掩模板，而是直接采用数字化投影成像曝光方式，将所需要的图形曝光在柱面上，该数字化投影成像曝光系统和方式需要保证足够的焦深和实现超高精度的图形对接，以使柱面上加工的图形不存在线宽差异或是对接错位，减少不良产生。

步骤4，对显影后的所述柱体的表面进行图形加法或是图形减法处理。

步骤5，剥离所述柱体的表面的感光胶，得到连续的精细图形形成在所述柱体的表面。“剥离所述柱体的表面的感光胶”的方法具体包括：首先，将由步骤4获得的所述柱体的一端固定，所述柱体的另一端内芯被封堵；然后，将所述柱体被封堵的另一端浸入质量百分比浓度为20％碱液或是与感光胶相对应的羟基化合物中，以去除所述柱体的表面剩下的感光胶。

利用本实施例提供的方法能够制作出严格同心或是同波纹或是严格图形步进重复的任意精密图形的结构件。

在一个实施例中，步骤3具体包括：

步骤31，对所述待加工图形的填充位置及倾斜角度进行修正，使所述待加工图形的位置与对应的所述柱体的表面上的实际位置一致，生成动态电子掩模；其中，“对所述待加工图形的填充位置及倾斜角度进行修正”具体包括：对所述柱体表面上待曝光的位置进行初始定位，图像控制器抓拍所述柱体的外形，并将所述柱体进行图形定位，曝光机根据图形定位自动修改图形曝光的位置坐标起点和角度。

步骤32，根据每个所述子区域的曝光焦点，利用无掩模光刻技术按所述步骤31中生成的所述动态电子掩模，将所述待加工图形曝光在所述柱体的表面上，其中：在光刻过程中，所述柱体沿轴向以匀速或变速的方式旋转(如图2所示)，且所述柱体旋转的速度和所述待加工图形曝光时提供的曝光图形的光点的光斑扫描速度保持一致，具体操作是按曝光图形光点的光斑扫描速度设置柱体旋转的速度，比如：光点的光斑扫描速度为10mm/s，则圆柱的外圆面弧面的运动速度也为10mm/s，两者保持一致。相邻的两次扫描光点之间实现图形的无缝衔接，该“图形的无缝衔接”具体可参考申请号为201310349453.0的专利。所述柱体的表面上每个所述子区域的曝光图形在曝光过程中均处于所述曝光焦点的焦深范围以内，以保证多次曝光的图形的一致性和连续有效性以及图形最终的总长度和所需一致。

其中，“多次曝光的图形的一致性”主要是多次曝光的图形的宽度需要保持一致，比如：每次曝光的图形都包含有2um/3um/5um等各种尺寸的图形，本实施例的“一致性”指的是2um的线宽要做到一致2um±10％，同理，3um线宽也都是3um±10％，以此类推。

其中，“保证多次曝光的图形的连续有效性”可通过曝光机的光学系统设计和调试好后，鉴于焦深是固定值，按焦深固定值进行设计焦深、分解曝光图形，从而保证多次曝光的图形的连续有效性。“连续有效性”指的是前一次光斑扫描的图形和后一次光斑扫描的图形要能保持对接，图形连续，一条直线或是圆弧跨两个扫描光斑时，不能断开。

其中，“保证曝光的图形最终的总长度和所需一致”具体方法是：在曝光设备的移动台上设光栅尺，平台上的读头读取光栅尺的刻度数据，即曝光设备移动的位置(移动台相对于平台的位置)。根据光栅尺读取的反馈数据实时校准曝光位置和曝光图形，保证曝光的图形最终的总长度和所需一致。“实时校准”主要指的是读头读取位置，驱动电机修正位置，比如曝光设备移动的目标位置的坐标是(100,100)，而光栅尺检测移动的实际位置的坐标是(100,100.005)，此时，驱动电机往回走0.005mm，即可实现实时校准。相对于参考值，在图形的总长度变长或变短，均匀分布补偿在数据里。也就是说，比如：目标位移的参考值是500，而实际调试测量时位移是500.1，此时差值0.1mm需要进行补偿。鉴于每5mm需要运行100次，0.1mm除以100份，每位移5mm则补偿0.001mm，这样可以实现实时检测，实时补偿，保证曝光的图形最终的总长度和所需一致。

其中，“轴向”指的是柱体的中心轴线方向。

步骤33，利用显影方法，去除所述步骤32在所述柱体的表面上形成的曝光图形中的被曝光的部分，而留下被感光胶保护的部分。也就是说，经过步骤33后的柱体表面具有两部分，一部分是显影掉感光胶的基层表面，该部分裸露为金属，另一部分没有显影掉的是感光胶。其中，“显影方法”的方法具体包括：首先，将由步骤32获得的所述柱体的一端固定，所述柱体的另一端内芯被封堵；然后，将所述柱体被封堵的另一端浸入质量百分比浓度为1％的碱液中，以去除所述步骤32在所述柱体的表面上形成的曝光图形中的被曝光的部分。

在一个实施例中，步骤4中的“图形加法”采用“电镀法”，其具体包括如下过程：

首先，固定所述柱体的一端，并将该端与电源正极电连接；

然后，封堵所述柱体的另一端内芯；

最后，将所述柱体被封堵的端部浸入电镀药液中，且将该电镀药液电连接所述电源的负极，通电过程中，所述电镀药液中带正电的金属离子往所述柱体的表面上的金属基底上进行沉积，沉积形成的金属电镀层的厚度小于或等于感光胶膜厚。其中，“电镀药液”的使用具体是：比如镀铜，可以使用氯化铜。比如镀镍，可以使用镍的可溶解化合物盐。比如镀合金，可以使用镍铜混合药液。本领域技术人员可以根据需要的柱体的强度和特性，选取“电镀药液”中的金属组分的比例。还可以根据需要的电镀速度，选取药液质量百分比浓度，质量百分比浓度高电镀沉积的速度快。

在一个实施例中，步骤1之前，还包括：

步骤6，电镀所述柱体：

首先，固定所述柱体的一端，封堵所述柱体的另一端内芯；

然后，将所述柱体浸入电镀液中，利用化学方法在所述柱体的表面附着一层导电材料。

通过步骤6，由于有些柱体，即基层的材料为不导电材料，或者，即便基层的材料是金属材料，但是导电性能不佳。针对这些情形，需要在柱体的表面附上一层金属的基层，如铜、金等。“化学方法”可以是表面化学反应或是金属置换反应或是氧化还原反应或是电化学反应。

在一个实施例中，步骤4中的“图形减法”采用“化学蚀刻法”，其具体包括如下过程：

首先，固定所述柱体的一端，封堵所述柱体的另一端内芯；

然后，将所述柱体被封堵的端部浸入化学药液中，将显影掉的位置的金属蚀刻掉，留下被感光胶保护的部分的下面的金属，该金属是柱面材料本体的金属。其中，“化学药液”的使用具体是：比如蚀刻铜，可以使用盐酸加氯化铁。比如蚀刻其它金属，可以使用盐酸加硝酸。

在一个实施例中，步骤33具体为：将曝光后的所述柱体浸泡在质量百分比浓度范围为0.5～1％、温度范围为20～30℃的氢氧化钠药液，通过氢氧化钠药液去除所述步骤32在所述柱体的表面上形成的曝光图形中的多余部分。

在一个实施例中，步骤1具体为：

首先，固定所述柱体的一端，封堵所述柱体的另一端内芯；

然后，将所述柱体被封堵的端部浸入感光胶中，待所述柱体的表面浸润感光胶中，完全浸润后取出，得到膜厚均匀一致的感光胶，甩掉多余的感光胶。其中，“膜厚”的范围可以在1～2um之间。

在一个实施例中，“柱体”是采用空心圆柱拉伸生产装置制作得到，具体是空心圆柱拉伸生产装置将不锈钢或是玻璃或是其它材质的材料拉伸成柱形空心管，比如圆柱体形，还可以是其它形状的柱体，比如四面形柱体、六面形柱体，甚至还可以是异面形柱体，在此不一一列举。

需要说明的是，步骤1、步骤33、步骤4中的“图形加法”和“图形减法”、步骤5、步骤6均需要将柱体1的被封堵的一端浸入相应的液体2中，并且柱体1的需要的部分需要全部浸入到液体2中，柱体1的被夹持固定的部分最后通过切除即可，具体操作在上面的文字已经有详细的介绍，同时可以结合参考图1。

另外本发明是以制作空心柱立体结构为例描述该发明，实际加工的结构可以是空心柱体、空心多面体，也可以是非空心的三维结构。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。