本方法涉及快速制造領(lǐng)域的紫光曝光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光路設(shè)計(jì)、模具的曝光固化和成型工藝。

背景技術(shù)：
在研究復(fù)雜形狀光制造的過(guò)程中,如何快速生成任意形狀的紫外環(huán)保掩膜版成為長(zhǎng)期困擾業(yè)界的問(wèn)題。但傳統(tǒng)的掩膜版壽命會(huì)受到霧化缺陷的限制，霧化缺陷是指在對(duì)特定的區(qū)域內(nèi)，電子束曝光時(shí)，部分電子在光刻膠表面反射，從光刻膠表面反射的電子再遇置于光刻膠之上的擋板而重新反射至光刻膠上，從而使之感光，但由于霧化缺陷中，電子反射后是在空氣中，從而碰撞幾率比在光刻膠中小，因此在掩膜版中，霧化缺陷是個(gè)很重要的影響因素，但在光刻波長(zhǎng)大于200nm時(shí)，這些缺陷不會(huì)引起太大的問(wèn)題，但是小于200nm光刻時(shí)，受到影響的掩膜版會(huì)高達(dá)20％左右，使得掩膜版的壽命難以提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服上述問(wèn)題，本發(fā)明在傳統(tǒng)紫外曝光掩膜版技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種利用臭氧的長(zhǎng)紫外光的阻透作用，對(duì)液態(tài)光固化材料進(jìn)行曝光的方案，實(shí)現(xiàn)了程序控制下的重復(fù)應(yīng)用，具有過(guò)程可逆，且高效環(huán)保。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：一種基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置，包括樹脂槽、封閉氣室、長(zhǎng)波紫外光源、短波紫外光源和控制主機(jī)，所述的封閉氣室設(shè)置在樹脂槽的下方，封閉氣室內(nèi)裝有氧氣，長(zhǎng)波紫外光源和短波紫外光源發(fā)出的光透過(guò)封閉氣室入射至樹脂槽內(nèi)；所述的樹脂槽內(nèi)裝有液態(tài)光敏樹脂，并可在長(zhǎng)波紫外光的照射下固化；所述的短波紫外光源按照成形加工分層切片的特定形狀投射短波紫外光至封閉氣室內(nèi)的氧氣中，使其反應(yīng)生成臭氧，并使得封閉氣室的局部投射區(qū)變?yōu)槌粞鯀^(qū)，阻擋短波紫外光的透射，同時(shí)臭氧區(qū)的臭氧在長(zhǎng)波紫外光的照射下轉(zhuǎn)化為氧氣，恢復(fù)至初始狀態(tài)；所述的控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波紫外光源和短波紫外光源投射工序的控制。上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置中，短波紫外光源的波長(zhǎng)為184nm。上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置中，長(zhǎng)波紫外光源的波長(zhǎng)為200nm。上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置中，液態(tài)光敏樹脂為光敏環(huán)氧樹脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯樹脂或上述樹脂的混合液體。上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置中，短波紫外光源前設(shè)置有微透鏡陣列或液晶器件，用于控制輸出光斑的形狀和位置。上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置中，長(zhǎng)波紫外光源和短波紫外光源為點(diǎn)光源、面光源、體光源或三者的組合?；谧贤馄毓鈩?dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形的方法，包括以下步驟：【1】將要成形加工產(chǎn)品的三維圖上傳到控制主機(jī)，由控制程序運(yùn)行進(jìn)行切片處理，得到每層切片的形狀參數(shù)；【2】將光敏樹脂加入到樹脂槽內(nèi)；【3】控制主機(jī)控制短波紫外光源，按照第一層截面的形狀參數(shù)，投射短波紫外光至封閉氣室內(nèi)的氧氣，使得氧氣反應(yīng)生成臭氧，并在封閉氣室的局部形成臭氧區(qū)；【4】控制主機(jī)控制長(zhǎng)波紫外光源照射至封閉氣室，對(duì)臭氧區(qū)外的液態(tài)樹脂進(jìn)行固化，同時(shí)使得臭氧區(qū)內(nèi)的臭氧反應(yīng)生成氧氣，完成該層的成形加工；【5】重復(fù)步驟【3】和【4】，完成剩余其他層的加工；【6】將樹脂槽內(nèi)未固化的液態(tài)光敏樹脂倒出，對(duì)產(chǎn)品清洗。上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形方法中，短波紫外光的出光時(shí)長(zhǎng)為0.01～0.03微秒；上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形方法中，長(zhǎng)波紫外光的出光時(shí)長(zhǎng)為0.01～0.03微秒；上述基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形方法中，短波紫外光和長(zhǎng)波紫外光之間的間隔為0.04～0.05毫秒。本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：1、本發(fā)明在傳統(tǒng)紫外曝光掩膜技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用臭氧對(duì)長(zhǎng)紫外光的阻透作用，在封閉氣室內(nèi)裝有氧氣，使得按照分層特定形狀設(shè)置的短波紫外光照射后生成動(dòng)態(tài)的局部臭氧區(qū)，阻礙長(zhǎng)波紫外光的透過(guò)，而未阻礙區(qū)域的長(zhǎng)波紫外光可使得樹脂槽內(nèi)樹脂固化，形成特定的形狀，同時(shí)長(zhǎng)波長(zhǎng)紫外光又照射臭氧區(qū)，使得臭氧變?yōu)檠鯕?，回?fù)初始狀態(tài)，完成重復(fù)循環(huán)加工，該方法實(shí)現(xiàn)了程序控制下的重復(fù)應(yīng)用，具有過(guò)程可逆，且高效環(huán)保。2、本發(fā)明利用臭氧與氧氣的轉(zhuǎn)化過(guò)程，臭氧的吸光度高，且整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程沒有其他有害氣體生成，原子利用率高，整個(gè)反應(yīng)非自發(fā)，且過(guò)程可逆，由此可以得出紫外環(huán)保掩膜版反應(yīng)過(guò)程可以控制，并且能夠重復(fù)利用，能夠有效提高掩膜版的壽命，而且還能反復(fù)進(jìn)行紫外曝光固化的過(guò)程，有效的提高了快速成型的效率，3、本發(fā)明在封閉氣室內(nèi)進(jìn)行的氧氣反應(yīng)聲場(chǎng)臭氧、臭氧反應(yīng)生成氧氣，具有反應(yīng)過(guò)程可逆，放熱和吸熱過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡，確?？沙尚渭庸さ木取?、本發(fā)明利用紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速制造新方法，可用于商業(yè)化的光刻機(jī)、復(fù)合材料成型試驗(yàn)臺(tái)、快速成型設(shè)備和增材制造裝備等領(lǐng)域，推廣價(jià)值大。附圖說(shuō)明圖1是基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版原理的成形原理示意圖；圖2是紫外光固化原理示意圖。附圖標(biāo)記為：1－樹脂槽；2－封閉氣室；3－長(zhǎng)波紫外光；4－短波紫外光；5－控制主機(jī)；6－氧氣；7－臭氧區(qū)；8－光敏樹脂；10－固化產(chǎn)品；11－固化第一層；12－固化第二層；13－固化最后一層。具體實(shí)施方式如圖1所示，基于紫外曝光動(dòng)態(tài)掩膜版技術(shù)的快速成形裝置，包括樹脂槽1、封閉氣室2、長(zhǎng)波紫外光源、短波紫外光源和控制主機(jī)5，所述的封閉氣室2設(shè)置在樹脂槽1的下方，長(zhǎng)波紫外光源和短波紫外光源發(fā)出的光透過(guò)封閉氣室入射至樹脂槽1內(nèi)，所述的樹脂槽1內(nèi)裝有液態(tài)光敏樹脂，并可在長(zhǎng)波紫外光3的照射下固化；所述的封閉氣室內(nèi)裝有氧氣6，所述的短波紫外光源按照成形加工分層切片的特定形狀，投射短波紫外光4至封閉氣室內(nèi)的氧氣，使其反應(yīng)生成臭氧，并使得封閉氣室2的局部投射區(qū)變?yōu)槌粞鯀^(qū)7，阻擋短波紫外光4的透射，同時(shí)臭氧區(qū)的臭氧在長(zhǎng)波長(zhǎng)紫外光的照射下轉(zhuǎn)化為氧氣，恢復(fù)至初始狀態(tài)，所述的控制主機(jī)5實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)波紫外光源和短波紫外光源投射工序的控制，其中長(zhǎng)波紫外光源的波長(zhǎng)不小于200nm。本發(fā)明中長(zhǎng)波紫外光源的波長(zhǎng)為200nm，短波紫外光源的波長(zhǎng)為184nm。液態(tài)光敏樹脂為光敏環(huán)氧樹脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯樹脂或上述樹脂的混合液體。其中短波紫外光源前設(shè)置有微透鏡陣列或液晶器件，用于控制輸出光斑的形狀和位置。長(zhǎng)波紫外光源和短波紫外光源均為點(diǎn)光源、面光源、體光源或三者的組合。圖1中該反應(yīng)區(qū)域在封閉環(huán)境下完成，光敏樹脂槽1設(shè)在封閉氣室2上方，液槽溫度為30℃，在室溫25℃的環(huán)境下，使用400W功率且波長(zhǎng)分別為λ＝184nm的短波點(diǎn)光源和λ大于200的長(zhǎng)波面光源UV紫外光固化設(shè)備，該設(shè)備的工藝參數(shù)為：臨界曝光量Ec＝8.8mJ/cm2，紫外光功率Pl＝100mV，掃描速度Vs＝2800mm/s，分層厚度H＝0.09mm，掃描間距hs＝0.05mm，通過(guò)公式(1)：E＝PL/(Vs*hs)(1)可以計(jì)算出該設(shè)備的曝光量E＝71mJ/cm2，上述參數(shù)是判斷該設(shè)備亮度、紫外投影區(qū)域均勻度、圖像的清晰度等性能的重要指標(biāo)，該設(shè)備臨界曝光量Ec＝8.8mJ/cm2和曝光量E＝71mJ/cm2得出該設(shè)備具有高亮度，紫外光功率Pl＝100mV和掃描速度Vs＝2800mm/s可以得出該設(shè)備具有清晰的圖像，分層厚度h＝0.09mm和掃描間距hs＝0.05mm可以得出投影區(qū)域分布非常均勻，接近于均勻分布指數(shù)的峰值。短波紫外線投射到封閉氣室2的形狀可由計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)直接控制生成，形狀產(chǎn)生的方式可由微透鏡陣列或液晶器件產(chǎn)生，例如可以通過(guò)DLP(數(shù)字光處理)技術(shù)，把影像訊號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理，然后再把光投影出來(lái)，采用數(shù)字微鏡品片(DMD)來(lái)做主要關(guān)鍵元件以實(shí)現(xiàn)數(shù)字光學(xué)處理，但不限于該方式，具有動(dòng)態(tài)特性。樹脂槽內(nèi)的紫外光固化材料是長(zhǎng)紫外光敏材料,其臨界曝光量根據(jù)原理中光反應(yīng)曝光量確定(約8.5～8.8mJ/cm2)，粘度依據(jù)光固化區(qū)填充速度需求調(diào)制(約4.5～25.0pa.s)，其填充方式可采用重力填充或壓力填充，重力填充是指不借助外界力量，利用大自然重力使光敏材料從打印噴嘴處流入樹脂槽，噴嘴處會(huì)設(shè)有開關(guān)，伴隨控制系統(tǒng)的開閉指令有序進(jìn)行打開和閉合，壓力填充是利用打印噴嘴收到外界擠壓，使光敏樹脂材料擠入樹脂槽，噴嘴處雖然沒有控制開關(guān)，但會(huì)設(shè)置一個(gè)壓力開關(guān)，當(dāng)外界壓力擠壓打印噴嘴內(nèi)的光敏樹脂時(shí)，壓力開關(guān)會(huì)因壓力超出最大臨界壓力而將光敏材料擠出。本發(fā)明的紫外光和氣體在封閉氣室反應(yīng)過(guò)程如下：首先，將184nm等短波長(zhǎng)紫外線按特定性狀照射到封閉氣室2的氧氣上，使被照射區(qū)生成臭氧，該臭氧區(qū)可阻透波長(zhǎng)大于200nm的長(zhǎng)紫外線。反應(yīng)公式為：3O2+hv(184nm短紫外光能)→2O3氧氣在吸收184nm波長(zhǎng)的紫外光照射后產(chǎn)生臭氧和原子氧，已知臭氧的密度為2.144g/L，氧氣的密度為1.429g/L，當(dāng)氧氣向臭氧轉(zhuǎn)化時(shí)，氣體密度ρ減小，由理想氣體狀態(tài)方程PV＝nRT可知，在封閉空間中由于放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度T增加，壓強(qiáng)P增大，整個(gè)反應(yīng)是一個(gè)可逆的放熱反應(yīng)。在氧氣被短波紫外線照射生成臭氧和氧原子的同時(shí)，有少量臭氧與活波的氧原子作用轉(zhuǎn)化回氧氣，反應(yīng)公式為：O3+O.→2O2，該反應(yīng)吸收熱量，由理想氣體狀態(tài)方程PV＝nRT可知，溫度T降低，體積V不變，因此壓強(qiáng)P會(huì)降低。由于氧氣被封閉在可透紫外線的封閉腔內(nèi)，因其不受外界其他氣體的影響，具有最佳的臭氧生成環(huán)境條件，光反應(yīng)時(shí)間在微時(shí)間內(nèi)(約0.01～0.03微秒)完成，生成的臭氧區(qū)對(duì)長(zhǎng)紫外線有阻透作用，非臭氧區(qū)可透過(guò)長(zhǎng)紫外線，如此形成長(zhǎng)紫外固化的動(dòng)態(tài)掩膜版。其次，利用該掩膜版對(duì)液態(tài)光固化材料進(jìn)行曝光，采用長(zhǎng)紫外線(大于200nm)曝光光敏樹脂使其固化，長(zhǎng)紫外線在曝光的同時(shí)使掩膜區(qū)的臭氧轉(zhuǎn)化為氧氣。反應(yīng)公式為：O3+hv(大于200nm長(zhǎng)紫外光能)→O2+O.該反應(yīng)吸收熱量，溫度T降低，由理想氣體狀態(tài)方程PV＝nRT可知，溫度T降低，體積V在封閉空間不發(fā)生變化，則壓強(qiáng)P降低。臭氧區(qū)7阻透長(zhǎng)紫外時(shí)，吸收該紫外線能量，轉(zhuǎn)化為氧氣，反應(yīng)過(guò)程在0.01微秒～0.03微秒的微時(shí)間內(nèi)完成，長(zhǎng)紫外線通過(guò)上述掩膜版，將液態(tài)光敏樹脂固化成特定形狀的固化層，其特定形狀是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，通過(guò)離散程序可以將該模型進(jìn)行分層切片，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到主控程序上，分別控制184nm短紫外光源和大于200nm長(zhǎng)紫外光源，分層投影出特定形狀的紫外光。氧氣區(qū)吸收特定輪廓形狀184nm短紫外光，生成臭氧區(qū)可以阻隔紫外光照射到曝光區(qū)域。而大于200nm長(zhǎng)紫外光源投影整個(gè)曝光區(qū)域，臭氧區(qū)吸收長(zhǎng)紫外光轉(zhuǎn)化為氧氣，非臭氧區(qū)長(zhǎng)紫外光透過(guò)氧氣層照射到光敏樹脂表面，形成一層樹脂的固化，兩個(gè)過(guò)程幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)一層加工完畢后，主控程序?qū)Φ诙忧衅M(jìn)行分析，控制投影系統(tǒng)利用相同的過(guò)程對(duì)第二層截面進(jìn)行固化，即利用184nm等短紫外線生成新的臭氧掩膜版，通過(guò)第二層切片信息對(duì)兩個(gè)投影設(shè)備的數(shù)據(jù)反饋，重復(fù)上述長(zhǎng)紫外線(波長(zhǎng)大于200nm)的曝光過(guò)程，直到最后一層數(shù)據(jù)分析完，整個(gè)產(chǎn)品的加工完畢。當(dāng)氧氣吸收184nm短波紫外線生成臭氧時(shí)，溫度上升，壓強(qiáng)增大，當(dāng)臭氧或活波的氧原子吸收大于200nm的長(zhǎng)紫外線光源時(shí)，溫度降低，壓強(qiáng)減小，由此可知，整個(gè)反應(yīng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，不僅沒有多余生成物產(chǎn)生，而且還能反復(fù)進(jìn)行紫外曝光固化的過(guò)程，有效地提高了快速成型的效率，對(duì)傳統(tǒng)的快速成形技術(shù)是一個(gè)突破和創(chuàng)新。本發(fā)明的具體成形加工步驟如下：一、將所要成形加工產(chǎn)品的三維圖上傳到控制主機(jī)，由控制程序進(jìn)行切片處理，得到每層切片的形狀參數(shù)，并將處理好的數(shù)據(jù)上傳到主控程序上。二、將光敏樹脂加入到樹脂槽內(nèi)，下置封閉的氧氣室，打開控制主機(jī)的投影控制系統(tǒng)和曝光控制系統(tǒng)；投影控制系統(tǒng)用于對(duì)短波長(zhǎng)紫外光的控制，曝光控制系統(tǒng)用于對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)紫外光的控制。三、運(yùn)行主控程序，對(duì)第一層截面特定形狀進(jìn)行投影，短波紫外線先以特定形狀照射氧氣生成臭氧區(qū)，長(zhǎng)波紫外線再對(duì)曝光區(qū)域進(jìn)行固化，臭氧區(qū)因具有阻隔紫外光作用而不能使其上方樹脂固化，但卻因長(zhǎng)紫外光照射而轉(zhuǎn)化為氧氣，但非臭氧區(qū)則透過(guò)氧氣投影到光敏樹脂上，形成曝光固化。該設(shè)備的工作順序按：短紫外光0.01～0.03微秒，間隔0.04～0.05毫秒，然后長(zhǎng)紫外光0.01～0.03微秒的順序進(jìn)行。如圖2所示，第一層已經(jīng)生成，第一層固化的樹脂和沒有固化的樹脂已經(jīng)能夠區(qū)分，固化的樹脂呈現(xiàn)固態(tài)，未固化的樹脂呈現(xiàn)液態(tài)。主控系統(tǒng)再對(duì)第二層截面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，控制投影系統(tǒng)以相同的長(zhǎng)短波紫外投影配合方式完成，第二層在第一層的基礎(chǔ)上進(jìn)行，由于該固化樹脂可以透過(guò)紫外光，當(dāng)?shù)谝粚蛹庸ね戤呣D(zhuǎn)入第二層時(shí)，短波紫外線投影出第二層的圖形，使得樹脂槽內(nèi)形成第二層截面圖形，兩層固化樹脂由于光固化作用粘接在一起，一直到最后一層固化完成，該產(chǎn)品加工完成。四、將樹脂槽內(nèi)的液態(tài)光敏樹脂倒出，用刮刀在樹脂槽地板上輕輕刮掉附著在上面的固化樹脂，取出該產(chǎn)品，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行清洗，一個(gè)完整的產(chǎn)品加工已經(jīng)完成。本發(fā)明并不局限用于紫外液態(tài)材料的快速成型技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。