光刻胶掩膜材料超光滑表面切削 Ultra-precision cutting of photoresist mask for ultra-smooth surface 1 first-author 李秋怡（1998-），女，湖北襄阳人，硕士研究生，2020年于南京理工大学获得学士学位，主要研究方向为超精密加工。 E-mail：13770927796@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45713887&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45713912&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45713906&type= 22.01333237 32.00399780 李秋怡 （1998-），女，湖北襄阳人，硕士研究生，2020年于南京理工大学获得学士学位，主要研究方向为超精密加工。 E-mail： 13770927796@163.com 13770927796@163.com 1 2 1 3 1 2 corresp E-mail： bin.zhao@bit.edu.cn E-mail： bin.zhao@bit.edu.cn 赵 斌（1991-），男，山东德州人，博士，助理教授，硕士生导师，2018年于山东大学获得博士学位，主要研究方向为高性能陶瓷刀具、难加工材料切削加工。 E-mail：bin.zhao@bit.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45713938&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45713955&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45713945&type= 22.01333618 32.00399780 赵 斌 （1991-），男，山东德州人，博士，助理教授，硕士生导师，2018年于山东大学获得博士学位，主要研究方向为高性能陶瓷刀具、难加工材料切削加工。 E-mail： bin.zhao@bit.edu.cn bin.zhao@bit.edu.cn 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081 School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China 北京理工大学 重庆创新中心，重庆 401120 北京理工大学 重庆创新中心，重庆 401120 Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center， Chongqing 401120， China Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center， Chongqing 401120， China 江西联创电子有限公司，江西 南昌 330000 江西联创电子有限公司，江西 南昌 330000 Jiangxi Lianchuang Electronic Technology Co.， Ltd.， Nanchang 330000， China Jiangxi Lianchuang Electronic Technology Co.， Ltd.， Nanchang 330000， China 鉴于以光刻胶为代表的高分子材料的切削特性决定了掩膜微细结构的加工质量，以SU8为研究对象，结合实验和仿真分析研究了光刻胶掩膜的切削特性。通过纳米压痕法测试了光刻胶SU8的应力-应变关系，建立了基于能量法的SU8切削仿真模型，然后采用AdvantEdge FEM模拟了不同切削参数下光刻胶SU8的切削过程，最后开展了光刻胶SU8的超精密加工实验。结合仿真与实验结果，分析了切削参数和刀具前角对表面质量的影响规律，优化了光刻胶SU8的切削加工参数。结果表明：表面粗糙度随着切削速度的增大呈现减小的趋势，随着进给速度和切削深度的增加呈现增大的趋势；当切削速度为2.09 m/s、进给速度为1 mm/min、切削深度为2 μm、刀具前角为0°时，光刻胶掩膜的表面粗糙度 R a 达到最优为7.4 nm，无微裂纹等微观缺陷。基于切削仿真与实验结果对加工参数进行优化，并在光刻胶SU8掩膜上实现了高精度微透镜阵列结构的加工。 The cutting characteristics of the polymer determine the processing quality of the microstructure. Considering photoresist SU8 as the representative polymer in this research， the cutting characteristics of the photoresist mask were studied through experimental analysis and simulations. The stress-strain relationship of SU8 was analyzed via the nanoindentation method， and a cutting simulation model of SU8 based on the energy method was established. Next， the cutting characteristics of SU8 under different cutting parameters were simulated using AdvantEdge FEM. Finally， an experiment involving ultra-precision machining of SU8 was performed. According to the simulation and test results， the effects of the cutting parameters and tool rake angle on the surface quality were analyzed， and the cutting parameters of SU8 were optimized. The results demonstrat that the surface roughness decreases with an increase in the cutting speed and increases with the feed rate and depth of cut. Within the scope of the experimental conditions， when the cutting speed is 2.09 m/s， the feed speed is 1 mm/min， the depth of cut is 2 μm， and the tool rake angle is 0°； the surface roughness R a of the photoresist reaches the optimum value of 7.4 nm， and there are no microfractures. Finally， according to the test and simulation results， the processing parameters were optimized， and a microlens array mask structure was fabricated on SU8 with high precision. 超精密切削 掩膜加工 切削仿真 光刻胶SU8 微透镜阵列 ultra-precision cutting mask processing cutting simulation photoresist SU8 microlens array 1 引 言 1 模压成形法是微透镜阵列加工的主要制造方法之一 ［ 1 1 ］ 。随着微透镜阵列向着面积极大化、单元形状复杂化的方向发展，模具材料也从普通金属材料向着高硬度、高耐磨性的硬脆材料发展 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。微切削-刻蚀加工能够在硬脆材料上加工微透镜阵列 ［ 4 4 - 5 5 4-5 ］ ，采用单点金刚石车削在聚合物掩膜上切出微透镜阵列 ［ 6 6 ］ ，然后采用离子束刻蚀的方法将掩膜形状转移到基底材料上。在此过程中，聚合物掩膜的加工质量对模具结构的质量有很大影响。与传统金属材料不同，聚合物的玻璃转化温度较低，在加工过程中更容易处于软化状态导致更大的变形，需要结合聚合物本身的性能以及加工参数进行分析。 聚合物由于制备参数不同，机械性能有很大的差异。Yan等 ［ 7 7 ］ 采用动态热机械分析（Dynamic Mechanical Analysis， DMA）测试了光学树脂PMMA在不同温度下的力学性能，确定了PMMA的存储模量、损耗模量和玻璃转化温度等黏弹性参数。PMMA的玻璃转化温度为116 ℃，在微铣削过程中，PMMA处于玻璃态和黏弹态，在玻璃态下的表面粗糙度更好。Chung等 ［ 8 8 ］ 采用单轴拉伸实验，获得SU8在一定温度范围内杨氏模量和泊松比随应变率的函数关系，研究了温度对SU8黏弹性的影响。然而，DMA和单轴拉伸实验对试样的要求较高，对于涂覆在基底上仅有几十微米厚的聚合物薄膜，不能消除基底效应的影响，难以获得准确结果。聚合物的性质特殊，在不同温度下表现出不同的力学性能，因此切削温度的测量尤为重要。Smith等 ［ 9 9 ］ 利用Boothroyd ［ 10 10 ］ 模型对不同条件下的切削温度进行了预测，他认为聚合物在玻璃转化温度附近有很好的延展性，此时切削容易得到更好的表面质量，并进行了金刚石切削PS，PMMA，PC实验验证。Yan等 ［ 11 11 ］ 利用热成像系统测量了车削SU8/金复合材料时的切削温度，通过改善工艺参数提高了该复合材料端面车削的表面粗糙度。然而，采用数值方法计算切削温度模型复杂，计算困难，热成像系统难以用于微纳加工中切削温度的测量。 在进行切削实验时，Kobayashi ［ 12 12 ］ 研究了PMMA，PC，PP和HDPE的加工，总结了进给量和切削速度对材料表面粗糙度的影响，但是由于切削速度低、切削力较小，温度始终在玻璃转化点以下，没有讨论温度导致的材料状态改变对聚合物切削的影响。Jagtap等 ［ 13 13 ］ 研究了单点金刚石车削加工参数对PMMA表面特性，特别是表面平整度的影响，结果表明，主轴转速对表面平整度的影响较大。以上研究都只考虑了工艺参数对表面质量的影响，没有考虑聚合物本身的性质，获得的最终表面会有裂纹和微孔等微观缺陷，这些缺陷可能与切削时的温度有关。针对切削温度，Xiao ［ 14 14 ］ 等评估了典型热塑性和热固性聚合物的可加工性，并探究其黏性对表面完整性、切屑形成和切削力的影响。特别讨论了加工过程中应变率和温度之间的相互作用关系。结果表明，聚合物的黏性变形对加工的表面质量起决定性作用。为了尽量减少表面粗糙度，必须选择合适的加工条件，使材料在切削时不发生塑性剥离和脆性开裂。最佳加工条件必须基于聚合物本身的特性，如玻璃转化温度（ T g ）、断裂韧性和分子迁移率。对高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）进行切削实验验证，Carr ［ 15 15 ］ 认为聚合物的黏弹性对最终的表面粗糙度起着决定性的作用，而黏弹性取决于时间和温度，改变工艺参数可以改变切削机理，使材料从脆性断裂转变为塑性去除，还研究了分子量对加工表面粗糙度的影响，结果表明，分子量越高表面粗糙度越高。Kamada ［ 16 16 ］ 对PP和PP-CeNF进行了切削对比实验，通过观察表面形貌、切屑形貌、切削力和切削温度研究CeNF对材料去除的影响。结果表明，PP的表面缺陷主要为表面撕裂，PP-CeNF的表面缺陷主要为表面撕裂与微孔。表面撕裂随切削速度的增大而增大，微孔的产生受切削速度的影响不大而与进给速度相关。当进给量减小到5 μm/r时，表面粗糙度约为10 nm。Yan等 ［ 11 11 ］ 对光刻胶/金复合材料进行了超精密切削实验，结果表明在高速切削下，切削温度的升高导致材料软化，附着在前刀面上导致边缘形成毛刺；切削后，光刻胶收缩硬化，拉应力导致表面微裂纹的产生。 虽然针对聚合物的力学性能及切削性能已经有了一定研究，但是大多数研究只考虑加工参数与表面粗糙度的关系，并没有结合聚合物的性能进行分析，因为聚合物的性能差别较大，对于SU8的切削特性分析较少。在测试聚合物的机械性能时，本文采用纳米压痕实验测量SU8的载荷位移曲线，得到应力-应变曲线与杨氏模量，采用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）测量SU8的玻璃转化温度 T g 。采用仿真分析切削时的温度，建立SU8仿真模型，研究SU8在不同切削条件下的切削温度。最后，进行了金刚石端面切削实验，对切削力信号进行测量。结合切削温度、切削力与切削后表面微观形貌分析SU8切削特性。 2 原 理 1 2.1　光刻胶掩膜制备工艺 2 光刻胶材料为SU8（瑞士，Gersteltec Sarl，GM1060），是一种负性、环氧树脂型光刻胶，在刻蚀过程中有良好的图案转移能力，因此常用作掩膜材料。通过旋涂法在基底材料表面制备掩膜材料，在厚度为1.5 mm，直径为5.08 cm（两英寸）的硅基底表面旋涂SU8，其最大旋涂厚度可达50 μm ［ 17 17 ］ 。掩膜制备流程如下：在光刻胶旋涂前，将硅基底置于等离子体清洗设备（美国，PVA TePla MPS，310M）中处理，去除表面吸附的杂质，增强基底与光刻胶的结合力；然后，光刻胶依次进行前烘、曝光和后烘等工艺，实现SU8光刻胶掩膜的制备，其工艺参数如 表1 表1 所示。 Process Process parameter Plasma clean 100 mL/min O 2 ，3 min Spin coating 565 r/min， 40 s Pre-bake 65 ℃， 10 min； 95 ℃， 60 min Exposure 365 nm， 650 mJ/cm 2 ， 24 s Post-bake 65 ℃， 10 min； 95 ℃， 30 min 2.2　光刻胶掩膜材料热机械性能 2 与传统金属材料不同，热塑性高分子材料的切削特性受温度影响较大，如 图1 图1 所示。热塑性高分子材料的导热系数较低，玻璃态转变温度也较低，在机械切削过程中很容易达到较高的切削温度。当切削速度和切削温度较高时，热塑性高分子材料发生软化，部分材料附着在前刀面上，随前刀面移动，在材料表面形成毛刺；在切削后，热塑性高分子材料会发生收缩和硬化，拉伸应力导致微裂纹，产生加工缺陷，从而影响表面质量 ［ 11 11 ， 18 18 - 19 19 18-19 ］ 。 鉴于热塑性高分子材料在不同温度下力学性能显著变化的特点，有必要对光刻胶材料热机械特性进行测试，使用DSC对材料的玻璃转化温度进行测试。该实验是在程序控制温度和一定气氛下，测量试样和参比物之间的能量差随温度变化的关系。选用JY/T 0589.3-2020/热分析方法通则，测量曲线的纵坐标为每克热流率，横坐标为温度，作两次曲线的切线，切线的交点即为玻璃转化温度。在氮气氛围下，实验温度为 - 20~150 ℃，升温速率为10 ℃/min，测试结果如 图2 图2 所示，得到玻璃态转变温度 T g ，SU8的玻璃态转变温度为53.90 ℃。 3 仿真模型与实验 1 3.1　光刻胶掩模材料有限元仿真模型建立 2 光刻胶SU8的超精密切削过程中，切削深度为微米级，与金刚石刀具的切削作用区域较小，难以通过实验测量方法观测切削过程。本文借助有限元仿真方法分析研究光刻胶切削过程中的材料去除特性，采用美国ThirdWave Systems公司推出的切削专用仿真软件Advant Edge FEM进行车削仿真。加工类型选择微车削。基于能量法的Power Law模型可以很好地体现塑性变形、热软化和应变硬化等特性，在超精密加工切削深度微米级时，SU8有良好的弹塑性，因此选用Power Law材料模型 ［ 20 20 ］ ，本构模型为： <math display="block" id="M1"><mi>σ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover><mo>,</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mi>Γ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714056&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714054&type= 46.99000168 4.14866638 ， 式中：σ（ <math id="M2"><msup><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714195&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714161&type= 2.53999996 3.04800010 ， <math id="M3"><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714150&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714131&type= 1.43933344 2.79399991 ， <math id="M4"><mtext> </mtext><mi>T</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714133&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714100&type= 3.64066648 2.87866688 ）是材料的流动应力， g （ <math id="M5"><msup><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714126&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714138&type= 2.53999996 3.04800010 ）是应变强化函数， Г （ <math id="M6"><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714150&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714131&type= 1.43933344 2.79399991 ）是应变率效应函数， Θ （ <math id="M7"><mi>T</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714156&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714169&type= 2.87866688 2.79399991 ）是热软化函数。其中 <math id="M8"><msup><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>p</mi></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714195&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714161&type= 2.53999996 3.04800010 是应变， <math id="M9"><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714187&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714182&type= 1.43933344 2.79399991 是应变率， <math id="M10"><mi>T</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714215&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714188&type= 2.87866688 2.79399991 是温度。 仿真模型如 图3 图3 所示，SU8材料设置为长方形，长20 μm，宽10 μm，切削长度为10 μm。选用金刚石刀具，刀具后角8°，金刚石刀具设置为刚体。初始切削温度为20 ℃。仿真模型应补充参数为材料的热传导、应变硬化、热软化和应变率强化等。 光刻胶SU8因制备参数不同，物理性质也所区别 ［ 21 21 ］ ，需要先确定SU8的基本物理力学性质。光刻胶的热导率、比热、密度等通过查找文献 ［ 8 8 ］ 获得。纳米压痕法属于深度敏感压痕技术，可以测量薄膜的弹性、塑性和硬度等，与其他方法相比，测量范围广。本文所用薄膜材料厚度为微米级，所以选用纳米压痕实验测量薄膜的硬度、杨氏模量、泊松比和应力-应变关系等。通过测量材料在纳米压痕仪压头作用下的最大变形深度及卸载后压痕的回弹程度求出其杨氏模量 ［ 22 22 ］ ，被测材料的硬度可由纳米压痕仪直接测得。采用一定的加载速率对压头施加单调增大的载荷至预设的最大值，保载一段时间后再以一定的卸载速率卸载，卸载至载荷最大值的10%时保载一段时间，以消除热漂移的影响。实验采用三棱锥形Berkvoich压头，预设载荷为60 mN。 由于最大压痕深度小于薄膜厚度的1/10，可以忽略基底效应的影响 ［ 23 23 ］ 。在加载阶段，载荷-位移曲线可以用抛物线拟合；在卸载阶段，曲线可以用幂指函数拟合，根据拟合结果得到载荷-位移曲线，如 图4 图4 所示。由载荷-位移曲线可知，完全卸载后，材料没有完全恢复，仍有残余压痕深度，说明施加载荷已超过材料的屈服极限，材料先发生一定的弹性变形，应力-应变为线性，然后发生塑性变形，应力-应变为幂指函数。应用量纲分析法得到材料的应变硬化指数和屈服强度 ［ 24 24 ］ ，得到SU8的应力-应变关系为： <math display="block" id="M11"><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mn mathvariant="normal">4.37</mn><mi>ε</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>σ</mi><mo>≤</mo><mn mathvariant="normal">59.869</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">M</mi><mi mathvariant="normal">P</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn mathvariant="normal">1.608</mn><msup><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0.767</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>σ</mi><mo>></mo><mn mathvariant="normal">59.869</mn><mtext> </mtext><mi mathvariant="normal">M</mi><mi mathvariant="normal">P</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714302&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714286&type= 51.64666748 9.65200043 . SU8的应力-应变曲线如 图5 图5 所示，力学参数如 表2 表2 所示。 Elastic modulus/GPa Hardness/GPa Yield strength/MPa Strain-hardening exponent Hardening coefficient 4.37 0.293 59.869 0.767 1.608 3.2　实验设备与实验方案 2 切削实验在超精密加工中心Nanoform X （AMETEK Precitech）上进行，机床简图如 图6 图6 所示，具有 X ， Z ， C ， B 四轴，可实现SU8端面的超精密车削加工。实验过程中，工件通过真空吸附的方式连接在机床主轴上，刀具安装于 B 轴上，调节刀架在 Y 方向上的高度使刀具中心与工件回转中心重合。实验采用端面车削，切削模型如 图7 图7 所示，工件沿 X 方向移动，刀具沿 Z 方向进给，金刚石刀具圆弧半径为0.5 mm，切削参数如 表3 表3 所示。将工件中心记为原点，工件上任一点到原点的距离记为 l 。切削过程中，使用测力仪（Kistler 9119A）测量切削力信号。 Cutting parameter Value Spindle speed n /（r·min -1 ） 1 000 Feed rate v f /（mm·min -1 ） 1，5，10 Depth of cut a p /μm 2，4，8 Rake angle α /（°） 0，-25 在端面切削中，工件上任一点的切削速度为： <math display="block" id="M12"><msub><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><mi>l</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">60</mn><mo>·</mo><mn mathvariant="normal">1000</mn></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714416&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=45714409&type= 20.40466690 7.95866632 . 4 实验结果分析 1 4.1　切削速度对光刻胶掩膜表面质量的影响 2 在SU8端面车削过程中，由于转速不变，切削速度随着刀具在工件表面位置的变化而变化：在工件边缘时切削速度最大，随着刀具向工件中心移动，切削速度逐渐降低。为了研究切削速度对表面加工质量的影响，从工件中心向工件边缘以2 mm为间距等距离选取10个采样点，通过白光干涉仪（Talysurf CCI Lite）对其表面粗糙度 R a 进行测量，结果如 图8 图8 所示。随着切削速度的增大，表面粗糙度 R a 逐步减小。对切削力进行分析，结果如 图9 图9 所示，随着切削速度的增大，主切削力和切深抗力逐步降低。为了获得不同切削速度下的切削温度，对不同切削速度进行仿真分析，结果如 图10 图10 所示，随着切削速度的增大，切削温度逐渐升高。由DSC测试结果可知，SU8的玻璃转化温度为53.90 ℃，当切削速度较小时，SU8仍处于玻璃态，切削时发生脆性断裂，切削力较大，表面粗糙度 R a 较大；当切削速度较大时，SU8切削温度在玻璃转化温度附近，材料从玻璃态向黏弹态转变，材料发生软化，切削力减小，也从脆性去除转变为塑性去除，更容易获得较低的表面粗糙度，因此切削速度越大，切削力越小，表面粗糙度越小。为了进一步研究表面加工质量，通过扫描电镜观测工件中心、工件中部和工件边缘对应不同切削速度的3个区域，测量结果如 图11 图11 所示。切削速度为0.209 m/s时，表面有大量裂纹和凹坑等微观缺陷；切削速度为1.047 m/s时，表面微观缺陷减少但仍有部分缺陷；切削速度为2.094 m/s时，表面微观缺陷明显减少，表面质量最好。 1;2; 1;2; 1;2;3; 4.2　进给速度对光刻胶掩膜表面质量的影响 2 为了研究进给速度对表面加工质量的影响，保持其他条件不变，改变进给速度为1，5，10 mm/min进行切削实验，通过白光干涉仪测量表面粗糙度 R a ，结果如 图12 图12 所示。当进给速度为5 mm/min与10 mm/min时，表面粗糙度变化不大；当进给速度为1 mm/min时，表面粗糙度较好，在20 nm以下。对切削力进行分析，如 图13 图13 所示，随着进给速度的增加，主切削力和切深抗力呈现先减少后增加的趋势。随着进给速度增大，切削温度升高，达到玻璃转化温度，光刻胶开始软化，此时切削力变小；当进给速度进一步增大，软化的材料附着在前刀面上随刀具一起移动，使切削力呈现增大的趋势。与传统切削相似，进给速度越大，未变形层厚度越大，表面裂纹越多。随着进给速度的增大，切削力先减少后增加，表面粗糙度变大。为了进一步研究表面加工质量，通过扫描电镜观测不同进给速度下的SU8表面形貌，测量结果如 图14 图14 所示。进给速度为1 mm/min时，表面较平整，无明显裂纹；进给速度为5 mm/min时，表面有明显裂纹；进给速度为10 mm/min时，表面有大量裂纹和凹坑等微观缺陷。 1;2; 1;2;3; 4.3　切削深度对光刻胶掩膜表面质量的影响 2 为了研究切削深度对表面加工质量的影响，保持其他条件不变，在切削深度为2，4，8 μm时进行切削实验，通过白光干涉仪测量表面粗糙度 R a ，结果如 图15 图15 所示。当切削深度增加时，表面粗糙度呈现逐步增加的趋势。对切削力进行分析，如 图16 图16 所示，切削深度的改变对切削力的影响不明显。为了获得不同切削深度下的切削温度，对不同切削深度进行仿真分析，结果如 图17 图17 所示。随着切削深度的增加，切削温度呈现上升趋势，当切削深度为4 μm时，切削温度过高，材料已超过玻璃转化温度，软化更加明显，向橡胶态转变。切削深度增加，切削温度明显上升，超过玻璃转化温度后材料软化，这也导致切削深度对切削力的影响不大。随着切削深度的增大，获得的表面粗糙度也变大。为了进一步研究表面加工质量，通过扫描电镜选取不同切削深度进行观测，结果如 图18 图18 所示。切削深度为2 μm时，表面无明显裂纹与凹坑；切削深度为4 μm时，表面有明显裂纹与凹坑；切削深度为8 μm时，表面有大量明显的裂纹与凹坑等微观缺陷。当切削深度为4 μm和8 μm时，切削温度过高，较高的热应力导致表面微裂纹发生扩张。 1;2; 1;2; 1;2;3; 4.4　刀具角度对光刻胶掩膜表面质量的影响 2 为了研究刀具角度对表面加工质量的影响，保持其他条件不变，刀具前角为0°和 - 25°时进行切削实验，通过白光干涉仪测量表面粗糙度 R a ，结果如 图19 图19 所示。当刀具前角为 - 25°时，与刀具前角为0°相比，表面粗糙度变大。对切削力进行分析，如 图20 图20 所示，负前角刀具的切削力比0°前角刀具的切削力大。为获得不同刀具角度切削时的切削温度，对不同刀具角度进行仿真分析，结果如 图21 图21 所示，负前角刀具切削时温度略高于0°前角刀具。采用负前角刀具切削会造成切削区域较大的切削变形，不利于产生好的加工质量。负前角的刀具对切削温度的变化影响有限，但负前角切削时的挤压变形远大于0°前角。为了进一步研究表面加工质量，通过扫描电镜选取不同角度前角加工区域进行观测，结果如 图22 图22 所示。当前角为0°时，表面裂纹较小；当前角为 - 25°时，表面有明显的裂纹与凹坑。 1;2; 1;2; 5 切削加工实验 1 根据以上研究，为了保证切削SU8可以获得良好的表面质量，需要控制加工参数和刀具角度，当切削速度为2.09 m/s、进给速度为1 mm/min、切削深度为2 μm、刀具前角为0°时，SU8切削表面粗糙度 R a 为7.4 nm。 图23 图23 为切削后SU8的表面微观形貌电镜图，表面无裂痕等微观缺陷。设计9×9微透镜阵列，在此加工条件下进行切削实验，透镜形貌如 图24 图24 所示。加工的阵列一致性好，表面无明显缺陷，其周期与矢高符合预期的设计参数。 6 结 论 1 本文对光刻胶SU8进行机械性能测试与热机械特性测试，建立了SU8切削仿真模型。在不同工艺参数下进行SU8端面车削实验，分析了表面粗糙度、切削力和切削温度对SU8切削性能的影响。当切削温度接近玻璃转化温度53.90 °C时，SU8从玻璃态转变为黏弹态，从脆性去除转变为塑性去除，可以获得良好的表面质量。但是当温度进一步升高，SU8从黏弹态转变为橡胶态，切削表面质量变差。工艺参数影响SU8的车削表面质量，当进给速度减小时，能获得良好的表面；切削深度对切削力的变化影响不大；负前角刀具会增加挤压变形，从而获得较差的表面质量。当切削速度为2.09 m/s、进给速度为1 mm/min、切削深度为2 μm时，光刻胶掩膜的表面粗糙度 R a 达到最优值7.4 nm，且无裂纹等微观缺陷；0°前角能够有效抑制表面裂纹缺陷的产生。最后，通过微透镜阵列加工验证了该加工参数下SU8具有良好的切削性能。 参考文献 龚峰 ， 李康森 ， 闫超 . 玻璃精密模压成形的研究进展 ［J］. 光学 精密工程 ， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1380 - 1391 . doi: 10.3788/ope.20182606.1380 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1380 玻璃精密模压成形的研究进展 GONG F ， LI K S ， YAN CH . 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