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        面投影微立體光刻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究

        2011-02-19 07:49:08周庚俠班書(shū)寶吳東岷顧濟(jì)華
        制造業(yè)自動(dòng)化 2011年2期
        關(guān)鍵詞:氧化硅掩模光刻

        周庚俠 ,班書(shū)寶,吳東岷,顧濟(jì)華

        ZHOU Geng-xia1,2,BAN Shu-bao1,2,WU Dong-min2,GU Ji-hua1

        (1.蘇州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘇州 215006;2.中國(guó)科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,蘇州 215125)

        0 引言

        微尺寸的機(jī)械在醫(yī)藥、工業(yè)等方面有著巨大的應(yīng)用潛能,要實(shí)現(xiàn)微尺寸器件的加工,我們面臨的挑戰(zhàn)就是開(kāi)發(fā)微加工技術(shù),現(xiàn)有的微加工技術(shù)像MEMS、LIGA等技術(shù)需要使用大量的掩膜進(jìn)行重復(fù)的曝光過(guò)程,這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,并且不能制作高深寬比的器件[1]。由快速成型技術(shù)發(fā)展而來(lái)的微立體光刻技術(shù)可以滿(mǎn)足快速制造高深寬比的復(fù)雜微器件的要求。微立體光刻技術(shù)可以分為線掃描微立體光刻和面投影微立體光刻技術(shù)。線掃描微立體光刻技術(shù)由Ikuta 和Kirowatari[2]最先提出,使會(huì)聚光束依照計(jì)數(shù)機(jī)切片的薄層數(shù)據(jù)逐點(diǎn)掃描完成一層的制造,一層制造完后,以同樣的方式固化下一層新的薄層,連續(xù)掃描直至三維模型的制成。此種方法的加工速度慢。

        液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)和數(shù)字微反射鏡(Digital Micromirror Divce,DMDTM)技術(shù)的出現(xiàn),面投影微立體光刻技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。1997年Bertsch等人開(kāi)發(fā)了一套面投影微立體光刻機(jī),利用LCD作為動(dòng)態(tài)掩模發(fā)生器,光束經(jīng)過(guò)LCD掩模整形獲得與待聚合樹(shù)脂層形狀一致的光束,通過(guò)一次照射將光束投影到樹(shù)脂表面完成一層的制造。LCD具有分辨率低、對(duì)比度低等缺點(diǎn),限制了LCD動(dòng)態(tài)掩模微立體光刻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[3]。

        DMD具有高分辨率、高光學(xué)效率、高頻對(duì)比度等特點(diǎn),并且控制靈敏,紫外光對(duì)鋁制鏡片沒(méi)有損傷,與LCD掩模相比,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文將介紹新開(kāi)發(fā)的基于數(shù)字微反射鏡(DMD)動(dòng)態(tài)掩模微立體光刻系統(tǒng),第一次介紹使用LED(light emitting diode,LED)模組作為光源,采用摻雜氧化硅顆粒的樹(shù)脂作為新的固化材料,由于材料的粘度較大,為此設(shè)計(jì)新的樹(shù)脂槽和涂覆裝置。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一些重要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

        1 面投影微立體光系統(tǒng)

        1.1 系統(tǒng)裝置

        本實(shí)驗(yàn)中,我們利用數(shù)字微鏡(DMD)做為動(dòng)態(tài)掩模發(fā)生器,開(kāi)發(fā)制造多功能材料三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的系統(tǒng)。微立體光刻系統(tǒng)的示意圖如圖1所示,主要器件包括:1)LED模組光源,由深圳鵬運(yùn)發(fā)有限公司生產(chǎn),功率30W,波長(zhǎng)范圍400-405nm;2)準(zhǔn)直系統(tǒng),由一個(gè)投影儀中拆下的廢舊透鏡組和一塊平凸透鏡組成,平凸透鏡的焦距90mm,半徑65mm;3)DMD,由美國(guó)Texas Instruments公司生產(chǎn),規(guī)格1024x768,每個(gè)微鏡的尺寸為13.68μm×13.68μm;4)直線驅(qū)動(dòng)器,型號(hào)OMEC-2BG,由日本SIGMA KOKI公司生產(chǎn),行程為20mm,分辨率為1;5)投影鏡頭:APO-Rodagon-D,75mm,f/4;6)樹(shù)脂槽和樹(shù)脂涂覆系統(tǒng);7)CCD,用于監(jiān)控固化過(guò)程;8)基于LABVIEW開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的控制軟件,用于控制實(shí)驗(yàn)中掩模的產(chǎn)生、樹(shù)脂的涂覆、監(jiān)控樹(shù)脂固化等。

        圖1 面投影微立體光刻系統(tǒng)示意圖

        1.2 光源

        目前微立體光刻系統(tǒng)中絕大多數(shù)都是采用激光器[4]或者汞燈[5]作為光源。激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干等優(yōu)點(diǎn),但是其缺點(diǎn)是,大功率的激光器很昂貴,這樣會(huì)增加預(yù)算,還有激光是高斯光,所以其均勻性差,在成像時(shí)會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)[6]。盡管目前汞燈價(jià)格便宜,在光刻系統(tǒng)中使用較多,但是,從表面看來(lái)汞燈固化光源產(chǎn)生的UV光亮度和熱量高,其實(shí)光源光譜很寬,真正用于固化的某紫外光譜段只占其中的一部分能量,固化效率低,并且很大一部分是紅外輻射,容易使熱敏工件變形。

        本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用新型的LED模組作為光源,LED模組由深圳鵬運(yùn)發(fā)有限公司生產(chǎn),功率為30W,波長(zhǎng)范圍400-405nm。與激光器和汞燈相比,LED模組價(jià)格便宜,體積小,光色純,效率高。

        微立體光刻系統(tǒng)中,像平面的光照均勻度直接影響加工的精確度。為了在像平面獲得相對(duì)均勻的光強(qiáng),實(shí)驗(yàn)中利用廢舊透鏡組和一塊平凸透鏡組成準(zhǔn)直系統(tǒng),利用光學(xué)軟件優(yōu)化準(zhǔn)直光路。利用CCD在像平面上采集到灰度圖像,描繪出一維方向?qū)?yīng)像素點(diǎn)的灰度值,如圖2所示,像平面光強(qiáng)相對(duì)均勻。

        1.3 實(shí)驗(yàn)材料

        光敏樹(shù)脂由單體1,6-hexanedioldiacrylate(HDDA,[H2C=CHCO2(CH2)3-]2)、 光引發(fā)劑Bis(2,4,6-trimenthylbenzoy1)– phenylphosphineoxide(Ingacure 819)組成,兩者混合質(zhì)量比為98%:2%,先將光吸收劑溶解在單體中,再將平均至直徑為30nm的氧化硅顆粒混合到樹(shù)脂中,組成復(fù)合材料,使用ARE-310攪拌機(jī)(日本Thinky 公司生產(chǎn))進(jìn)行攪拌并脫泡。隨著氧化硅顆粒的增加,復(fù)合材料的粘度不斷增加。復(fù)合材料的粘度隨加入氧化硅質(zhì)量比的變化關(guān)系如圖3所示,

        圖2 像素點(diǎn)灰度值統(tǒng)計(jì)

        圖3 復(fù)合材料粘度隨加入氧化硅質(zhì)量比的變化曲線

        1.4 樹(shù)脂槽和涂覆系統(tǒng)

        實(shí)驗(yàn)中使用的復(fù)合材料中,氧化硅顆粒的質(zhì)量占復(fù)合物總質(zhì)量的20%,從圖2中可以看出,這時(shí)復(fù)合材料的粘度為322pa.s,使用這樣的復(fù)合材料作為固化材料,當(dāng)加工完一層升降臺(tái)下降后,樹(shù)脂不可能在重力的作用下變平整。設(shè)計(jì)如圖1中的樹(shù)脂槽和圖4中的涂覆系統(tǒng),

        加工之前,先將直線驅(qū)動(dòng)器位置初始化,左面的與直線驅(qū)動(dòng)桿相連的襯底到樹(shù)脂槽上表面的距離恰好是一個(gè)加工層厚,右面直線驅(qū)動(dòng)桿相連的襯底到樹(shù)脂槽上表面的距離較大,在樹(shù)脂槽中分別加入樹(shù)脂,DMD整形后的圖形經(jīng)投影鏡頭會(huì)聚投影到樹(shù)脂表面上,引起樹(shù)脂固化,當(dāng)?shù)谝粚訕?shù)脂固化完畢后,左面的驅(qū)動(dòng)桿向下移動(dòng)距離等于一個(gè)層厚,右面驅(qū)動(dòng)直桿向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)層厚距離,控制刮刀從右向左移動(dòng),將右面凸出的樹(shù)脂涂覆到左面樹(shù)脂槽中。刮刀與樹(shù)脂槽面之間是彈性接觸,保證樹(shù)脂層的涂覆均勻。直線驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)以及刮刀的運(yùn)動(dòng)都是由計(jì)算機(jī)控制,自動(dòng)化完成。

        圖4 涂覆系統(tǒng)Solidworks繪圖

        2 測(cè)量與結(jié)果

        2.1 光學(xué)系統(tǒng)分辨率測(cè)量

        我們利用數(shù)字微反射鏡DMD產(chǎn)生不同空間頻率的光柵,將CCD放在像平面上接收經(jīng)過(guò)投影鏡頭的光強(qiáng)圖像,使用MATLAB軟件繪制一維方向的光強(qiáng)圖,如圖5所示。由于使用CCD的像素的限制,在空間頻率較高時(shí),MTF的值測(cè)量不準(zhǔn)確,我們參考廠家提供的參數(shù)。測(cè)量得到的投影鏡頭的MTF曲線如圖6所示。當(dāng)DMD產(chǎn)生1個(gè)像素寬、一個(gè)像素間隔的光柵時(shí),即掩模圖形的空間分辨率為每毫米37個(gè)線對(duì),根據(jù)圖6,這個(gè)空間頻率的MTF為0.48。

        圖5 像平面上的光強(qiáng)分布圖像

        2.2 樹(shù)脂工作曲線的測(cè)量

        在微立體光刻中,光敏樹(shù)脂對(duì)紫外光的吸收遵循Beer-Lambert定律,即,紫外光的能量密度I隨穿透深度的增加呈指數(shù)衰減,即:

        I0為樹(shù)脂表面的光強(qiáng)密度,I(z)為離樹(shù)脂液面為Z深度處的光強(qiáng)密度,Dp為光在樹(shù)脂中的穿透深度。當(dāng)光強(qiáng)密度低于臨界值,樹(shù)脂將不能固化。

        當(dāng)樹(shù)脂固化深度為Cd時(shí),需要的光能量密度為E0=I0t,Ec是樹(shù)脂的固化光能量密度閾值,則樹(shù)脂固化深度可以用下列公式來(lái)表示:

        此公式描述的是一定曝光量下樹(shù)脂的固化深度,如果以ln E為橫坐標(biāo),Cd為縱坐標(biāo),那么光固化方程為一條直線,直線的斜率為Dp,直線與ln E的交點(diǎn)為Ec。只要測(cè)量出一系列的固化深度與對(duì)應(yīng)的曝光量,即可求出Dp的值。根據(jù)測(cè)量的結(jié)果得到復(fù)合材料的工作曲線如圖7。用最小二乘法擬合得到直線的斜率以及與橫坐標(biāo)的交點(diǎn),穿透深度Dp=59.2μm,曝光閾值Ec=86.5mj/cm2。

        根據(jù)WU(吳東岷)[10]中提出的加工橫向分辨率由光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和樹(shù)脂的特性共同決定,在使用此復(fù)合材料作為固化材料時(shí),單層固化厚度小于60μm,加工橫向分辨率可以達(dá)到14μm。

        2.3 初步加工實(shí)例

        圖6 投影鏡頭MTF曲線

        使用開(kāi)發(fā)的微立體光刻系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)體的加工,初步加工結(jié)果如圖8所示,齒輪的內(nèi)徑400μm,外徑為700μm,層厚為60μm。

        圖7 樹(shù)脂-氧化硅復(fù)合材料的工作曲線

        圖8 齒輪的顯微鏡照片(x100倍)

        3 結(jié)論

        本文介紹了作者所在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的面投影微立體光刻系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中采用的新光源可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求,設(shè)計(jì)的新樹(shù)脂槽和涂覆系統(tǒng)使得面投影微立體光刻系統(tǒng)可以用于粘度大的材料固化成型。通過(guò)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和樹(shù)脂的工作曲線,確定系統(tǒng)的加工分辨率可以達(dá)到14 。利用該系統(tǒng),成功地制作了微齒輪。

        [1]M.Y.Ha,J.W.Choi,and S.H.Lee,Mass production of 3-D microstructures using projection microstereolithography [J].Journal of mechanical science and technology.2008,22:514-521.

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        [3]A.Bertsh,S.Zissi,J.Y.Jezequel,S.corbel and J.C.Andre.microstereolithography using a liquid crystal display an dynamic mask generator,microsyst.technol.3(2)(1997)42-47.

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