周庚俠 ，班書寶，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LCD掩模整形獲得與待聚合樹脂層形狀一致的光束，通過一次照射將光束投影到樹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）樹脂槽和樹脂涂覆系統(tǒng)；7）CCD,用于監(jiān)控固化過程；8）基于LABVIEW開發(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、樹脂的涂覆、監(jiān)控樹脂固化等。

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?；旌系綐渲校M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，樹脂不可能在重力的作用下變平整。設(shè)計(jì)如圖1中的樹脂槽和圖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)桿相連的襯底到樹脂槽上表面的距離較大，在樹脂槽中分別加入樹脂，DMD整形后的圖形經(jīng)投影鏡頭會(huì)聚投影到樹脂表面上，引起樹脂固化，當(dāng)?shù)谝粚訕渲袒戤吅?，左面的?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)，將右面凸出的樹脂涂覆到左面樹脂槽中。刮刀與樹脂槽面之間是彈性接觸，保證樹脂層的涂覆均勻。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 樹脂工作曲線的測(cè)量

在微立體光刻中，光敏樹脂對(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為樹脂表面的光強(qiáng)密度，I（z）為離樹脂液面為Z深度處的光強(qiáng)密度，Dp為光在樹脂中的穿透深度。當(dāng)光強(qiáng)密度低于臨界值，樹脂將不能固化。

當(dāng)樹脂固化深度為Cd時(shí)，需要的光能量密度為E0＝I0t，Ec是樹脂的固化光能量密度閾值，則樹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。通過測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和樹脂的工作曲線，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.

[2]K.Ikuta and k.kirowatari，real three dimensional micro fabrication using stereo-lithography and metal molding ，proc.Of the IEEE MEMS93，fort Lauderdale，new york，USA.（1993）42-47.

[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.

[4]X zhang，X.N.Jiang，C.Sun，micro-stereolithography of polymeric and ceramic microstructures [J].Sensors and Actutors，1999，77：149-156.

[5]I.B.Park，Y.M.Ha，S.H.Lee，Cross-section segmentation for improving the shape accuracy of microstructure arry in projection microstereolithography[J].2010,46：151-161.

[6]D.M.Wu.Micro fabrication of 3D structures and characterization of molecular machine [D].USA，Universtity of California Los Angeles，2005.