羅寧寧， 張志敏

(南昌航空大學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心， 江西 南昌 330063)

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柔性薄膜光柵數(shù)字化制作及光譜檢測(cè)應(yīng)用

羅寧寧， 張志敏

(南昌航空大學(xué) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心， 江西 南昌 330063)

建立了數(shù)字微鏡(DMD)數(shù)字化制作系統(tǒng)，通過光柵數(shù)字掩模生成、曝光、顯影、PDMS復(fù)制、PDMS固化，制作了PDMS柔性薄膜光柵。將該柔性薄膜光柵應(yīng)用于光柵光譜儀原理系統(tǒng)中，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，再測(cè)量待測(cè)光源波長，波長測(cè)量相對(duì)偏差為2.10%。為了評(píng)估光柵的制作質(zhì)量，采用光柵光譜儀原理系統(tǒng)對(duì)光柵周期進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)偏差為2.15%；利用光學(xué)輪廓儀對(duì)光柵二維、三維形貌進(jìn)行檢測(cè)，光柵周期相對(duì)偏差為1.45%，光柵的整體輪廓光滑，均勻性較好。制作實(shí)驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果表明，基于DMD的數(shù)字化制作技術(shù)為柔性微結(jié)構(gòu)及器件的制作提供了一條簡單、高效、低成本、高精度制作的新途徑。

數(shù)字化制作； 柔性薄膜光柵； 光柵光譜儀； 原理系統(tǒng)； 制作質(zhì)量

0 引 言

隨著柔性高分子材料的研究和聚合物材料的發(fā)展，柔性微結(jié)構(gòu)及器件以其耐用性好、質(zhì)量輕、可彎曲等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高亮度有機(jī)發(fā)光器件[1-3]、傳感器[4-5]、生物芯片[6]和聚合物MEMS[7]等新興領(lǐng)域。柔性微結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加工方法,如電子束直寫[8]、離子束光刻[9]、激光直寫[10]、LIGA[11]存在低產(chǎn)高耗等問題；非傳統(tǒng)加工方法,如納米壓印[12]，掩模成本較高；熱熔法[13]雖然成本低、效率高，卻難以精確控制制作面形。探索低成本、高精度、簡單高效的柔性微結(jié)構(gòu)制作技術(shù)，一直都是微加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿課題。

基于數(shù)字微鏡(DMD)的數(shù)字化制作技術(shù)[14-15]是一種短周期、高產(chǎn)出、低成本的制作方法，該技術(shù)利用DMD代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理掩模，采用并行曝光方式，通過精確控制微鏡狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的精細(xì)制作。本文借鑒數(shù)字化制作原理，建立DMD數(shù)字化制作系統(tǒng)，在光刻膠上一次曝光成型光柵母板，并利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，復(fù)制出柔性薄膜光柵。

衍射光柵是光柵光譜儀的核心元件[16-17]，其制作精度將直接影響光柵光譜儀光譜檢測(cè)分辨率。為了評(píng)價(jià)柔性薄膜光柵的制作質(zhì)量，本文不僅利用光學(xué)輪廓儀對(duì)光柵形貌進(jìn)行測(cè)量， 并搭建光柵光譜儀原理系統(tǒng)，測(cè)量薄膜光柵的制作偏差，用以優(yōu)化數(shù)字化制作工藝，獲得最佳制作效果。

1 DMD數(shù)字化制作系統(tǒng)

首先建立如圖1所示的DMD數(shù)字化制作系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、照明模塊、調(diào)焦控制模塊、工件臺(tái)模塊組成。照明模塊是系統(tǒng)的核心部分，包括高壓汞燈、準(zhǔn)直鏡、場鏡、蠅眼鏡、反射鏡、DMD、投影物鏡(14×)等部件。調(diào)焦控制模塊包括分束鏡、CCD等部件。工件臺(tái)模塊由x、y、z三維精密電動(dòng)臺(tái)組成。計(jì)算機(jī)與控制箱相連，通過控制箱控制照明模塊、調(diào)焦控制模塊及工件臺(tái)模塊協(xié)調(diào)工作。高壓汞燈(曝光譜線為i線)發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直、勻光后，以與DMD法線成24°空間角入射到DMD表面；DMD由1 024×768陣列像素構(gòu)成，每個(gè)像素邊長為13.68 μm，可沿對(duì)角線±12°翻轉(zhuǎn)，±12°翻轉(zhuǎn)時(shí)，反射光垂直進(jìn)入投影物鏡；-12°翻轉(zhuǎn)時(shí)，反射光不能進(jìn)入投影物鏡。預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)字掩模轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，控制DMD像素的翻轉(zhuǎn)角度和時(shí)間，從而決定投影物鏡像平面上各點(diǎn)具有不同光能量，即光刻膠面上各點(diǎn)可獲得不同的曝光劑量。

圖1 DMD數(shù)字化制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 柔性薄膜光柵制作

柔性薄膜光柵的數(shù)字化制作主要包括以下5個(gè)步驟，如圖2所示。

(1) 光柵數(shù)字掩模生成。利用繪圖軟件繪制光柵掩模，保存為bmp格式圖片文件，圖片分辨率設(shè)置為1 024×768，與DMD陣列像素相對(duì)應(yīng)。預(yù)先設(shè)計(jì)了周期d=4 μm(a=b=2 μm)的光柵數(shù)字掩模。

(2) 曝光制作。首先將RZJ-304正性光刻膠以低速500 r/min、10 s，高速2 700 r/min、30 s旋涂在基底上，再以90 °C溫度烘烤15 min。將設(shè)計(jì)好的光柵掩模通過計(jì)算機(jī)輸入至DMD，利用圖1所示的數(shù)字化制作系統(tǒng)對(duì)涂覆有光刻膠的基底曝光30 s。

(3) 顯影。采用0.35%NaOH溶液顯影15 s，在光刻膠上形成浮雕結(jié)構(gòu)。

(4) PDMS復(fù)制。配置PDMS，將主劑與固化劑按照10∶1比例混合均勻，靜置30 min直至氣泡完全消失，再將混合液緩慢傾倒于光刻膠光柵表面。

(5) PDMS固化。為使PDMS充分固化，采用80 °C溫度烘烤基底20 min，冷卻后輕輕剝離PDMS層，即得到薄膜光柵。

圖2 柔性薄膜光柵制作流程

3 柔性薄膜光柵光譜檢測(cè)應(yīng)用

3.1 光柵光譜儀原理系統(tǒng)定標(biāo)

將柔性薄膜光柵應(yīng)用于光柵光譜儀原理系統(tǒng)中，可測(cè)量待測(cè)光源的波長。光柵光譜儀原理系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)見圖3。定標(biāo)光源垂直入射到柔性薄膜光柵上，距離光柵L3處放置一光屏接收光柵衍射圖像，光屏和CCD與成像鏡頭之間的距離分別為L2和L1。CCD接收到的圖像為光屏上光柵衍射圖案通過透鏡成的像，假設(shè)成像透鏡的縮小倍率為N，根據(jù)物像關(guān)系：

H2=NH1

(1)

圖3 光柵光譜儀原理系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)

式中：H2為光屏上±1級(jí)間的距離;H1為CCD采集到的±1級(jí)間的距離。

只選取0級(jí)、±1級(jí)衍射進(jìn)行定標(biāo)。假設(shè)CCD單個(gè)像素尺寸為pixel， CCD采集到的±1級(jí)間距占據(jù)M個(gè)像素，即H1=pixel×M。根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射原理及圖中幾何關(guān)系，考慮近軸條件，可以得到：

(2)

(3)

式中：λ標(biāo)為定標(biāo)光源波長；d為柔性薄膜光柵周期。只需計(jì)算出CCD采集到的±1級(jí)間距包含的CCD像素個(gè)數(shù)M，便可得出系統(tǒng)常數(shù)P。

3.2 待測(cè)光源波長測(cè)量

將圖3中的定標(biāo)光源替換為某待測(cè)光源，提取出CCD接收的±1級(jí)間距包含的像素個(gè)數(shù)M′，即可通過下式計(jì)算出待測(cè)光源波長：

(4)

實(shí)驗(yàn)中采用波長為532nm(LD泵浦固體激光器)的激光作為定標(biāo)光源；CCD芯片尺寸為1.27 cm(1/2英寸)，分辨率為768×576，單個(gè)像素尺寸為13 μm。根據(jù)圖4(a)所示定標(biāo)光源照射薄膜光柵的衍射圖樣，采用Matlab軟件對(duì)其處理分析，如圖4(c)中綠色實(shí)線所示，提取出±1級(jí)衍射光斑的中心位置坐標(biāo)分別為47和730，因此M=683。圖4(b)為待測(cè)光源照射薄膜光柵的衍射圖樣，采用Matlab軟件對(duì)其處理分析，如圖4(c)中藍(lán)色實(shí)線所示，提取出±1級(jí)衍射光斑的中心位置坐標(biāo)分別為125和634，因此M′=509。根據(jù)式(3)和(4)，即可計(jì)算出λ測(cè)=396.5 nm。實(shí)驗(yàn)中使用的待測(cè)光源實(shí)為波長405 nm的半導(dǎo)體激光器，因此采用光柵光譜儀原理系統(tǒng)測(cè)量的波長相對(duì)偏差為2.10%。

4 光柵質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)柔性薄膜光柵的制作質(zhì)量，利用光柵光譜儀原理系統(tǒng)，測(cè)量出柔性薄膜光柵周期d；采用光學(xué)輪廓儀檢測(cè)柔性薄膜光柵的形貌。通過分析制作偏差，改進(jìn)優(yōu)化數(shù)字化制作工藝，獲得最佳制作效果。

(a) 定標(biāo)光源照射薄膜光柵

(b) 待測(cè)光源照射薄膜光柵

(c) 圖樣的Matlab分析

仍然采用圖3所示光柵光譜儀原理系統(tǒng)，波長為532 nm的激光定標(biāo)后，即系統(tǒng)常數(shù)P確定之后，再利用波長405 nm的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光柵周期測(cè)量，光柵周期的絕對(duì)偏差可用下式計(jì)算：

(5)

式中:d設(shè)=4 μm，為光柵設(shè)計(jì)值；M和M′分別表示波長532 nm、405 nm光源照射薄膜光柵產(chǎn)生的±1級(jí)衍射光斑中心相距的CCD像素個(gè)數(shù);M=683，M′=509。經(jīng)計(jì)算，Δd=0.086 μm，相對(duì)偏差為2.15%，說明制作的光柵周期略有擴(kuò)展。

MicroXAM-100型光學(xué)輪廓儀的形貌測(cè)量結(jié)果如圖5所示。圖(a)為顯微測(cè)量結(jié)果，由圖可見，PDMS薄膜光柵邊緣清晰，線條均勻性較好；圖(b)為光柵三維輪廓圖；圖(c)為光柵截面測(cè)量圖。從圖中可以看出，光柵輪廓光滑，制作均勻性較好；輪廓儀測(cè)量光柵

(a) 顯微照片

(b) 光柵三維輪廓

(c) 光柵截面測(cè)量結(jié)果

圖5 PDMS光柵制作結(jié)果

周期為4.058 μm，與設(shè)計(jì)值的絕對(duì)偏差為0.058 μm，相對(duì)偏差為1.45%。測(cè)量結(jié)果表明，PDMS復(fù)制效果良好，但是光柵周期略有增大，這與光柵光譜儀原理系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果吻合較好。

柔性光柵周期略有擴(kuò)大，可能由以下因素導(dǎo)致：

(1) 曝光時(shí)間稍長。曝光時(shí)間應(yīng)由曝光劑量精確確定，而曝光劑量需根據(jù)設(shè)計(jì)的光柵浮雕，結(jié)合光刻膠光譜響應(yīng)特性及DMD光調(diào)制特性，通過精確計(jì)算獲得。因此，如何準(zhǔn)確測(cè)得光刻膠光譜響應(yīng)特性曲線和DMD光調(diào)制特性曲線，是解決曝光時(shí)間精確性的有效途徑。

(2) 顯影時(shí)間稍長。實(shí)驗(yàn)中憑經(jīng)驗(yàn)控制顯影時(shí)間，要精確控制顯影時(shí)間，需要建立光刻膠在顯影液中溶解的動(dòng)態(tài)模型。

(3) PDMS薄膜光柵從基底剝離時(shí)，用力不當(dāng)導(dǎo)致光柵橫向拉伸。

5 結(jié) 語

本文建立的DMD數(shù)字化制作系統(tǒng)，采用DMD代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理掩模，一次性面曝光、復(fù)制成型柔性微結(jié)構(gòu)及器件，具有高效率、高精度、低成本、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。將數(shù)字化制作的柔性薄膜光柵應(yīng)用于光柵光譜儀原理系統(tǒng)中，進(jìn)行了光譜測(cè)量研究；并采用光柵光譜儀原理系統(tǒng)測(cè)量了柔性薄膜光柵周期；為了更全面的評(píng)估光柵質(zhì)量，采用光學(xué)輪廓儀測(cè)量了光柵形貌。測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了DMD數(shù)字化制作技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。隨著柔性微結(jié)構(gòu)及器件在新興領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，該技術(shù)將具有較強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

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Digital Fabrication and Spectrum Detection Application of Flexible Film Grating

LUONing-ning,ZHANGZhi-min

(Physics Experiment Center, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

A fabrication system based on digital micromirror device (DMD) is established and used to fabricate PDMS grating. The digital fabrication process includes digital mask design, exposure, development, PDMS replication and curing. The film grating is applied in the principle system of grating spectrometer. After system calibration, the wavelength of another light source is measured and the relative error is 2.10%. To evaluate the grating quality, the principle system of grating spectrometer is adopted to measure the grating period, and the relative error is 2.15%. In addition, the optical profiler is utilized to measure the 2D/3D grating profile. The test results show that the fabricated grating has smooth surface and good uniformity, and the relative error of grating period is 1.45%. The digital fabrication method descried in the paper provides a simple, high-efficiency, low-cost and high-precision way for flexible microstructures.

digital fabrication; flexible film grating; grating spectrometer; principle system; fabrication quality

2015-12-03

國家自然科學(xué)基金(61464008)；江西省自然科學(xué)基金(20142BAB211003)

羅寧寧(1981-)，女，江西南昌人，講師，現(xiàn)主要從事數(shù)字光刻應(yīng)用研究。

Tel.:13879177625；E-mail:ningningluo2002@126.com

TN 305.7

A

1006-7167(2016)09-0024-04