面投影微立体光刻系统的开发和研究

周庚侠 ，班书宝，吴东岷，顾济华

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

（1.苏州大学 物理科学与技术学院，苏州 215006；2.中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所，苏州 215125）

0 引言

微尺寸的机械在医药、工业等方面有着巨大的应用潜能，要实现微尺寸器件的加工，我们面临的挑战就是开发微加工技术，现有的微加工技术像MEMS、LIGA等技术需要使用大量的掩膜进行重复的曝光过程，这样既费时又费力，并且不能制作高深宽比的器件[1]。由快速成型技术发展而来的微立体光刻技术可以满足快速制造高深宽比的复杂微器件的要求。微立体光刻技术可以分为线扫描微立体光刻和面投影微立体光刻技术。线扫描微立体光刻技术由Ikuta 和Kirowatari[2]最先提出，使会聚光束依照计数机切片的薄层数据逐点扫描完成一层的制造，一层制造完后，以同样的方式固化下一层新的薄层，连续扫描直至三维模型的制成。此种方法的加工速度慢。

液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）和数字微反射镜（Digital Micromirror Divce，DMDTM）技术的出现，面投影微立体光刻技术得到了迅速的发展。1997年Bertsch等人开发了一套面投影微立体光刻机，利用LCD作为动态掩模发生器，光束经过LCD掩模整形获得与待聚合树脂层形状一致的光束，通过一次照射将光束投影到树脂表面完成一层的制造。LCD具有分辨率低、对比度低等缺点，限制了LCD动态掩模微立体光刻技术的进一步发展[3]。

DMD具有高分辨率、高光学效率、高频对比度等特点，并且控制灵敏，紫外光对铝制镜片没有损伤，与LCD掩模相比，具有明显的优势。本文将介绍新开发的基于数字微反射镜（DMD）动态掩模微立体光刻系统，第一次介绍使用LED（light emitting diode，LED）模组作为光源，采用掺杂氧化硅颗粒的树脂作为新的固化材料，由于材料的粘度较大，为此设计新的树脂槽和涂覆装置。为了验证系统的性能，对实验系统一些重要参数进行了测量。

1 面投影微立体光系统

1.1 系统装置

本实验中，我们利用数字微镜（DMD）做为动态掩模发生器，开发制造多功能材料三维复杂结构器件的系统。微立体光刻系统的示意图如图1所示，主要器件包括：1）LED模组光源，由深圳鹏运发有限公司生产，功率30W，波长范围400-405nm；2）准直系统，由一个投影仪中拆下的废旧透镜组和一块平凸透镜组成，平凸透镜的焦距90mm,半径65mm；3）DMD，由美国Texas Instruments公司生产，规格1024x768,每个微镜的尺寸为13.68µm×13.68µm；4）直线驱动器，型号OMEC-2BG,由日本SIGMA KOKI公司生产，行程为20mm,分辨率为1；5）投影镜头：APO-Rodagon-D,75mm,f/4；6）树脂槽和树脂涂覆系统；7）CCD,用于监控固化过程；8）基于LABVIEW开发的系统的控制软件，用于控制实验中掩模的产生、树脂的涂覆、监控树脂固化等。

图1 面投影微立体光刻系统示意图

1.2 光源

目前微立体光刻系统中绝大多数都是采用激光器[4]或者汞灯[5]作为光源。激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干等优点，但是其缺点是，大功率的激光器很昂贵，这样会增加预算，还有激光是高斯光，所以其均匀性差，在成像时会出现斑点[6]。尽管目前汞灯价格便宜，在光刻系统中使用较多，但是，从表面看来汞灯固化光源产生的UV光亮度和热量高，其实光源光谱很宽，真正用于固化的某紫外光谱段只占其中的一部分能量，固化效率低，并且很大一部分是红外辐射，容易使热敏工件变形。

本文实验系统中采用新型的LED模组作为光源，LED模组由深圳鹏运发有限公司生产，功率为30W，波长范围400-405nm。与激光器和汞灯相比，LED模组价格便宜，体积小，光色纯，效率高。

微立体光刻系统中，像平面的光照均匀度直接影响加工的精确度。为了在像平面获得相对均匀的光强，实验中利用废旧透镜组和一块平凸透镜组成准直系统，利用光学软件优化准直光路。利用CCD在像平面上采集到灰度图像，描绘出一维方向对应像素点的灰度值，如图2所示，像平面光强相对均匀。

1.3 实验材料

光敏树脂由单体1，6-hexanedioldiacrylate（HDDA，[H2C=CHCO2（CH2）3-]2）、 光引发剂Bis（2,4,6-trimenthylbenzoy1）– phenylphosphineoxide（Ingacure 819）组成，两者混合质量比为98%：2%，先将光吸收剂溶解在单体中，再将平均至直径为30nm的氧化硅颗粒混合到树脂中，组成复合材料，使用ARE-310搅拌机（日本Thinky 公司生产）进行搅拌并脱泡。随着氧化硅颗粒的增加，复合材料的粘度不断增加。复合材料的粘度随加入氧化硅质量比的变化关系如图3所示，

图2 像素点灰度值统计

图3 复合材料粘度随加入氧化硅质量比的变化曲线

1.4 树脂槽和涂覆系统

实验中使用的复合材料中，氧化硅颗粒的质量占复合物总质量的20%，从图2中可以看出，这时复合材料的粘度为322pa.s，使用这样的复合材料作为固化材料，当加工完一层升降台下降后，树脂不可能在重力的作用下变平整。设计如图1中的树脂槽和图4中的涂覆系统，

加工之前，先将直线驱动器位置初始化，左面的与直线驱动杆相连的衬底到树脂槽上表面的距离恰好是一个加工层厚，右面直线驱动杆相连的衬底到树脂槽上表面的距离较大，在树脂槽中分别加入树脂，DMD整形后的图形经投影镜头会聚投影到树脂表面上，引起树脂固化，当第一层树脂固化完毕后，左面的驱动杆向下移动距离等于一个层厚，右面驱动直杆向上运动一个层厚距离，控制刮刀从右向左移动，将右面凸出的树脂涂覆到左面树脂槽中。刮刀与树脂槽面之间是弹性接触，保证树脂层的涂覆均匀。直线驱动的运动以及刮刀的运动都是由计算机控制，自动化完成。

图4 涂覆系统Solidworks绘图

2 测量与结果

2.1 光学系统分辨率测量

我们利用数字微反射镜DMD产生不同空间频率的光栅，将CCD放在像平面上接收经过投影镜头的光强图像，使用MATLAB软件绘制一维方向的光强图，如图5所示。由于使用CCD的像素的限制，在空间频率较高时，MTF的值测量不准确，我们参考厂家提供的参数。测量得到的投影镜头的MTF曲线如图6所示。当DMD产生1个像素宽、一个像素间隔的光栅时，即掩模图形的空间分辨率为每毫米37个线对，根据图6，这个空间频率的MTF为0.48。

图5 像平面上的光强分布图像

2.2 树脂工作曲线的测量

在微立体光刻中，光敏树脂对紫外光的吸收遵循Beer-Lambert定律，即，紫外光的能量密度I随穿透深度的增加呈指数衰减，即：

I0为树脂表面的光强密度，I（z）为离树脂液面为Z深度处的光强密度，Dp为光在树脂中的穿透深度。当光强密度低于临界值，树脂将不能固化。

当树脂固化深度为Cd时，需要的光能量密度为E0＝I0t，Ec是树脂的固化光能量密度阈值，则树脂固化深度可以用下列公式来表示：

此公式描述的是一定曝光量下树脂的固化深度，如果以ln E为横坐标，Cd为纵坐标，那么光固化方程为一条直线，直线的斜率为Dp，直线与ln E的交点为Ec。只要测量出一系列的固化深度与对应的曝光量，即可求出Dp的值。根据测量的结果得到复合材料的工作曲线如图7。用最小二乘法拟合得到直线的斜率以及与横坐标的交点，穿透深度Dp＝59.2µm，曝光阈值Ec＝86.5mj/cm2。

根据WU（吴东岷）[10]中提出的加工横向分辨率由光学系统的分辨率和树脂的特性共同决定，在使用此复合材料作为固化材料时，单层固化厚度小于60µm，加工横向分辨率可以达到14µm。

2.3 初步加工实例

图6 投影镜头MTF曲线

使用开发的微立体光刻系统进行三维实体的加工，初步加工结果如图8所示，齿轮的内径400µm，外径为700µm，层厚为60µm。

图7 树脂-氧化硅复合材料的工作曲线

图8 齿轮的显微镜照片（x100倍）

3 结论

本文介绍了作者所在实验室开发的面投影微立体光刻系统，实验中采用的新光源可以达到实验的要求，设计的新树脂槽和涂覆系统使得面投影微立体光刻系统可以用于粘度大的材料固化成型。通过测量光学系统的分辨率和树脂的工作曲线，确定系统的加工分辨率可以达到14 。利用该系统，成功地制作了微齿轮。

[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.