面投影微立體光刻系統的開發和研究

周庚俠 ，班書寶，吳東岷，顧濟華

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

（1.蘇州大學 物理科學與技術學院，蘇州 215006；2.中國科學院 蘇州納米技術與納米仿生研究所，蘇州 215125）

0 引言

微尺寸的機械在醫藥、工業等方面有著巨大的應用潛能，要實現微尺寸器件的加工，我們面臨的挑戰就是開發微加工技術，現有的微加工技術像MEMS、LIGA等技術需要使用大量的掩膜進行重復的曝光過程，這樣既費時又費力，并且不能制作高深寬比的器件[1]。由快速成型技術發展而來的微立體光刻技術可以滿足快速制造高深寬比的復雜微器件的要求。微立體光刻技術可以分為線掃描微立體光刻和面投影微立體光刻技術。線掃描微立體光刻技術由Ikuta 和Kirowatari[2]最先提出，使會聚光束依照計數機切片的薄層數據逐點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）和數字微反射鏡（Digital Micromirror Divce，DMDTM）技術的出現，面投影微立體光刻技術得到了迅速的發展。1997年Bertsch等人開發了一套面投影微立體光刻機，利用LCD作為動態掩模發生器，光束經過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、對比度低等缺點，限制了LCD動態掩模微立體光刻技術的進一步發展[3]。

DMD具有高分辨率、高光學效率、高頻對比度等特點，并且控制靈敏，紫外光對鋁制鏡片沒有損傷，與LCD掩模相比，具有明顯的優勢。本文將介紹新開發的基于數字微反射鏡（DMD）動態掩模微立體光刻系統，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，為此設計新的樹脂槽和涂覆裝置。為了驗證系統的性能，對實驗系統一些重要參數進行了測量。

1 面投影微立體光系統

1.1 系統裝置

本實驗中，我們利用數字微鏡（DMD）做為動態掩模發生器，開發制造多功能材料三維復雜結構器件的系統。微立體光刻系統的示意圖如圖1所示，主要器件包括：1）LED模組光源，由深圳鵬運發有限公司生產，功率30W，波長范圍400-405nm；2）準直系統，由一個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Texas Instruments公司生產，規格1024x768,每個微鏡的尺寸為13.68μm×13.68μm；4）直線驅動器，型號OMEC-2BG,由日本SIGMA KOKI公司生產，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；7）CCD,用于監控固化過程；8）基于LABVIEW開發的系統的控制軟件，用于控制實驗中掩模的產生、樹脂的涂覆、監控樹脂固化等。

圖1 面投影微立體光刻系統示意圖

1.2 光源

目前微立體光刻系統中絕大多數都是采用激光器[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點，但是其缺點是，大功率的激光器很昂貴，這樣會增加預算，還有激光是高斯光，所以其均勻性差，在成像時會出現斑點[6]。盡管目前汞燈價格便宜，在光刻系統中使用較多，但是，從表面看來汞燈固化光源產生的UV光亮度和熱量高，其實光源光譜很寬，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。

本文實驗系統中采用新型的LED模組作為光源，LED模組由深圳鵬運發有限公司生產，功率為30W，波長范圍400-405nm。與激光器和汞燈相比，LED模組價格便宜，體積小，光色純，效率高。

微立體光刻系統中，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均勻的光強，實驗中利用廢舊透鏡組和一塊平凸透鏡組成準直系統，利用光學軟件優化準直光路。利用CCD在像平面上采集到灰度圖像，描繪出一維方向對應像素點的灰度值，如圖2所示，像平面光強相對均勻。

1.3 實驗材料

光敏樹脂由單體1，6-hexanedioldiacrylate（HDDA，[H2C=CHCO2（CH2）3-]2）、 光引發劑Bis（2,4,6-trimenthylbenzoy1）– phenylphosphineoxide（Ingacure 819）組成，兩者混合質量比為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脂中，組成復合材料，使用ARE-310攪拌機（日本Thinky 公司生產）進行攪拌并脫泡。隨著氧化硅顆粒的增加，復合材料的粘度不斷增加。復合材料的粘度隨加入氧化硅質量比的變化關系如圖3所示，

圖2 像素點灰度值統計

圖3 復合材料粘度隨加入氧化硅質量比的變化曲線

1.4 樹脂槽和涂覆系統

實驗中使用的復合材料中，氧化硅顆粒的質量占復合物總質量的20%，從圖2中可以看出，這時復合材料的粘度為322pa.s，使用這樣的復合材料作為固化材料，當加工完一層升降臺下降后，樹脂不可能在重力的作用下變平整。設計如圖1中的樹脂槽和圖4中的涂覆系統，

加工之前，先將直線驅動器位置初始化，左面的與直線驅動桿相連的襯底到樹脂槽上表面的距離恰好是一個加工層厚，右面直線驅動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整形后的圖形經投影鏡頭會聚投影到樹脂表面上，引起樹脂固化，當第一層樹脂固化完畢后，左面的驅動桿向下移動距離等于一個層厚，右面驅動直桿向上運動一個層厚距離，控制刮刀從右向左移動，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。直線驅動的運動以及刮刀的運動都是由計算機控制，自動化完成。

圖4 涂覆系統Solidworks繪圖

2 測量與結果

2.1 光學系統分辨率測量

我們利用數字微反射鏡DMD產生不同空間頻率的光柵，將CCD放在像平面上接收經過投影鏡頭的光強圖像，使用MATLAB軟件繪制一維方向的光強圖，如圖5所示。由于使用CCD的像素的限制，在空間頻率較高時，MTF的值測量不準確，我們參考廠家提供的參數。測量得到的投影鏡頭的MTF曲線如圖6所示。當DMD產生1個像素寬、一個像素間隔的光柵時，即掩模圖形的空間分辨率為每毫米37個線對，根據圖6，這個空間頻率的MTF為0.48。

圖5 像平面上的光強分布圖像

2.2 樹脂工作曲線的測量

在微立體光刻中，光敏樹脂對紫外光的吸收遵循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衰減，即：

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

當樹脂固化深度為Cd時，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，Cd為縱坐標，那么光固化方程為一條直線，直線的斜率為Dp，直線與ln E的交點為Ec。只要測量出一系列的固化深度與對應的曝光量，即可求出Dp的值。根據測量的結果得到復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的交點，穿透深度Dp＝59.2μm，曝光閾值Ec＝86.5mj/cm2。

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

2.3 初步加工實例

圖6 投影鏡頭MTF曲線

使用開發的微立體光刻系統進行三維實體的加工，初步加工結果如圖8所示，齒輪的內徑400μm，外徑為700μm，層厚為60μm。

圖7 樹脂-氧化硅復合材料的工作曲線

圖8 齒輪的顯微鏡照片（x100倍）

3 結論

本文介紹了作者所在實驗室開發的面投影微立體光刻系統，實驗中采用的新光源可以達到實驗的要求，設計的新樹脂槽和涂覆系統使得面投影微立體光刻系統可以用于粘度大的材料固化成型。通過測量光學系統的分辨率和樹脂的工作曲線，確定系統的加工分辨率可以達到14 。利用該系統，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.