数字微镜阵列微立体光刻系统光路仿真与应用

武传祥,蔡树向,杨文广

(烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台264005)

在微型机电系统、生物工程、组织工程、微纳器件、印刷电子等微纳制造领域,复杂的三维微纳结构有着巨大的需求。但是,传统的微纳加工方式在技术、效率、价格、材料等方面无法达到对多维立体微纳结构的制造要求[1-3]。从传统的接触曝光、接近曝光到新兴的投影曝光,现有的微机械技术需要大量掩模进行重复曝光,耗时费力,无法生产高宽比器件。在快速成型技术基础上发展的微立体光刻技术能够实现三维复杂微小器件的快速成型加工,该技术结合了微工程学以及快速原型的制造技术,其加工原理主要是利用光与液态材料相互作用使其固化,然后通过多层叠加进行微尺寸、高精度的三维立体微结构的制造,因此可以实现微结构的真三维加工[4-6]。同时,基于数字微镜阵列(Digital Micromirror Device,DMD)的微立体光刻技术与通常在洁净室环境中用于制造微机电系统组件的技术有着根本的不同。大多数微制造技术都是从微电子工业发展而来的,通常使用硅片作为衬底或载体材料,通过蒸发或溅射沉积金属薄膜,旋涂沉积聚合物薄层并通过光刻、化学和等离子蚀刻来生成各种形状。微立体光刻也是一种微制造技术,但它与快速成型技术有关,更确切地说,它与立体光刻有关,是1986年获得专利的一项技术,它允许用紫外激光对可光聚树脂进行层层固化,从而制造出3D组件。微立体光刻基于与立体光刻技术非常相似的制造原理,但实现了工艺改进,从而获得更好的分辨率。此外,像大多数实体自由成型制造技术一样,微立体光刻也属于附加制造工艺,允许从计算机辅助设计文件中制造零件,要构建的结构外部和内部几何形状可以使用3D绘图计算机软件设计,使用数学方程描述,或者从其他成像技术(如磁共振成像)或断层扫描技术的扫描数据中导出。计算机辅助设计文件描述了要制造的零件的几何形状和尺寸,系统使用立体光刻 (STereoLithography,STL)文件格式,STL文件列出了三角形的坐标,这些三角形一起构成了设计的3D结构的表面,然后被切片成用于逐层制造的位图文件,随后被上传到微立体光刻设备,并制造出结构。本文介绍了一套基于DMD的微立体光刻系统,在COMSOL Multiphysics软件中建立了系统光路的仿真模型,其中系统使用的光源为375 nm的紫外激光,同时建立了系统中匀束整形系统的模型,均匀能量的光束由DMD调制后被投射到成像系统,最终曝光在投影平面。通过软件计算分析了系统中光束整形前后的能量分布特点,投影平面最终成像效果,模拟了光刻系统完整光路。最后,应用此系统完成了实验操作,实现了基于 DMD 的微立体光刻加工。

1 微立体光刻系统技术原理

微立体光刻系统原理(图1),系统由光源、整形系统、DMD、投影物镜、监视器以及高精度工作平台组成。在加工时,首先通过CAD软件设计待加工的产品模型。然后对三维实体实施逐层切片,产生待处理的位图文件,通过计算机将位图文件传输到DMD的控制芯片。控制芯片根据不同位图文件输出不同指令来控制每个微镜的开关状态[7-9],从激光器发出的光束通过能量匀化系统后进入DMD,利用计算机控制DMD将掩模图案投影到加工材料表面。光与材料相互作用,实现光固化加工。一层材料固化后,计算机再次控制光调制器,生成下一层图案的动态掩模,然后将其一层一层叠加完成立体光刻加工。DMD是整个系统的核心部分,和以往的液晶空间光调制器对比,数字微镜装置具有许多独特的优势。例如,DMD的像素尺寸更小,像素之间的间隙也更窄,这使得系统分辨率和打印灵敏度更好。此外,超平面铝微反射镜具有较高的调制效率,通过使用紫外光作为更短波长的光源,能够显著提高光刻精度。另一方面,较短的波长对应于较高的光能量,保证了微结构的机械强度。同时DMD中的快速切换速度能够更精确地控制曝光时间,这对于实现灰度强度调制尤为重要。

图1 微立体光刻系统工作原理

2 仿真与实验

2.1 光源的建模仿真

系统选择波长为375 nm的激光光源。激光是光刻系统中应用最广泛的光源,其亮度高、发散角小、单色性和准直性优异,因此适合用于光刻加工。在光刻领域,光源通常使用波长为405 nm至365 nm的紫外激光束。为了体现激光特性,在COMSOL Multiphysics中建立了入射光源模型,模型几何是长度为若干个波长的圆柱体。通过计算得到入射光光强分布(图2),从结果可以看出入射光能量呈现高斯分布,能量集中在光源中心处。

图2 高斯光束能量分布平面

2.2 光束整形系统的建模仿真

在微立体光刻系统中,对光束能量均匀度有着较高要求,能量分布不均匀会导致局部温度过高而破坏材料性能,影响激光与待加工材料光固化的效果,严重降低光刻质量。由于激光是一种高斯光束,其能量分布均匀性较差,直接使用激光光源不能满足加工要求。因此需要系统中的整形器件对光源光束强度均匀化处理,本系统中采用的非球面整形系统具有光能损失少、稳定性高、光束易于控制等优点,图3是系统中使用的一种高斯光束能量匀化方法[10]基本原理。图中:Iin表示入射处光束能量,Iout表示出射处光束能量,r1看作任意一光线在入射面的位置,r2为与r1共轭的光线在出射平面的位置,ω0是入射光束的束腰,R0为匀化后光束半径。根据能量守恒定律得到光束在入射区域的能量大小和出射区域的能量大小一致,即:

(1)

进入系统的光束能量表达式为

离开系统的光束能量表达式为

将入射光及出射光的表达式分别代入式(1)积分后得到出射光束与入射光束映射关系为

其中τ为光能透过率。

图3 光束整形原理

整形系统中的非球面面型参数可以根据文献[11-12]提出的一种非球面面型参数的解法求得,其原理如图4。图中z(r1)和z(r2)表示非球面的面型参数函数,两透镜之间相距d,材料的折射率设为n。

图4 面形参数计算原理

按照斯涅尔定律及能量守恒定律,能够得到整形系统的面型系数方程为

(2)

把r1与r2的映射关系代入式(2),并对其求数值积分,便可以获得非球面的面型系数。

根据前面提到的光束整形原理,在COMSOL Multiphysics中的“几何光学,射线追踪”模块建立了光束整形系统(图5)。

将之前光源模型中计算得到的结果与光束整形系统进行耦合计算,得到了整形系统出射处光强度分布结果如图6。从结果分析来看,整形系统大幅提高了光源能量均匀度,能量趋于均匀化,满足加工要求。

图5 光束整形系统

图6 光束匀化后能量分布平面

2.3 光刻光路的建模仿真

系统选择DMD代替以往的固定掩模,能够实现高效加工。DMD本质上为一种微型机电变形镜装置。首款DMD在1987年被德克萨斯仪器公司(TI)的物理学家拉里霍恩贝克首先创造出来,每个DMD中含有上百万的微镜片,这些微镜阵列可以通过自身翻转来实现对光束的调制。DMD 的每个像素是集成在微机电系统上的超精细结构单元,每个单元由静态存储单元、金属层、寻址单元、反射镜四部分组成。运行时,DMD首先将镜片的翻转信息存储在静态存储单元中,静态存储单元与寻址电极相连,当 SRAM 上微镜的翻转信息存储完成时,偏置电压解除,偏转电极从存储单元上获得电流,与微镜之间形成一个静电场,使之偏转。在一个偏转周期结束后,偏置电压解除,复位电压使微镜回到平衡位置。DMD 利用微反射镜的“开”和“关”产生动态掩模。在正向偏置下,微反射镜翻转+12°,光束由微镜反射射入成像系统,并最终打在光刻基板上,使投影面呈现一个亮点。当微镜处于负偏置时,微镜翻转-12°,光束不会进入到成像系统中,而是被吸光板吸收,在像面上出现一个暗的像素,这样DMD每一次翻转都将光束调制为不同的图形信号,再将其反射进入投影系统。投影系统结构原理如图7,由激光器发出的光束经过整形系统后首先被反射镜反射进入DMD,光束经过DMD调制后进入投影系统,按照光刻系统中各器件的位置,进入投影物镜的光束以平行光入射。即DMD在开态时反射镜的角度与入射光成57°,同时对于投影物镜物面是 DMD,相比于传统掩模板的固定物距,当DMD 中的微镜阵列发生偏转时,将造成微镜阵列与原物方位置不重合而产生离焦,对线宽放大倍率不利;在进行加工时,投影平面高度变化也将使其加工平面偏离原像平面,严重影响线宽放大倍率,为了减小 DMD 微镜和加工平面离焦对线宽放大倍率的影响,系统使用了双远心精缩投影物镜。

图7 投影系统原理

通过以上理论分析,在软件中构建了各光学元器件模型,并设计好系统元件角度,得到光路仿真结果如图8。

图8 投影系统光路仿真结果

通过仿真计算得到了投影系统的光路图,从结果可以看出,在DMD开态时(镜片正偏12°),光束经DMD反射后,投射进入投影物镜,在DMD平态与DMD关态时(镜片反偏12°),DMD会把光束反射到吸光板处,不再参与成像。将成像系统与匀光系统连接构建整体光路(图9)。微立体光刻系统工作时DMD处于开态,光束首先经过能量匀化系统,能量得到匀化后,进入DMD空间光调制器,而后被反射进入投影系统,最终被投射到加工平面,利用光固化原理与材料作用,进行光刻加工。

图9 整体光路

同时,对投影平面的成像效果以及投影平面能量分布进行了仿真计算,结果如图10。从结果可以看出投影平面成像完善,能量分布合理,能够满足光刻加工要求。

图10 投影平面仿真

2.4 实验验证

通过基于数字微镜的微立体光刻的实验系统可以制造出与图形设计一致的结构(图11),将设计图案输入到数字微镜阵列中,可以制作与之对应的水凝胶微结构,通过边缘轮廓提取算法,提取水凝胶微结构的轮廓,并与所设计的图形进行轮廓相似性比较,得到轮廓相似性评价结果为89.4%。从实验结果上验证了前述仿真结果的合理性和真实性。

图11 水凝胶微结构的边缘轮廓提取与相似性比较

通过本套制造系统可以制作出任意想要的结构,包括单个结构的制作图以及阵列的制作图(图12),并结合三维移动平台可以实现大面积的制造。整个制造过程在5 s以内便可以完成,充分体现了本套系统的优势。水凝胶微结构的制造方法有很多,软刻蚀是最常用的方法之一,整个制造过程比较繁琐,需要设计图形,制作模具,然后进行翻模,虽然这种方法的成本比较低,但是过程复杂耗时,极大地限制了方法的灵活性和适用性。光刻也是一种很常用的方法,虽然光刻能够达到极高的精度,但是同软光刻一样,其步骤非常繁琐,包括表面处理、旋涂光刻胶、前烘、曝光、后烘、显影和刻蚀等,而且光刻对于实验环境的要求极高。激光直写是近些年来发展起来的一种水凝胶加工工具,其具有超高的分辨率,并且可以加工复杂的三维水凝胶结构。但是,激光直写采用的是激光单点加工的方式,点扫描的模式也使得直写的速度变得相对缓慢,并且激光直写也需要昂贵的仪器以及苛刻的实验环境,这都阻碍了其在水凝胶微结构加工中的普及。

图12 水凝胶微结构的扫描电镜图像

与传统制造方式相比,本套系统优势在于省去了制作和更换掩模板的步骤,同样也降低了制作掩模板的成本,使用数字微镜阵列作为数字掩模板能够使得整个制造过程具有相当好的灵活性和可重复性,并且整个制作步骤非常简单快捷,在制作过程中还可以随时更换图形。

3 总 结

提出了一种基于数字微镜的微立体光刻系统。首先对搭建系统的各部分光路进行了相应的仿真分析和优化处理。其次开展了水凝胶微结构制造的实验研究,通过向数字微镜阵列中传输相应的图片,可以实时控制紫外光的曝光图案,从而达到水凝胶个性化定制加工的目的。本套水凝胶制造系统以数字微镜阵列为核心,替代了传统光刻加工中的固定掩模版,因此可以实现水凝胶的动态批量加工。