大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻系统的分辨率研究

第 32卷 第 5期 2011年 9月 应 用 光 学 Journal of Applied Optics Vo1．32 No．5 Sep．2011 文章编号 ：1002—2082(2011)05—0867—05 大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻 周庚侠 系统的分辨率研究 ，班书宝 ，孙天玉 ，顾济华 ，吴东岷 (1．苏州大学 物理科学与技术学院，江苏 苏'ItI 215006； 2．中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215125) 摘 要 ：基于数 字微反射镜的动态掩膜面投影微立体光刻技术是一种基 于快速原型制造思想的 新型微细结构加工手段，其 系统中常用树脂槽和涂覆装置使得其无法适用于粘度大的固化材 料 。为实现粘度大的复合纳米材料的固化制造，构 建了新型的基于数 字微反射镜技 术的动 态掩 膜微立体光刻系统，该系统的加工横向分辨率由系统的光学分辨率与树脂特性共同决定。当单 层树脂固化厚度超过临界值 时，系统的横 向分辨率将降低。根据 实验 中测量光 学系统的分辨率 以及树脂的工作 曲线，得到本 系统的最高横向分辨率可以达到 14“m。 关键词 ：微 立体光刻 ；分辨率；树脂化 学响应 ；临界调制传递函数 中圈分类号：TN204 ‘ 文献标志码：A Resolution of m icro。。stereo。-lithography system using high viscosi ty nanocomposi tes ZHOU Geng-xia 一，BAN Shu—bao ～，SUN Tian—yu ，GU ji—hua ，WU Dong-min。 (1．School of Physical Science and Technology，Soochow University，Suzhou 215006，China； 2．Suzhou Institute of Nano—tech and Nano—bionics，CAS，Suzhou 215125。China) Abstract：To fabricate microstructures using high viscosity composites，an integral stereo—li— thography (SL)system adopting a digital micro—mirror device(DM D)as its dynamic mask was developed，which employed our novel resin vat and coating system． It shows that the lateral resolution of the SL system is determined by the optical resolution and the chemical response of the photo curable resin，the lateral resolution of the SL system is decreased as the curing depth goes beyond a critical value． The measured values of the optical system’S resolution and the resin’S working curve indicate that the maximum lateral resolution of the SL system is 14 m ． Key words：micro-stereo-lithography；resolution； chemical response of resin； critical modulation transfer functinn 引言 微尺寸机械在医药、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 挑战就是微加工技术的开发。现有的微加工技术 像硅蚀刻、MEMS、LIGA技术等都只是准三维加 工技术，在制造过程要使用大量的掩膜板以及要 消耗大量的时间 引。基于快速成型思想的微立体 光刻技术可以实现小尺寸、高分辨三维实体的快 收稿 日期 ：2010—12—14； 修 回日期 ：2011-02—24 基金项目：国家重点基础研究发展(973计划)(G2O09CB929300)；国家自然科学基金项 目(60807039／F050105)资助课题 作者简介：周庚侠(1977一)，女，江苏南京人，硕士研究生，主要从事面投影微立体光刻系统的研究工作。 联系人 ：吴东岷 ；E-mail：dmwu2008@sinano．ac．cn。 · 868 · 应用光学 2011，32(5) 周庚侠，等：大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻系统的分辨率研究 速制作，制作效率高、成本低。微立体光刻技术分 为线扫描微立体光刻技术和面投影微立体光刻技 术。线扫描微立体光刻技术由 Ikuta和 Kirowa— taril4 最先 提出，此种方法 的加工速度相 对较慢 ， 成本较高。液晶显示器 (LCD)和数字微反射镜 (DMDTM)技术的出现，使得面投影微立体光刻技 术得到了迅速发展。1997年 Bertsch等人 开发 的面投影微立体光刻机，利用 LCD作为动态掩膜 发生器，光束经过 LCD掩膜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。此后，许多研究者 利用 LCD动态掩膜微立体光刻系统制作微结构， 分辨率可以达到几个微米L6 ]。但是，LCD内在的 缺点限制了其广泛应用，其像素较大、填充率较 低 、开关反 应速 度低 ；而且 液 晶处于 “OFF”状态 下，仍有大约 20 的光通过，造成其对 比度较 低l5 ；随着 LCD接受光辐射时间的积累，其液晶结 构逐渐发生变化，黑色条纹失去旋光性，形成的黑 洞逐渐增大，图形生成性能下降。而 Texas公司 生产的数字微反射镜(DMDTM)具有像素较小、填 充率高、控制灵敏、对比度高等优点，并且紫外光 对于铝制的镜片没有损伤 ，与 LCD相 比，具有明显 的优势，使用 DMD作为动态掩膜的微立体光刻技 术得到了快速发展_8 。 面投影微立体光刻技术目前面临的挑战之一 就是如何提高加工分辨率。许多研究者通过使用 更小像素的掩膜发生器以及提高光学系统性能来 获得较高加工横向分辨率 。事实上，仅靠掩膜 发生器像素的减小和使用高性能的光学系统并不 能保证获得更高的加工分辨率。在使用面投影微 立体光刻技术进行微 器件制造时 ，很 少研究者注 意到加工过程中使用的光敏材料的化学响应对最 后的加工横向分辨率的影响。文献[15-17]中提出 光敏树脂的化学响应将影响最终的加工分辨率， 对于相同的树脂 ，固化厚度不同时，最终加工横 向 分辨率也可能不同，为了获得较高的加工分辨率， 就要考虑每次曝光加工的单层厚度。 本文讨论了本实验室开发的基 于 DMD的动 态掩膜面投影微立体光刻系统的横向分辨率，推 导出系统的临界调制传递 函数 与光敏树脂 固化厚 度的关系，分析了树脂的特性对于系统加工分辨 率的影响。根据投影镜头的光学分辨率与实验中 使用的纳米复合材料的特性，确定了该系统的最 高加工分辨率可以达到 14“m。 1 面投影微立体光刻系统 实验中使用的微立体光刻系统如图 1所示，由 光源 LED模组 ，动态掩膜发 生器 DMDTM，尺 寸 13．68 Fm×13．68 m，投影镜头放大倍率为1：1、 树脂槽和树脂涂覆系统、直线驱动器和系统控制 软件(基于 LABVIEW 开发的加工系统的控制软 件)组成 。 DMD 直线 驱动 器 图 1 微立体光刻系统示意图 Fig．1 Scheme of microstereolithography system 实验使用纳米颗粒和光敏树脂的复合材料 作为固化物，随着树脂中掺入氧化硅颗粒质量的 增加，复合物粘度不断增加，当掺入氧化硅的质 量比达到 20 时，复合物的粘度达到 322 Pa·S。 在加工过程 ，进行新树脂层涂覆时，粘度如此大 的复合物不可能靠 自身的重力作用使得树脂表 面达到平整，在实验中，我们将加工树脂和待加 工的树脂分别放在 2个树脂槽中(见图 1)。加工 之前，先将 曲线驱动器位置初始化，左面与直线 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 ，右面与直线驱动杆相 连的衬底 到树脂槽上表面的距离较大。在 2个树脂槽中分 别加入树脂，DMD整形后的图形经投影镜头会聚 投影到左面树脂槽中树脂表面，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 动器的运动以及刮刀的运动都是由计算机控制， 自动化完成。 应用光学 2011，32(5) 周庚侠，等：大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻系统的分辨率研究 ·869 · 2 树 脂 特性 对 光刻 系统分 辨率 的 影响 微立体光刻系统的加工横向分辨率不仅与投 影镜头的光学分辨率有关，而且与树脂的特性有 关 ]。使用更小像素尺寸的动态掩膜发生器以及 使用更大倍数的投影镜头可以产生更小像素尺寸 的掩膜图形，但这些并不能保证光刻系统一定能 获得更高的加工分辨率，因为树脂的化学响应即 树脂的特性也将对加工分辨率产生影响。下面分 析树脂的化学响应对加工分辨率的影响。 在微立体光刻技术 中，光敏树脂固化的厚度 由曝光区域的曝光能量密度决定。光敏树脂对紫 外光的吸收遵循 Beer—Lambert定律，即紫外光的 光强密度 J随透射深度的增加呈指数衰减口 ： z) 0eXp 麦) 式 中：J。为树脂表 面的光强密度 ；J( )为离树脂液 面为深度 Z处的光强密度；D 为光在树脂中的透 射深 度。光强密度低 于临界值 时树 脂将不能 固化 。 当树脂固化深度为 C 时 ，需要的光能量 一 ，。t，E 是树脂固化的曝光量阈值，树脂固化深度 可 以表示_1 为 Cd ln(番) (2) 式中：树脂的曝光阈值 以及光在树脂中的透射 深度 D 是树脂的2个重要特性值，可以表征树脂 的化学响应。 在微立体光刻系统的分辨率测试中，经常使 用黑白相间的光栅作为掩膜图形。在线性空间不 变的系统中，任何一个透镜或者透镜组可有效地 看作一个空间滤波器。在频域，根据傅里叶变换， 光栅可以看成不同频率谱线的总和。在掩膜图形 通过镜头投影在像平面时，图形的对比度将降低， 如图 2所示 ，可以看出黑白相间的图形经过投影镜 头成像后 ，原来光强完全为 0的位置 ，光强 已经不 为 0，也就是说图像经过投影镜头成像后，对比度 下降了。透镜或者透镜组从物面到像面传递图像 对比度的能力即透镜或者透镜组的分辨率用调制 传递函数(MTF)来表示。这样的图像投影到树脂 表面，树脂表面 曝光量 超过树脂 的曝光量 阈值 的 地方，树脂将发生固化，其他地方树脂不固化。从 图2中可以看出，像平面上图像的光强分布对应树 脂表面曝光量的分布，树脂表面最大曝光量 · t就是树脂固化深度为D 时的曝光量E。，当最小 曝光量 J i ·t小于树脂的曝光阈值 E 时，固化的 光栅图形的线条是分开的，当最小曝光量 J⋯ ·t 大于树脂的曝光阈值 E 时 ，固化的光栅 图形 的线 条无法分开。也就是说，树脂的特性也将影响系 统加工的横向分辨率。 梧 嘿 窖 喧 像平面上的位置(任意单兀 ) 图 2 投影透镜输入及输出图像光强分布 Fig．2 Input and output image intensity distributions of projection lens 只有当镜头的 MTF值大于镜头的临界 MTF 值时，才能获得对应的加工横向分辨率。镜头的 临界 MTF值，也称为 CMTF值，被定义为 ] CMTF(D)一掣 (3) 10了+ 1 式中 y是树脂的对比度 ，满足 ： y一[ g( )]～ ㈩ 由(2)式 、(3)式和(4)式可以得到 ： exp( )一 1 CMTF(Cd)一 —— 一 (5) exp( + 1) 从(5)式可 以看出，在 固化深度 C 一定时，临界传 递函数 CMTF的值随着透视深度 D 的增大而减 小，树脂的特性对加工分辨率有影响；在透射深度 D 一定时，临界传递函数 CMTF的值随着固化厚 度的增加而增大 ，也就是说 ，当光敏树脂 固化厚度 超过一定值时，镜头的 MTF值小于镜头的临界 MTF值，系统的加工横向分辨率将降低。 由上面的分析可以得到这样的结论：在使用 一 定像素尺寸的动态掩膜发生器和一定放大倍率 的投影透镜时，要想获得对应的横向加工分辨率， 单层固化厚度不能超过临界值，单层固化厚度就 是分层厚度 由临界传递 函数 CMTF大于镜头 MTF这一关系式确定 。 · 870 · 应用光学 2011，32(5) 周庚侠，等：大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻系统的分辨率研究 3 实验结果与分析 3．1 投影透镜的 MTF曲线 图 1中所使用 DMD的像素为 13．68 iTI× 13．68 m，所使用投影镜头放大倍率为 1：1。通 过测量得到系统中使用的投影镜头的分辨率，即 MTF曲线如图 3所示。实验中使用的DMD所产 生光栅图形的最高空间频率为 37 lp／mm时，即光 栅线条宽为 1个像素，间隔为 1个像素时，由图 3 可知，此时光学镜头的MTF值为 0．48。根据实验 中使用的DMD像素尺寸以及投影镜头的放大倍 率，像平面上产生的掩模图形的最小尺寸为 13．68 m×13．68 m，若要使得横向分辨率加工达到 13．68 m，树脂的 CMTF值必须小于 0．48。 呈 眚 i ＼ 送 圈 图 3 投影透镜 MTF曲线 Fig．3 MTF curve of projection lens 148．4l3 16 403．428 79 曝光量 自然对数lnE／mJ·cm 图 4 树 脂的工作曲线 Fig．4 Working curve of resin 3．2 树脂的工作 曲线 实验测量树脂的工作曲线如图4所示，可以看 出 与 ln E成线性关系，结果与 Beer-Lambert定 律相符合。用最小二乘法拟合得到直线的斜率以及 与横坐标的交点 ，从而得到：1)没有光吸收剂时 ，透 射深度 Dp一59．2，曝光阈值 一86．5 mJ／era 。 2)有添加光吸收剂时，透射深度 Dp一13．9 m，曝 光阈值 Ec----88．2 mJ／cm2。从图 4中可以清楚地看 出，在加入光吸收剂后，透射深度由59．2 m降低到 13．9 m，变化很大；而曝光量阈值由86．5 mJ／cm2 增加到 88．2 mJ／cm ，变化较小。 3．3 结果与讨论 根据(5)式以及所测量出的树脂在加人以及 不加入光吸收剂时的透射深度值，绘制出树脂固 化深度 与镜头临界调制传递函数 CMTF的关 系图 ，如图 5所示 。 固化深度C ／ m 图 5 CMTF与树脂固化深度 C 的关系 Fig．5 Relation between CM TF and curing depth of resin 从图 5可以看出 ，随着固化 深度的增加 ，无论 是否加入光吸收剂，树脂的 CMTF值都不断增大。 对于没有加入光吸收剂的树脂，当单层固化深度 小于 60 m时，树脂的 CMTF值小于 0．48；当单 层固化深度大于 60 m时，树脂的 CMTF值大于 0．48。即在使用自行制备的无光吸收剂的树脂作 为固化材料时，要使得实验中使用的光刻系统加 工横向分辨率达到 14 m，单层固化厚度就不能超 过 60 btm。当使用 自行制备的加入光吸收剂的树 脂作为固化材料时，若树脂固化深度大于 14 m， 则树脂的 CMTF值大于 0．48。也就是说，在使用 加入光吸收剂的树脂作为固化材料时，单层加工 厚度必须小于 14 m，实验中使用的微立体光刻系 统的加工横向分辨率可以达到 14 m。从以上的 分析可以看出，加入光吸收剂后，对加工时的分层 厚度有影响。 从图5还可以看出，树脂固化深度相同时，加 入光吸收剂树脂的CMTF值大于没有加入光吸收 剂树脂的CMTF值，说明加入光吸收剂并不能提 高微立体光刻系统的横向分辨率。 4 结论 为了加工制作粘度大的复合材料，采用新设 应用光学 2011，32(5) 周庚侠 ，等：大粘度复合纳米材料面投影微立体光刻系统的分辨率研究 ·871 · 计的树脂槽和涂覆系统。分析了树脂的特性对微 立体光刻系统加工横向分辨率的影响。在一定的 光学分辨率下，单层固化厚度增加超过临界厚度 将降低加工横向分辨率。采用自行制备的复合材 料作为固化材料时，使用没有添加吸收剂的复合 材料，单层固化厚度小于 60 Fm时，系统的分辨率 为 14 m；使用添加质量比0．1 的光吸收剂时，单 层固化厚度小于 14 Fm时，系统的分辨率为 14 Fm。 也就是说，两种复合材料的临界厚度分别为 60 Fm 与 14 1TI。微立体光刻系统要获得理想的加工横 向分辨率，必须选择适当的单层加工厚度。 参考文献 [1] C23 [3] E43 I-5] [6] HA Y M ，CHOI J W ，LEE S H．Mass production of 3一D microstructures using projection microstereo lithography I-J]．Journal of Mechanical Science and Technology，2008，22(2)：514—521． 陆锦洪，谢向生，张培晴，等．基于数字微镜器件亚 微米制备技术研究[J]．光子学报，2010，39(4)： 60卜604． LU Jin-hong。XIE Xiang-sheng，ZHAN Pei—qing，et a1． Submicro-sized optical fabrication with DMD based li～ thography[J]．Acta Photonica Sinica，2010，39(4)： 601—604．(in Chinese with an English abstract) 胥光申，马训鸣，罗声 ，等．基于数字微反射镜器件 的快速成形系统EJ]．中国激光，2010，37(7)：1892— 1897． XU Guang—shen，MA Xun—ming，LUO Sheng，et a1． Novel stere0lithography system employing digital mi— cro—mirror device[J]．Chinese Journal of Lasers， 2010，37(7)：1892—1897．(in Chinese with an Eng— lish abstract) 于成龙 ，王秀峰，江红涛，等．微立体光刻技术研究 及应用EJ]．激光 与光 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