基于數(shù)字微鏡器件的激光光刻技術(shù)

王佳榮+韓太林+馮馳

摘 要：數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）作為數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Processing，DLP）的核心，可通過控制其反射微鏡的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化成像?；贒MD的數(shù)字光刻系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)數(shù)字掩模的曝光方式，分辨率高、速度快、加工面積大，可用于制作復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和表面浮雕結(jié)構(gòu)。本文闡述了DMD的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了其灰度調(diào)理機(jī)制和投影成像特性，介紹了基于DMD的數(shù)字光刻技術(shù)的兩個(gè)重要研究方向：灰度光刻技術(shù)和微立體光刻技術(shù)，具體探討了DMD在兩種技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字微鏡器件（DMD） 數(shù)字光刻 灰度光刻 微立體光刻

中圖分類號(hào)：TN305.7；TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（b）-0060-03

Abstract：Digital micro-mirror device （DMD） is the core of the digital light processing technic. Controlling deflexion of micro-mirror can realize digital imaging. Digital photolithography based on DMD use dynamic digital mask exposure method， which can be applied to processing complex three-dimensional structure and surface relief structure. High resolution， fast speed and large processing area are the advantages of this technique. In this paper， the basic structure and working mode of DMD were introduced， the principle of gray-tone modulation and the imaging speciality of DMD were analyzed. Gray-tone photolithography and microstereolithography， especially the application of DMD in two kinds of technic， were discussed.

Key Words：Digital micro-mirror device（DMD）；Digital photolithography；Gray-tone photolithography；Microstereolithography

隨著信息通訊、航天技術(shù)、精密儀器設(shè)備的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高精度器件的需求量越來(lái)越大，光刻技術(shù)作為微器件加工的重要手段，不僅僅滿足于光刻特征尺寸的減小，更朝著微工程學(xué)和快速原型制造技術(shù)方向發(fā)展。從傳統(tǒng)的接觸式曝光、接近式曝光，到新興的投影式曝光，基于DMD的數(shù)字光刻技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)光刻技術(shù)成為微加工領(lǐng)域的主要研究方向。本文將對(duì)此技術(shù)加以介紹，闡述其核心器件DMD的結(jié)構(gòu)、原理、空間光調(diào)制方式，分析其灰度圖像和彩色圖像的成像原理，介紹灰度光刻技術(shù)和微立體光刻技術(shù)，并對(duì)其應(yīng)用和發(fā)展前景進(jìn)行探討。

1 數(shù)字微鏡器件（DMD）

DMD是德州儀器公司（Texas Instrument，TI）針對(duì)數(shù)字投影系統(tǒng)開發(fā)的一款空間光調(diào)制器件，采用微電子機(jī)械工藝（Micro Electromechanical System，MEMS）將微鏡陣列和CMOS SRAM集成在一起，分辨率高、響應(yīng)速度快，廣泛應(yīng)用于高清電視、微投影和激光光刻領(lǐng)域。

1.1 DMD基本結(jié)構(gòu)和工作原理

目前主流的DMD芯片分別應(yīng)用于紅外光、可見光、紫外光波段，其內(nèi)嵌上萬(wàn)塊鋁合金材質(zhì)的微鏡，每塊微鏡尺寸為13.68μm×13.68μm，按照1024×768（可擴(kuò)展）方式排列，相鄰微鏡之間的間隔小于1μm[1]。其中，一個(gè)微鏡表示一個(gè)像素點(diǎn)，陣列中微鏡的數(shù)量決定投影圖像的分辨率。

微鏡可以對(duì)角線為軸向左、向右翻轉(zhuǎn)，經(jīng)TI后期改進(jìn)，翻轉(zhuǎn)角度由過去的±10°變?yōu)椤?2°，完善了成像質(zhì)量。微鏡的偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)著開和關(guān)兩種狀態(tài)，處于“開”態(tài)的微鏡（偏轉(zhuǎn)+12°）將入射光實(shí)時(shí)反射到成像區(qū)（一般為其垂直方向），處于“關(guān)”態(tài)的微鏡（偏轉(zhuǎn)-12°）將入射光反射到非成像區(qū)域（需對(duì)這部分反射光進(jìn)行處理，防止造成雜散光干擾），通過控制微鏡陣列中的每一塊微鏡在同一時(shí)間的開、關(guān)狀態(tài)，結(jié)合其翻轉(zhuǎn)頻率（即鏡片在“開”或“關(guān)”狀態(tài)下鎖定的時(shí)間），可完成目標(biāo)圖像的精細(xì)投影。

1.2 灰度圖像的顯示原理

每塊微鏡的開、關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)所表示像素點(diǎn)的白和黑，為了使DMD成像得到灰度圖像，可利用二進(jìn)制脈寬調(diào)制技術(shù)控制微鏡在顯示一幅圖像時(shí)“開”態(tài)所占據(jù)的時(shí)間。以圖1為例，若DMD用5位二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制，則二進(jìn)制00000會(huì)控制微鏡偏轉(zhuǎn)到+12°（開態(tài)）約0.48ms的時(shí)間（15μs×25=0.48ms），人眼感受此成像點(diǎn)的亮度等級(jí)最高；11111會(huì)控制微鏡偏轉(zhuǎn)到﹣12°（關(guān)態(tài)），使此成像點(diǎn)為黑色，亮度等級(jí)最低，即DMD反射時(shí)間的長(zhǎng)短決定了灰度等級(jí)。在00000與11111之間的30個(gè)二進(jìn)制信號(hào)分別可表征一個(gè)灰度等級(jí)，則其最高能實(shí)現(xiàn)32（25=32）級(jí)灰度圖像的顯示[2]。

1.3 彩色圖像的顯示原理

在DLP投影系統(tǒng)中，單片或3片DMD配合色輪，可投影出彩色圖像。以單片DMD為例，將待顯示的彩色圖像分解為RGB數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)控制DMD翻轉(zhuǎn)。色輪是以一定頻率（與調(diào)制信號(hào)同步）旋轉(zhuǎn)的紅、綠、藍(lán)濾色系統(tǒng)，當(dāng)白光光源照射到色輪上時(shí)，能依次透射出紅、綠、藍(lán)光，透射出的單色光入射到DMD的微鏡陣列，經(jīng)反射后在屏幕處成像。由于DMD翻轉(zhuǎn)頻率高，人眼具有視覺暫留作用，可將三色疊加，看到彩色圖像[2]。endprint

2 基于DMD的數(shù)字光刻技術(shù)

數(shù)字光刻技術(shù)，即基于空間光調(diào)制器件的技術(shù)。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，其提高了精度、節(jié)省了掩模成本、避免了環(huán)境污染和浪費(fèi)；與激光或電子束直寫技術(shù)相比，其大幅度提高了效率。根據(jù)所使用空間光調(diào)制器件的不同，數(shù)字光刻技術(shù)分為基于LCD（Liquid Crystal Display）的數(shù)字光刻系統(tǒng)和基于DMD的數(shù)字光刻系統(tǒng)。后者作為光刻加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要有2個(gè)方向：灰度光刻技術(shù)和微立體光刻技術(shù)，2種技術(shù)均以DMD作為核心器件，采用不同的圖像處理和控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的加工。

2.1 灰度光刻技術(shù)

灰度光刻技術(shù)，即利用二進(jìn)制脈寬調(diào)制方法控制DMD中微鏡翻轉(zhuǎn)的角度和時(shí)間。其一次曝光相當(dāng)于二元套刻的多次曝光，提高了光刻效率，免除了二元套刻中的對(duì)準(zhǔn)步驟[3]。若采用8位DMD芯片，則一幀頻可投影出具有256（28=256）級(jí)灰度的圖像，經(jīng)曝光、顯影、水洗等工序，完成復(fù)雜連續(xù)面形的加工。

在20世紀(jì)末，基于DMD的灰度光刻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)50μm線條的加工[4]，隨著微電子機(jī)械工藝的發(fā)展，21世紀(jì)初，改造后的灰度光刻系統(tǒng)可加工1.5μm寬的線條[5]。現(xiàn)如今，灰度光刻技術(shù)發(fā)展日趨成熟，已可加工1μm極細(xì)線條，其廣泛應(yīng)用于印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）、集成電路（Integrated Circuit，IC）和觸控面板等多個(gè)微加工領(lǐng)域[6]，在迅速商用化、民用化的同時(shí)，也瞄準(zhǔn)高端PCB加工[7]、球面IC制造[5]、光刻圖像質(zhì)量認(rèn)定等前沿方向。

2.2 微立體光刻技術(shù)

微立體光刻技術(shù)主要用于復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的加工，分為線掃描微立體光刻技術(shù)和面投影微立體光刻技術(shù)?！懊嫱队啊笔腔贒MD的新型微細(xì)加工技術(shù)，其先將待制作器件的三維模型通過軟件切片、分割，轉(zhuǎn)換成一系列位圖文件，再控制DMD根據(jù)其中一個(gè)位圖文件生成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)字掩模，光透過掩模將圖像投影到液態(tài)樹脂表面，經(jīng)光固化形成具有一定厚度的層面[8]。DMD一次投影形成一個(gè)層面，按順序多次曝光，即可完成整個(gè)三維結(jié)構(gòu)的制作。

20世紀(jì)末，利用該技術(shù)制作的三維結(jié)構(gòu)分辨率為5μm[9]，經(jīng)過近20年的發(fā)展，其加工的最小線寬為0.6μm，且能完成如微柱陣、微矩陣、微彈簧等極高深寬比的微器件的制作[10]?；贒MD的面投影微立體光刻技術(shù)精度高、可靠性好，已被率先應(yīng)用于3D打印和三維結(jié)構(gòu)精加工設(shè)備之中。

3 結(jié)語(yǔ)

以灰度光刻和微立體光刻為代表的基于DMD的數(shù)字光刻技術(shù)已將光刻加工擴(kuò)展到了微結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，其所采用的核心器件DMD具有高分辨率、高響應(yīng)速度、高對(duì)比度、高亮度、高光學(xué)效率等卓越優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于各種高精度加工場(chǎng)景。若在此基礎(chǔ)上，在光刻系統(tǒng)中增加成像調(diào)理環(huán)節(jié)，可使DMD產(chǎn)生的投影按比例精確縮小，使其在加工精度和分辨率上進(jìn)一步提升，有望應(yīng)用于納米級(jí)加工領(lǐng)域。

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