基于數字微鏡器件的激光光刻技術

王佳榮+韓太林+馮馳

摘 要：數字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）作為數字光處理技術（Digital Light Processing，DLP）的核心，可通過控制其反射微鏡的偏轉實現全數字化成像。基于DMD的數字光刻系統采用動態數字掩模的曝光方式，分辨率高、速度快、加工面積大，可用于制作復雜三維結構和表面浮雕結構。本文闡述了DMD的基本結構和工作原理，分析了其灰度調理機制和投影成像特性，介紹了基于DMD的數字光刻技術的兩個重要研究方向：灰度光刻技術和微立體光刻技術，具體探討了DMD在兩種技術中的應用。

關鍵詞：數字微鏡器件（DMD） 數字光刻 灰度光刻 微立體光刻

中圖分類號：TN305.7；TN249 文獻標識碼：A 文章編號：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、精密儀器設備的快速發展，市場對高精度器件的需求量越來越大，光刻技術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，更朝著微工程學和快速原型制造技術方向發展。從傳統的接觸式曝光、接近式曝光，到新興的投影式曝光，基于DMD的數字光刻技術正逐步取代傳統光刻技術成為微加工領域的主要研究方向。本文將對此技術加以介紹，闡述其核心器件DMD的結構、原理、空間光調制方式，分析其灰度圖像和彩色圖像的成像原理，介紹灰度光刻技術和微立體光刻技術，并對其應用和發展前景進行探討。

1 數字微鏡器件（DMD）

DMD是德州儀器公司（Texas Instrument，TI）針對數字投影系統開發的一款空間光調制器件，采用微電子機械工藝（Micro Electromechanical System，MEMS）將微鏡陣列和CMOS SRAM集成在一起，分辨率高、響應速度快，廣泛應用于高清電視、微投影和激光光刻領域。

1.1 DMD基本結構和工作原理

目前主流的DMD芯片分別應用于紅外光、可見光、紫外光波段，其內嵌上萬塊鋁合金材質的微鏡，每塊微鏡尺寸為13.68μm×13.68μm，按照1024×768（可擴展）方式排列，相鄰微鏡之間的間隔小于1μm[1]。其中，一個微鏡表示一個像素點，陣列中微鏡的數量決定投影圖像的分辨率。

微鏡可以對角線為軸向左、向右翻轉，經TI后期改進，翻轉角度由過去的±10°變為±12°，完善了成像質量。微鏡的偏轉對應著開和關兩種狀態，處于“開”態的微鏡（偏轉+12°）將入射光實時反射到成像區（一般為其垂直方向），處于“關”態的微鏡（偏轉-12°）將入射光反射到非成像區域（需對這部分反射光進行處理，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間的開、關狀態，結合其翻轉頻率（即鏡片在“開”或“關”狀態下鎖定的時間），可完成目標圖像的精細投影。

1.2 灰度圖像的顯示原理

每塊微鏡的開、關狀態對應所表示像素點的白和黑，為了使DMD成像得到灰度圖像，可利用二進制脈寬調制技術控制微鏡在顯示一幅圖像時“開”態所占據的時間。以圖1為例，若DMD用5位二進制信號調制，則二進制00000會控制微鏡偏轉到+12°（開態）約0.48ms的時間（15μs×25=0.48ms），人眼感受此成像點的亮度等級最高；11111會控制微鏡偏轉到﹣12°（關態），使此成像點為黑色，亮度等級最低，即DMD反射時間的長短決定了灰度等級。在00000與11111之間的30個二進制信號分別可表征一個灰度等級，則其最高能實現32（25=32）級灰度圖像的顯示[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數據，再轉換成二進制調制信號控制DMD翻轉。色輪是以一定頻率（與調制信號同步）旋轉的紅、綠、藍濾色系統，當白光光源照射到色輪上時，能依次透射出紅、綠、藍光，透射出的單色光入射到DMD的微鏡陣列，經反射后在屏幕處成像。由于DMD翻轉頻率高，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的數字光刻技術

數字光刻技術，即基于空間光調制器件的技術。與傳統光刻技術相比，其提高了精度、節省了掩模成本、避免了環境污染和浪費；與激光或電子束直寫技術相比，其大幅度提高了效率。根據所使用空間光調制器件的不同，數字光刻技術分為基于LCD（Liquid Crystal Display）的數字光刻系統和基于DMD的數字光刻系統。后者作為光刻加工領域的研究熱點主要有2個方向：灰度光刻技術和微立體光刻技術，2種技術均以DMD作為核心器件，采用不同的圖像處理和控制方法，實現對特定目標的加工。

2.1 灰度光刻技術

灰度光刻技術，即利用二進制脈寬調制方法控制DMD中微鏡翻轉的角度和時間。其一次曝光相當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準步驟[3]。若采用8位DMD芯片，則一幀頻可投影出具有256（28=256）級灰度的圖像，經曝光、顯影、水洗等工序，完成復雜連續面形的加工。

在20世紀末，基于DMD的灰度光刻技術可實現50μm線條的加工[4]，隨著微電子機械工藝的發展，21世紀初，改造后的灰度光刻系統可加工1.5μm寬的線條[5]。現如今，灰度光刻技術發展日趨成熟，已可加工1μm極細線條，其廣泛應用于印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）、集成電路（Integrated Circuit，IC）和觸控面板等多個微加工領域[6]，在迅速商用化、民用化的同時，也瞄準高端PCB加工[7]、球面IC制造[5]、光刻圖像質量認定等前沿方向。

2.2 微立體光刻技術

微立體光刻技術主要用于復雜三維微結構的加工，分為線掃描微立體光刻技術和面投影微立體光刻技術。“面投影”是基于DMD的新型微細加工技術，其先將待制作器件的三維模型通過軟件切片、分割，轉換成一系列位圖文件，再控制DMD根據其中一個位圖文件生成相應的動態數字掩模，光透過掩模將圖像投影到液態樹脂表面，經光固化形成具有一定厚度的層面[8]。DMD一次投影形成一個層面，按順序多次曝光，即可完成整個三維結構的制作。

20世紀末，利用該技術制作的三維結構分辨率為5μm[9]，經過近20年的發展，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]。基于DMD的面投影微立體光刻技術精度高、可靠性好，已被率先應用于3D打印和三維結構精加工設備之中。

3 結語

以灰度光刻和微立體光刻為代表的基于DMD的數字光刻技術已將光刻加工擴展到了微結構制造領域，其所采用的核心器件DMD具有高分辨率、高響應速度、高對比度、高亮度、高光學效率等卓越優勢，可應用于各種高精度加工場景。若在此基礎上，在光刻系統中增加成像調理環節，可使DMD產生的投影按比例精確縮小，使其在加工精度和分辨率上進一步提升，有望應用于納米級加工領域。

參考文獻

[1] 陸亞聰.基于DMD高分辨率激光直寫系統設計與實現 [D].蘇州：蘇州大學，2007.

[2] 鄺健.基于DLP應用的光刻物鏡設計與微型投影機光學系統研究[D].廣州：廣東工業大學，2016.

[3] U.Ljungblad.High-end mask manufacturing using spatial light modulators[J].Solid State Technology，2005，48（4）：8-10.

[4] K.Takahashi，J.Setoyama.An UV-exposure system using DMD[J].Journal of Information Communication Engineering，1999，82（3）：92-94.

[5] Kin Foong Chan，Zhiqiang Feng，Ren Yang， et al.High-resolution maskless lithography[J]. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers，2003，2（4）：331-339.

[6] 中山新諾科技股份有限公司.激光動態成像技術[EB/OL].http：//m.aiscent.icoc.cc/.

[7] 合肥芯碩半導體有限公司.ATD-半導體激光直寫光刻設備[EB/OL].http：//www.advantools.com.cn/soluteions/semiconductor-direct-write-lithography-series.html.

[8] 周庚俠.基于DMD動態掩膜微立體光刻系統的開發與研究[D].蘇州：蘇州大學，2011.

[9] A.Bertsch，H.Lorenz，P.Renaud.3D microfabrication by combing microstereolithography and thick resist UV lithography[J].Sensors and Actuators A，1999（73）：14-23.

[10] C.Sun，N.Fang，D.M.Wu.Projection microstereolithography using digital micromirror dynamic mask[J].Sensors and Actuators A，2005，121（1）：113-120.endprint