基于数字微镜芯片的无模光刻微加工技术研究

摘要

微加工技术是当今一种最基本的现代科学技术。它源自半导体加工工艺，多用于硅基材料，且多为二维平面结构，基于传统光刻技术。而微加工则是最主要也是最成功的技术，传统光刻技术在半导体工业中发挥了极其重要的作用。但对于生物，化学，医药这些非半导体领域，传统光刻技术用的较少。和传统光刻技术相比，软光刻技术作为另一种微加工技术从二十世纪九十年代兴起，具有更加广阔的应用领域。软光刻技术作为一种微图形复制技术，像印章一样将微模型复制到任何表面上。
　　数字微镜器件（Digital micro-mirror device，DMD）是一种重要的投影设备。它是一种铝制微镜片阵列。其中的每一个微镜片根据载入的信号都能被切换到相对于平衡状态+12°或-12°的位置上。对于垂直于DMD芯片位置上的光路来讲，两种不同角度分别对应于“开”和“关”两种状态。因此微镜片可看成是在某一特殊角度的光开关。改变光开关的占空比也就能改变出射光的强度。因此，DMD芯片可作为二进制振幅空间光调制器，是本课题构建平台进行试验的核心和关键部件。
　　微流控生物芯片通过对物理、化学、生物医学和微加工等多学科的交叉，实现从生物、化学和医药领域的试样处理到检测的微型化、自动化、集成化与便携化。微流控芯片能对微量稀有样品进行快速、高效、精确的操控和检测，具有高精度、低成本、高便携性等优点。其对化学、生物、医药等领域的发展具有巨大影响，是连接多学科多领域的桥梁，具有重要的研究价值，是本课题的试图实现的应用目标。
　　光源和掩模作为光刻技术中进行图形转移的关键元素，决定着微加工产品的质量和成本。针对这些因素，本文基于数字微镜芯片探研了光束整形技术和无掩模光刻技术。为改善光刻光源质量，消除光刻对掩模的依赖提供了新的方法。并将该方法成功应用于微流控芯片的母模制备中。同时还对DMD的衍射效应进行了建模和仿真分析，并基于衍射效应成功地探求到一种加工微透镜的有效实验方法。
　　第二章节介绍了利用数字微镜芯片的二进制振幅调节机制，建立了激光束整形系统。通过对激光束的光强进行二进制振幅调制进而调节激光的光空间(lightspatially)实现对激光束的整形。通过向DMD芯片中载入整形图样，灵活地使激光光束的光强进行再分布，进而产生多种具有不同光强分布的激光束。本文中利用DMD芯片，成功地将一束高斯光束整形为一束超高斯激光。这将对光刻系统中光源的优化，具有重要的意义。文中还利用显卡实现了DMD芯片的伽马曲线矫正，简约了光束整形，提高了整形的精度。
　　第三章节介绍了基于数字微镜的无掩模光刻技术。基于DMD的成像和空间调制机制，研究了利用数字微镜生成虚拟光刻掩模，取代传统光刻曝光系统中的实体物理掩模。因为这种由DMD生成的掩模是数字化的，所以这种虚拟掩模技术为掩模的生成、控制和修改提供了一种快速、便捷、廉价、精确和灵活的解决方案。同时由于DMD能够有效地对激光光强进行二进制振幅调制，通过改变光开关的占空比就能够很好地控制光刻胶曝光所用的紫外光的强度，进而精确地控制光刻胶的固化行为。本课题还研究了DMD的衍射效应，建立了DMD衍射模型并对其进行了模拟仿真。同时基于DMD衍射效应，结合阿贝成像原理和空间滤波技术提出了一种制作微透镜阵列的全新方法。
　　第四章节介绍了微流体的相关物理机制探究。为本实验组在微流控芯片领域的相关研究和应用做了进一步的前期铺垫。
　　最后是对本人研究生期间的工作做的总结和展望。