飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法

摘要

飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，属于3D微纳加工技术领域，包括复合加工系统搭建，加工前标记制作，映射关系建立，待加工工件的数据拆分，以及精密加工过程中的横向对准和纵向对准。本发明将飞秒激光直写技术所具有的高分辨率和卓越的设计灵活性特性与DMD无掩模光刻技术所具有的快速连续制造特性完美结合，取长补短，获得了高效高精度的加工效果。

说明书

技术领域

本发明属于3D微纳加工技术领域，特别是涉及到飞秒激光直写和DMD无掩模光刻两种加工技术相结合。

背景技术

3D打印技术使新的、前所未有的工程和生产可能性成为可能，在21世纪将产生巨大的影响。在微纳领域，面积大且局部高精度结构的需求越来越多。例如超疏水结构、生物支架、微光学元件、微机械组件或嵌入微过滤器的微流控芯片都是典型的应用实例。目前的制造技术在高效率的制造这类三维、多尺寸结构方面的能力仍然有限。

飞秒激光直写技术由于其可编程设计性、真实三维处理能力和高空间分辨率(低于100nm)等优势，被发展成为一种极具发展前景的三维微/纳米结构制备方法。然而，由于飞秒激光直写技术的逐点扫描的加工方式，其处理效率较低，通常使这种方法不适用于打印厘米尺度的大尺寸结构。为了提高加工效率，人们开发了多种方法，如多光束干涉、衍射光学元件和空间光调制技术。然而，对于复杂的微纳结构制作，这些技术并不成熟(如无法制作或结构过于粗糙)。

另外一种3D加工技术—基于数字微镜器件(DMD)的无掩模光刻在多个领域也有广泛的应用，如微流控器件、组织工程、增材制造、显微光学制造等。与飞秒激光直写技术不同的是，DMD无掩模光刻技术的特点是效率高但分辨率低。 DMD无掩模光刻技术通过一次曝光可以完成一层的制作，这样通过逐层地曝光可实现准三维的制备。然而，由于每层的投影图形是由微米级的像素点组成，制备的结构表面粗糙度和精度低，制备亚微米结构存在一定的困难。

综上所述现有技术当中亟需要一种技术来解决这些问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，将飞秒激光直写技术所具有的高分辨率和卓越的设计灵活性特性与 DMD无掩模光刻技术所具有的快速连续制造特性完美结合，取长补短，获得了高效高精度的加工效果。

飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、搭建复合加工系统

搭建DMD无掩膜光刻系统，包括光源系统Ⅰ、光路传输系统Ⅰ、DMD芯片、三维精密移动系统Ⅰ、CCD实时监测系统Ⅰ以及软件控制系统Ⅰ；搭建飞秒激光直写系统，包括光源系统Ⅱ、光路传输系统Ⅱ、三维精密移动系统Ⅱ、CCD实时监测系统Ⅱ以及软件控制系统Ⅱ，DMD无掩膜光刻系统与飞秒激光直写系统之间通过传输装置连接；

步骤二、标记制作

将基片置于DMD无掩模光刻系统中曝光遮挡物，镀500nm厚铬膜，置于丙酮溶液去除遮挡物，形成标记；

步骤三、映射关系建立

建立DMD无掩膜光刻系统CCD与DMD芯片的映射关系，以及建立飞秒激光直写系统CCD像素与光斑位移的映射关系；

步骤四、待加工结构数据拆分

按照加工精度、效率最大化、对准难度最小化将待加工结构拆分成DMD无掩模光刻部分和飞秒激光直写加工部分；

步骤五、结构加工

利用步骤二图像处理识别标记位置，再通过步骤三映射关系得出对应DMD 掩模图，实现第一次对准，通过图像处理将飞秒激光光斑与圆形标记中心进行第二次对准，进行复合加工。

所述步骤一中DMD无掩膜光刻系统的光源系统Ⅰ采用375nm紫外光源；DMD 芯片采用1024×768个微镜组成，单个微镜尺寸为13.68μm*13.68μm；飞秒激光直写系统的光源系统Ⅱ采用中心波长780nm，重复频率80MHz，脉宽120fs 的泵浦固体激光器。

所述步骤二的标记制作包括四个部分，分别为

玻璃基底准备，将玻璃基底依次在丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗15min，之后用去离子水冲洗干净，用气枪吹干；在洁净的基片表面旋涂3微米后S1813 正性光刻胶，90℃前烘1分钟，置于防潮箱中备用；

遮挡物制作，利用DMD无掩模光刻技术在玻璃基底上对S1813正性光刻胶曝光，制作圆柱作为遮挡物；

镀膜，利用磁控溅射方法在其表面创建高度不透明的铬金属层；

丙酮处理，将镀好膜的基底浸泡在丙酮溶液中，超声清洗10min，去除圆柱遮挡结构，形成圆形标记。

所述步骤三中DMD无掩模光刻系统CCD与DMD的映射关系建立，通过DMD 加载已知坐标的点阵掩模图，投影在CCD视场中，提取CCD图形像素信息，通过Matlab软件将提取的信息与原掩模图建立位置和像素间的映射关系；

飞秒激光直写系统CCD像素与光斑位移的映射关系建立，飞秒激光直写系统在光路中放入衰减片，打开光闸，激光光斑投影在CCD视场中；Matlab软件提取光斑中心在CCD中的图形信息(x

所述步骤五结构加工的两次对准包括纵向两次对准和横向两次对准，

纵向两次对准的条件为，第一次DMD无掩模光刻系统对准，光源掺入1.1％质量比的紫外吸收剂，减小DMD无掩模光刻曝光深度，提高纵向分辨率；第二次飞秒激光直写对准采用在光路中临时置入调焦光源和分辨率板的图像调焦技术，通过调节加工物镜高度，通过条纹清晰可分辨的成像状态间接反映激光聚焦状态；

横向两次对准的条件为，通过实时图像处理将加工位置调至与参照物相对应位置，将带有圆形标记的基片置于DMD无掩模光刻系统CCD视场中，利用自制的图像处理程序提取CCD识别的圆心(x,y)，通过预先得出的映射关系计算出 DMD映射掩模图圆心坐标(x

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：飞秒激光直写与DMD 无掩模光刻复合加工方法，将飞秒激光直写技术所具有的高分辨率和卓越的设计灵活性特性与DMD无掩模光刻技术所具有的快速连续制造特性完美结合，取长补短，获得了高效高精度的加工效果。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法系统示意图。

图2为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法标记制作过程示意图。

图3为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法映射关系建立示意图。

图4为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法数据拆分过程示意图。

图5为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法对准原则示意图。

图6为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法实施例打印非球面结构流程示意图。

图7为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法实施例打印带有滤网的微流控通道流程示意图。

图8为本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法实施例打印超疏水结构流程示意图。

具体实施方式

飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，首先需搭建复合加工系统，如图1所示，搭建DMD无掩膜光刻系统，包括光源系统Ⅰ、光路传输系统Ⅰ、 DMD芯片、三维精密移动系统Ⅰ、实时监测系统Ⅰ以及软件控制系统Ⅰ；对375nm 的紫外光源进行准直，均匀照射到DMD芯片上。DMD芯片由1024×768个微镜组成，单个微镜尺寸为13.68μm*13.68μm。整体的投影尺寸为1.4mm*1.05mm。基于用户定义的图像(掩模板)，DMD可以选择性地将微镜切换成打开或关闭状态，并创建一个光模式，从而选择性地将光敏预聚物交联到指定厚度的2D层。再通过能量叠加或压电上下移动，实现3D结构的加工。10倍油浸物镜(Olympus, NA＝1.30)投影的每个像素尺寸为1.368μm*1.368μm，对应就是制作的最小分辨率。搭建飞秒激光直写系统，包括光源系统Ⅱ、光路传输系统Ⅱ、三维精密移动系统Ⅱ、实时监测系统Ⅰ以及软件控制系统Ⅱ，光源为中心波长780nm，重复频率80MHz，脉宽120fs的泵浦固体激光器。采用40倍油浸物镜(Olympus, NA＝1.30)为聚焦镜头。飞秒激光在聚合物中形成单聚体，黑色虚框内(单体尺寸120nm)采用压电和振镜共同作用来实现三维结构加工。在水平方向，通过旋转振镜控制激光聚焦点移动。竖直方向由压电平台控制样品上下移动，精度为±2nm。这些保证了高精度双光子聚合微细加工。实验中所有3D结构使用的是一种具有高光学质量的负性光刻胶SU-82015，制作标记使用的是正性光刻胶S1813。DMD无掩膜光刻系统与飞秒激光直写系统之间通过传输装置连接。

加工前的准备工作，如图2所示，标记制作过程，1、玻璃基底准备：将玻璃基底依次在丙酮和无水乙醇溶液中超声清洗15min，之后用去离子水冲洗干净，用气枪吹干；在洁净的基片表面旋涂3微米后S1813正性光刻胶，90℃前烘1分钟，置于防潮箱中备用。2、遮挡物制作：利用DMD无掩模光刻技术在玻璃基底上对S1813正性光刻胶曝光，制作圆柱作为遮挡物。3、镀膜：利用磁控溅射方法在其表面创建高度不透明的铬金属层。4、丙酮处理：将镀好膜的基底浸泡在丙酮溶液中，超声清洗10min，去除圆柱遮挡结构，形成圆形标记。

映射关系建立，如图3所示，

1、DMD无掩模光刻系统CCD与DMD的映射关系建立：DMD加载已知坐标的点阵掩模图，投影在CCD视场中，提取CCD图形像素信息。通过Matlab将提取的信息与原掩模图建立位置和像素间的映射关系。采用最小二乘拟合法分别建立x

x

y

其中a

2、飞秒激光系统CCD像素与光斑位移的映射关系建立：飞秒系统在光路中放入衰减片，打开光闸，激光光斑投影在CCD视场中。Matlab提取光斑中心在 CCD中的图形信息(x

数据结构拆分，如图4所示，为了降低对准难度，最大程度发挥DMD无掩模光刻的高效率加工和飞秒激光直写的高精度加工，合理的结构拆分是至关重要的。结构拆分要满足三个原则，确保加工精度、效率最大限度提高、对准难度小且重复性好。这里展示了三种结构的拆分原理。如图4a，表面分辨率高，内部不需要高的分辨率。表层太薄加工难度大，并且会降低表面质量。若表层太厚则会牺牲加工效率。我们采用如图4a下的拆分原则，拆成内外两部分。纵向上分辨率确定的情况下，Fs的调焦误差会影响结构纵向位置。由于调焦误差的存在，为了确保内外连续性，设计了表层和内部小部分重叠，重叠厚度Δd

加工过程中两项对准原则，如图5所示，

纵向对准以玻璃基片为基准，两次加工从同一高度开始加工。

具体步骤为：如图5a，纵向对准原理图，第一点，DMD无掩模光刻曝光厚度必须满足设计高度，第二点，两系统调焦是否精准直接影响底座和边框以及网的实际高度。针对以上两个问题，我们做了能量和高度关系探究，以及图案调焦方法。由于本实验选用的SU-8负性光刻胶对375nm的UV光有很高的透过率，这导致了较小的激光能量既可产生较厚的曝光深度，大大降低了加工分辨率。为此，在SU-8中添加紫外吸收剂。通过比较不同质量比的h-ln(t)关系得出吸收剂质量为1.1％，曝光剂量为50mJ/cm

横向对准要以同一中心为基准，两次加工保证在同一位置。

具体步骤为：为实现横向对准需要做到两点，一是选取同一个参照物，二是通过实时图像处理将加工位置调至与参照物相对应位置。将带有圆形标记的基片置于DMD无掩模光刻系统CCD视场中。利用自制的图像处理程序提取CCD 识别的圆心(x,y)。通过预先得出的映射关系计算出DMD映射掩模图圆心坐标 (x

采用本发明飞秒激光直写与DMD无掩模光刻复合加工方法，进行元件加工的具体步骤如下，

(1)基片准备：清洗玻璃基片，旋涂S1813光刻胶，前烘。

(2)标记制作：将基片置于DMD无掩模光刻系统中曝光遮挡物，镀500nm厚铬膜，镀好膜后置于丙酮溶液去除遮挡物，形成标记。

(3)数据拆分：结构以部分高精度、最大限度提高效率、对准难度小三个原则将加工结构拆分成DMD无掩模光刻部分和飞秒激光直写加工部分。

(4)映射关系：建立CCD像素与DMD以及飞秒光斑移动位移的关系。

(5)光刻胶掺吸收剂：掺入1.1％质量比的紫外吸收剂，减小DMD无掩模光刻曝光深度，提高纵向分辨率。

(6)DMD无掩模光刻对准：利用图像处理识别标记位置，再通过映射关系得出对应DMD掩模图，实现第一次对准。

(7)飞秒激光直写对准：通过图像处理将飞秒激光光斑与圆形标记中心进行第二次对准。

(8)后烘：复合加工制作好的结构置于95℃热板后烘30min。

(9)显影：将水分平衡后的通心面精选后计量。

实施例1、

DMD可以快速的制备任意周期排布的支撑结构，但很难在各个支撑结构中间或顶端制作悬空结构。复合加工技术可以利用飞秒激光技术的任意三维制造能力来解决这一困难。这里展示一种超疏水结构的制作，利用DMD快速曝光方形阵列结构，高度20μm，整体尺寸290μm*290μm，曝光时间30s。飞秒加工在方形台顶层加工3μm宽的微柱精细结构，加工时间15min。复合加工总时间 15.5min。图8a为结构的拆分结果，重复层主要体现在纵向。图8b为DMD加载的掩模图。图8c介绍了加工步骤。第一步使用DMD系统曝光底部方形台支撑结构。第二步使用飞秒激光直写打印表层微柱阵列，获得的结果如图8d所示。

实施例2

利用复合加工打印非球面透镜，非球面透镜面精度要求高，内部填充不需要高精度。这里将其拆分为三部分如图6a，壳层、内部台阶和重复层。由于非球面透镜结构表层应为等厚结构，所以重复层Δd厚度＝5.25μm，表层厚度 d＝10.5μm。图6c说明了加工顺序，以圆形标记为基准，通过横纵对准，第一步使用DMD加工透镜内部，动态掩模图如图6b，形成圆形台阶结构。叠加打印 2μm层厚，每一层曝光时间20s，一共14层。第二步使用飞秒激光直写打印表层结构。非球面透镜的半径为162μm，矢高为33μm。飞秒直写可以单独加工，但是需要时间为4h。而复合加工需要时间为1h，主要为飞秒加工表层的时间， DMD仅仅曝光5min。图6为理论模拟、飞秒激光直写直接加工和复合加工的透镜轮廓图。图6为测试结果展示，设计与实际成像相符。以上结果证明了复合加工技术的高精度和高效率。

实施例3

打印一个过滤微粒的微流控通道。结构由两部分组成，毫米量级的通道和微米量级的过滤网。图7a为结构的拆分结果，重复层主要体现在横向。图7b 为DMD加载的掩模图。图7c介绍了加工步骤。第一步使用DMD系统曝光外部1mm 长微通道结构，厚度为30μm。第二步使用飞秒打印通道内过滤网，网上孔的直径为7μm。总的加工时间只有10min，DMD曝光两分钟，飞秒曝光8分钟。利用复合加工，直接制备了带有过滤网的微流控通道，结果如7d、7e所示。