基于数字微镜器件的红外场景仿真系统设计.pdf
王佳荣+韩太林+冯驰
摘 要：数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）作为数字光处理技术（Digital Light Processing，DLP）的核心，可通过控制其反射微镜的偏转实现全数字化成像。基于DMD的数字光刻系统采用动态数字掩模的曝光方式，分辨率高、速度快、加工面积大，可用于制作复杂三维结构和表面浮雕结构。本文阐述了DMD的基本结构和工作原理，分析了其灰度调理机制和投影成像特性，介绍了基于DMD的数字光刻技术的两个重要研究方向：灰度光刻技术和微立体光刻技术，具体探讨了DMD在两种技术中的应用。
关键词：数字微镜器件（DMD） 数字光刻 灰度光刻 微立体光刻
中图分类号：TN305.7；TN249 文献标识码：A 文章编号：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
随着信息通讯、航天技术、精密仪器设备的快速发展，市场对高精度器件的需求量越来越大，光刻技术作为微器件加工的重要手段，不仅仅满足于光刻特征尺寸的减小，更朝着微工程学和快速原型制造技术方向发展。从传统的接触式曝光、接近式曝光，到新兴的投影式曝光，基于DMD的数字光刻技术正逐步取代传统光刻技术成为微加工领域的主要研究方向。本文将对此技术加以介绍，阐述其核心器件DMD的结构、原理、空间光调制方式，分析其灰度图像和彩色图像的成像原理，介绍灰度光刻技术和微立体光刻技术，并对其应用和发展前景进行探讨。
1 数字微镜器件（DMD）
DMD是德州仪器公司（Texas Instrument，TI）针对数字投影系统开发的一款空间光调制器件，采用微电子机械工艺（Micro Electromechanical System，MEMS）将微镜阵列和CMOS SRAM集成在一起，分辨率高、响应速度快，广泛应用于高清电视、微投影和激光光刻领域。
1.1 DMD基本结构和工作原理
目前主流的DMD芯片分别应用于红外光、可见光、紫外光波段，其内嵌上万块铝合金材质的微镜，每块微镜尺寸为13.68μm×13.68μm，按照1024×768（可扩展）方式排列，相邻微镜之间的间隔小于1μm[1]。其中，一个微镜表示一个像素点，阵列中微镜的数量决定投影图像的分辨率。
微镜可以对角线为轴向左、向右翻转，经TI后期改进，翻转角度由过去的±10°变为±12°，完善了成像质量。微镜的偏转对应着开和关两种状态，处于“开”态的微镜（偏转+12°）将入射光实时反射到成像区（一般为其垂直方向），处于“关”态的微镜（偏转-12°）将入射光反射到非成像区域（需对这部分反射光进行处理，防止造成杂散光干扰），通过控制微镜阵列中的每一块微镜在同一时间的开、关状态，结合其翻转频率（即镜片在“开”或“关”状态下锁定的时间），可完成目标图像的精細投影。
1.2 灰度图像的显示原理
每块微镜的开、关状态对应所表示像素点的白和黑，为了使DMD成像得到灰度图像，可利用二进制脉宽调制技术控制微镜在显示一幅图像时“开”态所占据的时间。以图1为例，若DMD用5位二进制信号调制，则二进制00000会控制微镜偏转到+12°（开态）约0.48ms的时间（15μs×25=0.48ms），人眼感受此成像点的亮度等级最高；11111会控制微镜偏转到﹣12°（关态），使此成像点为黑色，亮度等级最低，即DMD反射时间的长短决定了灰度等级。在00000与11111之间的30个二进制信号分别可表征一个灰度等级，则其最高能实现32（25=32）级灰度图像的显示[2]。
1.3 彩色图像的显示原理
在DLP投影系统中，单片或3片DMD配合色轮，可投影出彩色图像。以单片DMD为例，将待显示的彩色图像分解为RGB数据，再转换成二进制调制信号控制DMD翻转。色轮是以一定频率（与调制信号同步）旋转的红、绿、蓝滤色系统，当白光光源照射到色轮上时，能依次透射出红、绿、蓝光，透射出的单色光入射到DMD的微镜阵列，经反射后在屏幕处成像。由于DMD翻转频率高，人眼具有视觉暂留作用，可将三色叠加，看到彩色图像[2]。endprint
2 基于DMD的數字光刻技术
数字光刻技术，即基于空间光调制器件的技术。与传统光刻技术相比，其提高了精度、节省了掩模成本、避免了环境污染和浪费；与激光或电子束直写技术相比，其大幅度提高了效率。根据所使用空间光调制器件的不同，数字光刻技术分为基于LCD（Liquid Crystal Display）的数字光刻系统和基于DMD的数字光刻系统。后者作为光刻加工领域的研究热点主要有2个方向：灰度光刻技术和微立体光刻技术，2种技术均以DMD作为核心器件，采用不同的图像处理和控制方法，实现对特定目标的加工。
2.1 灰度光刻技术
灰度光刻技术，即利用二进制脉宽调制方法控制DMD中微镜翻转的角度和时间。其一次曝光相当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对准步骤[3]。若采用8位DMD芯片，则一帧频可投影出具有256（28=256）级灰度的图像，经曝光、显影、水洗等工序，完成复杂连续面形的加工。
在20世纪末，基于DMD的灰度光刻技术可实现50μm线条的加工[4]，随着微电子机械工艺的发展，21世纪初，改造后的灰度光刻系统可加工1.5μm宽的线条[5]。现如今，灰度光刻技术发展日趋成熟，已可加工1μm极细线条，其广泛应用于印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）、集成电路（Integrated Circuit，IC）和触控面板等多个微加工领域[6]，在迅速商用化、民用化的同时，也瞄准高端PCB加工[7]、球面IC制造[5]、光刻图像质量认定等前沿方向。
2.2 微立体光刻技术
微立体光刻技术主要用于复杂三维微结构的加工，分为线扫描微立体光刻技术和面投影微立体光刻技术。“面投影”是基于DMD的新型微细加工技术，其先将待制作器件的三维模型通过软件切片、分割，转换成一系列位图文件，再控制DMD根据其中一个位图文件生成相应的动态数字掩模，光透过掩模将图像投影到液态树脂表面，经光固化形成具有一定厚度的层面[8]。DMD一次投影形成一个层面，按顺序多次曝光，即可完成整个三维结构的制作。
20世纪末，利用该技术制作的三维结构分辨率为5μm[9]，经过近20年的发展，其加工的最小线宽为0.6μm，且能完成如微柱阵、微矩阵、微弹簧等极高深宽比的微器件的制作[10]。基于DMD的面投影微立体光刻技术精度高、可靠性好，已被率先应用于3D打印和三维结构精加工设备之中。
3 结语
以灰度光刻和微立体光刻为代表的基于DMD的数字光刻技术已将光刻加工扩展到了微结构制造领域，其所采用的核心器件DMD具有高分辨率、高响应速度、高对比度、高亮度、高光学效率等卓越优势，可应用于各种高精度加工场景。若在此基础上，在光刻系统中增加成像调理环节，可使DMD产生的投影按比例精确缩小，使其在加工精度和分辨率上进一步提升，有望应用于纳米级加工领域。
参考文献
[1] 陆亚聪.基于DMD高分辨率激光直写系统设计与实现 [D].苏州：苏州大学，2007.
[2] 邝健.基于DLP应用的光刻物镜设计与微型投影机光学系统研究[D].广州：广东工业大学，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] 中山新诺科技股份有限公司.激光动态成像技术[EB/OL].http：//m.aiscent.icoc.cc/.
[7] 合肥芯硕半导体有限公司.ATD-半导体激光直写光刻设备[EB/OL].http：//www.advantools.com.cn/soluteions/semiconductor-direct-write-lithography-series.html.
[8] 周庚侠.基于DMD动态掩膜微立体光刻系统的开发与研究[D].苏州：苏州大学，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
