光罩式微快速原型系統研發與製作3Ｄ微結構之應用(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

光罩式微快速原型系統研發與製作 3Ｄ微結構之應用(3/3)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2212-E-011-001-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人： 鄭正元

計畫參與人員： 蕭為凱,劉偉志,左偉宗

報告類型： 完整報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 7 月 23 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

光罩式微快速原型系統研發與製作 3Ｄ微結構之應用(3/3)

(Research and Fabrication of 3D Microstructure using Masked Type Micro Rapid Prototyping System)

計畫類別：■個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 94-2212-E-011-001

執行期間：94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日

計畫主持人：鄭正元 教授 共同主持人：

計畫參與人員：蕭為凱、劉韋志

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立台灣科技大學機械系

中 華 民 國 95 年 07 月 31 日

摘要

微機電系統(Micro-electromechanical System, MEMS)主要是起源於結合半導體製程技術與精密機 械技術，研發微小的生醫光電元件及功能整合的微系 統。其主要之製程技術可分為下列三種：（1）半導體 製程技術（包括蝕刻技術及薄膜技術）；（2）光刻模 造法(LIGA)技術；（3）微機械加工技術。其中於半 導體技術製程中，微結構之形狀或特徵須經由光罩 (mask)上之圖案(pattern)來定義，所以光罩在微影 (lithography)製程中扮演著不可或缺的角色。要製作複 雜的 3D 元件，就必須使用多道光罩加工， 但光罩製 作時間長且價格昂貴，因此每道光罩的設計，需經準 確的評估及計算後，才可委託公司製作。且加工中每 道的光罩都須經過精準的對位，所以在曝光步驟前，

須先進行對準(alignment)的工作，加上傳統的製程是 利用疊加的方法，使整個產品的製作時間增加不少。

為解決上述缺點，本研究運用動態光罩技術(Dynamic Mask Technology)取代傳統之實體光罩，並採用非疊加 的方法製作複雜的 3D 元件。整體的製程為應用光在 聚焦位置與離焦位置能量之差異為基礎，並利用平台 移動改變聚焦位置進而於單次的光阻塗佈中製作出 3D 微小元件並用原本未硬化的材料來當支撐層，不需 在另外用別的材料，並配合本實驗室所研發之光學系 統，來提昇此製程的競爭力。運用此方法所製作之微 小元件如：風扇、Micro-lens array、V-groove。優點為，

可省略實體光罩、有效的取代傳統之製程。所製作之 微風扇直徑為 1221μm、扇厚約 25μm，Micro-lens array 直徑約為 190μm~250μm 左右，利用此方法除 了上述優點外，成型性、解析度佳亦是此方法之特色，

相信未來此方法應用於微製造方面絕對具有無限的潛 力。

關鍵字：動態光罩、微快速原型技術、3D 微成形技術

1.前言

本研究主要在建構 3D 微小元件，並搭配本實驗室 所研發的動態光罩技術製作 3D 微小元件的系統進行 改良，以面光源成型加工技術為架構進行研發。下面 將簡單介紹一些製作 3D 工件的技術，並針對本研究所 應用之技術與相關理論進行簡單的介紹與研究探討。

(1)微快速原型技術

微 快 速 原 型 技 術 (Micro Rapid Prototyping Technology)屬於光成型技術的一種。光成型加工技術 顧名思義，是使用光來進行材料之加工成型，隨著現 代各類新式光源之開發，如：準分子雷射(Excimer Laser)、X-ray…等，與光學設計技術之提昇，光成型 加工技術之加工精度已漸漸超越了傳統微機械之加工 能力。而微快速原型技術是由傳統的快速原型技術 (Rapid Prototyping, RP)所發展出的。快速原型技術是 一種在極短時間內製作出所需要模型的技術，其系統 是利用層堆疊加工原理來製作出任意複雜形狀，成型 原理是利用層加工之概念，先將一個三維的物體沿著 某一軸將其切成一片一片固定厚度之薄片，而每一薄 片可視為二維的物體，接著使用各種成型方法製造出 此二維之物體，最後將其層層堆疊起來即可得到原本 設計的三維實體元件。

(2)微成型技術

半 導 體 製 程 和 微 機 電 (Microelectro- mechanical System, MEMS)系統是目前各式微加工方法中最廣為 應用的技術之一，製程中經由微影(Photolithography) 的步驟來得到所需的微結構，而微結構之形狀或特徵 是經由光罩(Mask)上之圖案(Pattern)來定義，因此微影 可說是整個半導體製程中，最舉足輕重的步驟之一。

而微影的基本製程是由光阻覆蓋（Coating）、曝光

（Exposure）、顯影（Developer）等三大步驟所構成。

簡單地說，微影製程是在晶片（Wafer）上塗上一層感

光材料(Photo-Sensitive Material)，接著利用光罩進行 曝光，而光罩的主體是由平坦且透明的石英所構成，

各層的圖案(Pattern)則是以在玻璃的表面覆上一層鉻 膜(Chrome film)來代表，至於曝光光源部份則有很多 種，大部分都是用UV光I-line(波長365nm)來當曝光光 源，經曝光後，光罩上的圖案便完整的傳遞(Transfer) 到晶片表面的感光材料上，最後經過顯影之後，便完 成此一層之加工。

(3)DLP投影機

由各項加工系統製程的研究探討中，可以發現光 罩在以面成型的加工系統中，無論是實體光罩或是替 代性光罩，除了具有讓感光材料可以做選擇性曝光的 功能之外，且也可以在感光材料上完全定義出每層欲 加工的圖案或特徵，因此光罩在整個製程中扮演著不 可或缺的角色。此研究為使用DLP投影機來對感光材 料進行加工，並以DLP投影機內部重要元件之一的數 位微鏡元件(Digital Micro-mirror device, DMD)來定義 每層之加工圖案。

而本研就是採用 DLP(Digital Light Processing)投 影機內的 DMD(Digital Micromirror Device)晶片產生 動態光罩，運用動態光罩式三維微影系統來建構 3D 微小元件。本系統所採用的曝光光源為波長 365nm 之 I-line，當曝光光源經由動態光罩產生器反射，再經由 成像鏡組縮小成像投射到感光材料上，感光材料經由 區域性的曝光與顯影成型。而整體製程是採用固態填 補支撐層技術來製作 3D 微小元件。另外也提出新的製 程技術，乃利用單次材料塗佈，並以改變聚焦位置，

即聚焦位置與離焦位置能量差異的概念來完成三維微 特徵元件之製作，不同於利用疊加原理來製作 3D 工 件的快速原型技術，大幅縮短製程時間。

2.設計原理分析

本研究運用動態光罩技術製作 3D 微小元件，其 加工原理是用 DLP 投影機為動態光罩產生器，利用其

光罩圖形可變的特性，並利用固態填補支撐層技術製 作出微小元件。固態填補支撐層技術如圖 1 所示，(a) 加工前先鋪上一層建構材料，(b)接著使用動態光罩軟 體產生加工所需的圖案並以動態光罩式三維微影系統 來曝光，(c)經過顯影後，沒有曝光之建構材料會被去 除，留下的部分即為所欲加工的輪廓層，(d)之後再鋪 上支撐材料來填補先前建構材料被去除的區域，(e) 再來以與步驟(b)相同的光罩圖案進行支撐材料之曝 光，(e)接著進行支撐材料之顯影，輪廓層的表面之支 撐材料會因曝光而被去除，而其它區域之支撐材料則 會留下，此目的主要是為了在後續之層加工時每層的 輪廓層能夠相互結合，且由於輪廓層四周被支撐材料 包覆，使得進行下一層的加工時，成型輪廓層不會因 為建構材料或支撐材料的流動而變形或破壞。而本專 也題提出新的製程技術，是利用單次材料塗佈，並以 改變聚焦位置，即聚焦位置與離焦位置能量差異的概 念來完成三維微特徵元件之製作，如圖 2 所示。

圖 1 填補支撐層加工流程

圖 2 單次材料塗佈，並改變聚焦位置原理示意圖

3.軟硬體系統說明

本研究運用 Visual Basic 程式進行人機介面研

發，曝光模式分為「正光阻」和「負光阻」兩種模式，

是為了配合固態填補支撐層技術所研發出來的人機介 面，本研究乃利用負光阻為建構材，而正光阻為支撐 材，因此需要兩種不同的模式來控制曝光的位置。

硬體系統上本研究利用 DMD 為動態光罩產生 器，其投影光路與成像光學之設計架構圖，如圖 3 所 示。本實驗採用之 DMD 晶片經由實際測試，其每個 微鏡面+10°之旋轉方向為往右下方旋轉，因此在系統 之投影光路設計時，紫外曝光光源之照射方向為以 DMD 晶片之右下方入射，使紫外光源反射後之方向 得以垂直 DMD 之中心，並通過所設計之成像鏡組之 光軸，以減少當成像時之軸外像差(慧形像差、球面像 差)對於成像之影響。當 365nm 波長之紫外光源照射 至 DMD，旋轉+10°(光罩圖案之白色區域)之數位微鏡 會將光源反射至縮小成像鏡組並成像至加工平面；而 旋轉-10°(光罩圖案之黑色區域)之數位微鏡則會將光 源反射至另外一個區域，而無法投射至成像鏡組，如 此在感光材料上便會有曝光與沒有曝光的區域，產生 如同傳統玻璃光罩遮光與透光的效果。而整個系統架 設於一防震平台，主要為了減少製程中震動對加工精 度的影響。

圖 4 所示為固態填補支撐層技術加工流程圖，當 欲建構一微元件時，須先建立此微元件之三維立體模 型，接著經由資料格式的轉換與切層處理來將原本的 三維模型資料轉換成數個二維的輪廓資料，接著將這 些二維輪廓資料分別輸入動態光罩軟體產生相對應的 光罩圖案，並輸出到動態光罩產生器，再來於成型基 板上塗佈(spin coating)一層建構材料，並以動態光罩式 三維微影系統進行曝光，曝光後再進行顯影，如此便 得到此一實體輪廓層，製程中為了避免已建構完成之 部分在進行下一層的加工時受到破壞與過深硬化之問 題，因此在進行下一層輪廓之加工前，會先塗佈一層 支撐材料來填補先前建構材料被顯影去除的部分，且

經過曝光與顯影後，再進行下一層的製作，待所有輪 廓層都依此流程建構完畢後，最後將支撐層去除，便 完成此一微元件之製作。

如圖 5 所示為單次材料塗佈並以改變聚焦位置的 加工流程圖，光罩圖案輸出到動態光罩產生器上，接 著在成型基板上塗一層材料並進行曝光，如此一層便 建構完成，之後再將平台往下移動一固定距離並用動 態光罩軟體將圖案改變為欲建構的下一層之圖案，並 傳送到動態光罩產生器上進行下一層的曝光，每一層 之建構都依此流程，待所有輪廓層都建構完畢後，再 經過顯影，便完成一微元件之製作。

圖 3 動態光罩式三維微影系統機構架設示意圖

圖 4 固態填補支撐層技術加工流程圖

圖 5 單次材料塗佈加工流程圖

4.結果與討論

本研究運用DLP投影機裡的DMD產生動態光罩 來取代傳統光罩作為微影系統的光罩。相較於傳統光 罩製作3D為小元件而言，若以石英光罩來製作此一微

風扇葉片，整個製程約需製作一百多片不同圖案之光 罩，以單片光罩七千元的製作成本計算，光罩之總製 作成本為七十萬元以上，且製作時間需四個禮拜以 上；而動態光罩式三維微影系統之動態光罩產生器 DMD，其價格在十萬元以內，且DMD可產生不同的 光罩圖案，而不同光罩圖案之切換產生時間只需數 秒，相較於使用石英光罩來製作此一微風扇葉片，動 態光罩式三維微影系統使用DMD動態光罩產生器，不 僅大幅降低微元件之製作成本，也縮短製作時間，因 此在商業的應用與學術的研發上均具有相當的潛力。

而在實驗成果方面，利用固態填補支撐層技術製 作出微小元件，本研究中每個微風扇葉片之實體輪廓 層製作是以NAF-202光硬化樹脂為建構材料，而在進 行不同層之疊合時，使用 AZ-4210正光阻為支撐層材 料，AZ-4210正光阻主要是用來填補上一層NAF-202 被無水酒精顯影去除的區域，以保護已建構完成之微 特徵，並避免過深硬化之影響，在所有的實體輪廓層 製作完畢後，最後以丙酮(Acetone)將所有填充支撐層 (AZ-4210)去除便可得到所欲建構的微風扇葉片，如圖 6所示，表1為微風扇葉片尺寸。

圖 6 動態光罩式三維微影系統製作之微風扇葉片放 大(100X)俯視圖

表 1 微風扇葉片尺寸

微風扇葉片直徑 微風扇葉片高度 微特徵平均尺寸

1221

μm

945

μm

25

μm

另外本研究亦提出新的製程技術，利用單次材料 塗佈，並以改變聚焦位置，即聚焦位置與離焦位置能 量差異的概念來完成三維微特徵元件之製作。不同於 固態填補支撐層技術的方法是在於建構需要支撐層的 元件時，則採用原本建構的材料直接來當支撐層，不 需再採用其他材料來建構，因此本研究在成本與加工 時間，都大大地降低許多。至於在建構元件當中，不 需要支撐層來建構之元件，本研究製作了導光版上的 微特徵元件，至於元件形狀需要支撐層才能建構完成 的部分，則有微風扇葉片之製作。

如圖 7 所示，為利用本研究的動態光罩微影系統所製 作出來的導光板微特徵陣列模型。每次曝光時間在 20 秒即可使微特徵成型，用於製作 16mm×14mm 面積大 小的導光板，只需約三十分，和先前實驗室所研發的 系統相比較，利用本研究的動態光罩微影系統，不但 可解決光不均勻的問題，也可節省非常多的時間，表 2 所示為導光板微特徵尺寸。之後將所製作完成的導 光板微特徵，經由本實驗室另行研發的矽膠快速模具 製程來翻模所得到的結果，如圖 8 所示。如圖 9 所示 為製作風扇之工件，乃利用本身建構實體層的材料來 當支撐層的部分，不需在用其他的材料來建構支撐層。

圖 7 微特徵陣列之原始模型

圖 8 導光板

圖9 放大100倍之微風扇俯視圖

表 2 導光板微特徵尺寸量測結果

區域 1 區域 2 區域 3 區域 4 區域 5

理論 尺寸 (μm)

實際 尺寸 (μm)

理論 尺寸 (μm)

實際 尺寸 (μm)

理論 尺寸 (μm)

實際 尺寸 (μm)

理論 尺寸 (μm)

實際 尺寸 (μm)

理論 尺寸 (μm)

實際 尺寸 (μm) 167.44 187.7 334.88 343.9 380.93 415.7 389.3 401.5 397.67 443.3

5.結論

本研究運用動態光罩技術取代傳統之實體光罩，

並採用非疊加的方法製作複雜的 3D 元件，其研究成 果可歸納總結如下所示：

1. 本研究已成功的研發動態光罩技術，並應用於動 態光罩式三維微影系統之開發與三維微特徵元件

之製作。

2. 運用動態光罩技術於三維微特徵元件之製作，可 大幅減少相較於傳統製程中所需花費的光罩製作 成本與加工時間。

3. 紫外波段曝光光源之使用與單獨應用 DMD 模組 來進行投影光路與成像鏡組之設計，使得動態光 罩式三維微影系統相較於本實驗室先前研發之微 成型加工系統具有更小的加工解析度。

4. 填補支撐層技術之應用使得動態光罩式三維微影 系統能夠成功的製作出三維之微結構與微特徵元 件。

另外本研究首創利用面光源改變聚焦位置於單層 材料上製作 3D 微小元件之方法，不但在製程上提供 了一個創新的想法，也改善利用固態支撐層技術來製 作 3D 微小元件的繁瑣步驟，已有一些初步的成果，

但解析度方面仍須改進，原因在於光硬化材料在離焦 的地方也會受到光的照射作用而硬化，因此需要找尋 感光度更低的材料來提升解析度。而後續的系統自動 化、加工流程的自動化與做出完美的 3D 微小元件，

尚需進行更進一步的研究與努力。

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