光学逆投影检测

微流控芯片是把生物、化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，以此取代常规生物化学实验室中的各种操作。微流控芯片因具有高度集成化、分析效率高、制造成本低、试剂消耗量少等优点被广泛应用于各种科学研究。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前应用最广泛的微流控芯片制备材料之一，它具有良好的透气性、透光性、生物兼容性以及化学惰性，易于通过模具浇注成型。基于光刻和PDMS倒模技术的模塑法是目前应用最普遍的微流控芯片加工方法。然而，这种方法加工时间长、加工成本高、加工工艺繁琐，并且模具的制造需要在洁净室中完成。随着3D打印技术的出现，微流控芯片可以通过3D打印技术直接制备而成，或者结合PDMS翻模工艺与3D打印技术多步加工制备而成。这些方法不仅有效弥补了传统微加工方式的不足，而且还可以制备具有复杂三维结构的微流控芯片。另外，微流控芯片制备材料的选择也更加广泛。近日，卡塔尼亚大学Lorena Saitta课题组采用面投影微立体光刻(PμSL)技术和基于3D打印的PDMS翻模技术制备了用于段塞流检测的微流控光学器件，通过对比研究评估了两种加工技术及其制备材料的利弊。研究人员基于PμSL (microArch S140，摩方精密) 3D打印技术采用HTL光敏树脂一步成型了微流控光学器件，该技术具有超高的打印分辨率；作为对比，研究人员还采用基于聚合物喷射3D打印的PDMS翻模技术多步工艺制备了微流控光学器件。两种加工方法制备的器件进口和出口定位不同，HTL器件的进口和出口与微通道同轴对齐，而PDMS器件受限于加工方法，其进口和出口正交于微通道。另外，HTL器件是一体成型的，气密性比较好，可以避免液体泄露问题。 图1. 所设计的微流控光学器件的工作原理图2. PDMS微流控光学器件(Device 1)和HTL微流控光学器件(Device 2)的几何结构俯视图的比较(单位：mm)图3. PDMS微流控光学器件的制备流程图4. 基于PμSL技术制备HTL微流控光学器件的流程图5. PDMS微流控光学器件(Device 1)和HTL微流控光学器件(Device 2)的完整气水段塞流平均周期趋势的比较 PDMS器件和HTL器件微通道的相对粗糙度分别为0.0001 %和0.0002 %，因此，两种加工技术均能保证微通道内流体流动的稳定性。将两种器件用于段塞流的检测，PDMS器件柔性比较大，居中对准两根光纤比较困难，观测数据的变化比较大；HTL器件的刚性比较好，观测数据的分散性远小于PDMS器件。然而，HTL树脂的透光性不如PDMS，检测性能相对较低。因此，基于PμSL 3D打印技术，结合透光性良好的3D打印树脂材料的开发，可以推进微流控芯片的研究。该研究成果为微流控芯片的制造提供了新思路，以“Projection micro-stereolithography versus master-slave approach to manufacture a micro-optofluidic device for slug flow detection”为题发表在The International Journal of Advanced Manufacturing Technology上。原文链接：https://doi.org/10.1007/s00170-022-08889-8官网：https://www.bmftec.cn/links/10

作者：葛锜、李志琴、王兆龙、Kavin Kowsari、张旺、何向楠、周建林、Nicholas X Fang单位：1 Southern University of Science and Technology, China2 BMF Material Technology Inc., Shenzhen, China3 Hunan University, China4 Massachusetts Institute of Technology, USA5 Singapore University of Technology and Design, Singapore1文章导读投影微立体光刻(Projection Micro Stereolithography – PμSL)是一种基于面投影光固化原理的高精度（最高可达0.6微米）增材制造（3D打印）技术。该技术可以用于制造具有跨尺度与多材料特性的高精度复杂三维结构，在力学超材料、光学器件、4D打印、仿生材料及生物医学等领域具有广阔的应用前景。南方科技大学、深圳摩方材科技有限公司、湖南大学、麻省理工学院等单位的葛锜、李志琴、王兆龙、周建林、Nicholas X Fang等作者在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《基于投影微立体光刻的3D打印技术及其应用》综述，系统介绍了投影微立体光刻3D打印技术的研究背景、最新进展及未来展望。2研究背景增材制造，又称3D打印，是一种以数字模型文件为基础，将部件离散成二维图形或者路径，通过逐层叠加的方式构造三维物体的快速成型技术。对比于传统制造方法，3D打印因具有制造高精度复杂三维结构、节省材料、方便快捷等优点，已被应用到航空航天、生物医疗、电子、汽车等国民经济领域。自被发明以来，3D打印发展出了各种不同的技术，包括熔融沉积成型(FDM)、墨水直写(DIW)、喷墨(Inkjet)、立体光刻(SLA)、选区激光烧结/熔融(SLS/SLM)、双光子(TPP)，以及基于数字光处理(DLP)的连续液体界面制造(CLIP)、大面积快速打印(HARP)、投影微立体光刻技术(PμSL)等。对比于其他3D打印技术，投影微立体光刻技术因其可同时实现高分辨率与大幅面3D打印（图1），被应用于前沿领域的复杂三维结构制造，并产生了一系列具有影响力的科研成果。南方科技大学葛锜副教授、湖南大学王兆龙助理教授与麻省理工学院Fang教授团队联合深圳摩方材科技有限公司针对投影微立体光刻3D打印技术在最近所做的相关代表性工作逐一地进行了详细介绍。图1 不同3D打印技术的打印精度与幅面范围3最新进展投影微立体光刻是一种通过将构成三维模型的二维离散图案投影到光敏树脂表面，激发局部光固化反应的方式，逐层叠加成型三维结构的3D打印技术。通过对光路系统、光源以及打印工艺的优化，最高打印精度可达到0.6微米。面投影微立体光刻因其能够快速一体化成型高精度、跨尺度、多材料复杂三维结构，在力学超材料、光学器件、4D打印、仿生材料以及生物医药方面应用广泛。深圳摩方科技有限公司将原有投影微立体光刻3D打印技术进行发展与升级（图2a），并成功地将其转化为工业级3D打印装备，实现了稳定的超高精度-大幅面3D打印（精度：2微米，幅面：50毫米×50毫米；精度：10微米精度，幅面：94毫米×52毫米幅面），用于力学超材料、生物医疗器件、微力学器件及精密结构件等工业应用（图2b-j）。图2 投影微立体光刻3D技术及其相关工业级应用。（a）高精度-大幅面投影微立体光刻3D打印技术原理；（b）-（j）工业级应用典型案例。在实现跨尺度、多材料3D打印方面，采用面投影与图形扫描技术相结合的方法实现了跨尺度3D打印(图3a)，采用吹气辅助投影微立体光刻法(图3b)与流体控制法(图3c)实现了多材料三维结构的快速打印。图3 跨尺度、多材料3D打印。（a）面投影与图形扫描结合实现跨尺度3D打印；（b）吹气辅助多材料3D打印；（c）流体控制辅助多材料3D打印。在实现力学超材料方面，通过投影微立体光刻3D打印技术一次成型以拉压变形占主导的八隅体桁架结构超轻-超硬力学超材料（图4a），通过多材料投影微立体光刻3D打印技术一次成型由两种不同刚度和热膨胀系数材料构成的负热膨胀系数超材料（图4b）。图4 力学超材料。（a）超轻-超硬力学超材料；（b）负热膨胀系数超材料。在光学器件打印方面，采用面投影立体光刻灰度曝光与表面浸润相结合的方法，实现光学镜头的3D打印（图5a），以及振动辅助与灰度曝光相结合的方法，实现表面纳米级光滑度的微透镜阵列3D打印（图5b）。图5 光学器件。（a）灰度曝光与表面浸润相结合实现光学镜头3D打印；（b）振动辅助与灰度曝光结合实现微透镜阵列3D打印。在4D打印方面，通过开发形状记忆光敏树脂，实现了大变形4D打印（图6a）、多材料4D打印（图6b）、自修4D打印（图6c），4D打印超材料结构（图6d）与4D打印吸能结构（图6e）等案例。图6 4D打印。（a）大变形4D打印；（b）多材料4D打印；（c）自修4D打印 （d）4D打印超材料结构；（e）4D打印吸能结构。4未来展望尽管面投影微立体光刻3D打印技术在近年来取得了快速的发展，但仍面临着如海量的图片数据传输与存储、多材料体素打印精确控制、高精度陶瓷打印等问题，亟待解决。5作者简介葛锜博士葛锜博士，南方科技大学机械与能源工程系长聘副教授。长期从事面投影微立体光刻3D打印技术研究，主要研究领域为4D打印、多功能3D打印、软物质力学、软体机器人、柔性电子等。王兆龙博士王兆龙博士，湖南大学机械与运载工程学院助理教授，长期从事微立体光刻3D打印，光学超材料及微流与热控理论及技术研究，先后参与包括重点国际（地区）合作研究项目及国家重点研发计划在内的多项国家自然科学基金和科技部重点研发项目。目前承担湖南省优秀青年基金及广东省重点领域研发计划等多项科研项目。Nicholas X. Fang博士Nicholas X. Fang博士，麻省理工学院机械系教授，长期从事包括微立体光刻3D打印技术在内的微纳技术研究，研究领域包括纳米光学、声学超材料、微纳制造、软物质等。本篇文章来自专辑：《极端制造》2020年第2期文章

“2024中国检测技术与半导体应用大会暨半导体分析检测仪器与设备发展论坛”于2024年7月11-13日在上海虹桥新华联索菲特大酒店隆重举行。大会以“大会报告+分会报告+产品展览+高校科技成果展示+学术墙报+晚宴交流”的形式召开，91个口头报告专家及15个提供墙报的学生，分别来自于半导体检测领域知名科研院校、半导体制造企业、半导体检测企业等。大会设立了包括集成电路晶圆级缺陷检测技术、半导体器件可靠性及失效分析、集成电路先进制造及封装技术、半导体检测设备及核心零部件等在内的15个分会场报告，多样的报告主题讨论极大促进了与会者之间的互动交流和融合创新。会场外也精心布置了国内多家知名企业展位，如安捷伦、珀金埃尔默、北方华创等，他们纷纷展示了各自在半导体量检测领域的新技术、新设备。会议期间，仪器信息网特别采访了光库智能科技（南阳）有限公司总经理何贵明。在采访中，何老师就光库智能在半导体量检测设备领域提供的产品和解决方案，其主要技术、创新点和应用场景，如何实现国产替代以及公司最近一年取得的成就和未来发展规划等话题进行了深入的交流和分享。以下是现场采访视频：丰富的镜头产品系列仪器信息网：近年来，贵公司在半导体量检测方面提供了哪些新的解决方案或产品？何贵明老师：大家好，我们光库智能主要是针对超高精密的检测领域提供精密零部件，主要是指光学系统，特别具有代表性的就是照明和成像。具体的产品系列我们是这样，第一个是大表面的高分辨率的镜头系列。我们针对日本的厂商做了一系列的替代性的产品，其中最具代表性的就是目前我们推出的配6500万像素，光学分辨率达到1.3微米，还有就是配1亿像素，光学分辨率达到1.5微米的这么一个系列产品。第二个系列是针对半导体晶圆检测里面的高反光的特点，这个部分我们也设计了一系列的产品，最具代表性的镜它的光学分辨率可以达到5微米以下，视野范围达到几十个毫米。它对半导体表面反射这种高反特点，可以很好的把缺陷及特征给提取出来。第三个系列是我们的投影光机系列，因为在半导体检测里面，除了2D检测以外，还有3D测量，3D测量里面有一个很重要的是结构光，而产生结构光的模式可能主要来自于投影光机，针对这种偏轴投影光机我们有一个行业突破，这个部分产品里面最代表性的是我们的4710系列，它可以实现高分辨率的投影测量。还有我们的这种高度定制化的产品。因为目前在半导体检测领域里面，多数的产品它是定制化的，而定制化有一个最重要的特点，就是它不仅仅是单倍率了，针对多倍率的这种成像镜头，它要一个镜头适配不同的相机，而且是同时的，这种情况下就需要有大量的镜片需要兼容不同的倍率，不同的视野范围，不同的分辨率，不同的相机，这一种产品是我们的特色，目前也得到客户的广泛好评。理论创新和精密镜片制造是独到之处仪器信息网：其产品运用的主要原理与技术有哪些？有哪些创新点？何贵明老师：我们用的核心技术原理有这么几点，第一个就是我们的照明光学，照明光学其实包含这几大部分，成像光学里面的几何光学和相差理论，光度学、色度学。照明光学是一个极其复杂的光学学科，它不但要涉及到对光的能量的整合，还需要对光的方向，光的能量均匀性，以及人的密度、角度、均匀性等一系列的进行综合的整合起来。还有就是要考虑它的衍射，照明光学是一个复杂的学科，目前能够在照明光学做的比较好的，国内是比较少的。第二个部分就是我们的成像光学，成像光学它又夹杂着几何光学相差理论和物理光学的部分，我们目前能够做高分辨率的这种镜头一直以来是被国外所垄断，它有一个很重要的原因是因为我们的这个行业的理论创新程度不够，这个是我们长年累月积攒下来的行业经验以及理论基础所能够达到的一个结果。还有一个部分是精密镜片的加工，我们光库智能在精密镜片加工方面有很深厚的技术积累，我们的创始人大股东他是在镜片加工这个领域里面有着20多年的从业经历，以及在一些国内著名的这种公司都有过这种总监级的这种工作经历，所以说我们在镜片加工方面有了独到之处。目前国内精密镜片部分我们的市场份额也是非常大，所以综合起来，我们的镜头的结果创新是来自于理论创新，以及我们对镜片本身上制造的一个理解，这是我们的独到之处。为半导体量检测设备提供“眼睛”仪器信息网：贵公司产品在半导体检测方面有哪些应用场景？何贵明老师：半导体晶圆加工的生产制程非常长，每一个生产制程它都可能会产生一些缺陷，对这些缺陷都需要进行检测测量，在每一个测量环节它都必不可少的，需要半导体的检测设备，在整个所有的半导体检测设备中，光学检测设备占了整个半导体检测设备的75%以上。而在半导体光学检测设备中，光学系统本身它占据了整个半导体设备部门成本的25%以上，它又占据了我们半导体检测设备的核心卡脖子的一个位置。我们可以提供什么样的产品在这里面？第一个就是因为现在半导体检测它是一个综合性的，包括2D检测、3D检测以及AI算法在这里面综合起作用。在每一个环节我们都需要精密的光学系统，比如用于2D测量的我们的高分辨率的检查镜头，因为在我们所有的检测测量里面有两个永恒的主题，第一个是更高精度，第二个是更快速度，那更高精度更快速度，第一个来源于就是我们的大靶面的高分辨率的这种镜头。第二个部分如果对于3D测量，我们可以提供两类产品，第一个3D测量里面的投影光机，它是结构光的主要来源者，第二个部分就是成像镜头。在3D测量系统里面结构光机和成像镜头是最主要的两个零部件。第三个部分是什么？在很多半导体设备里面它需要测一些膜厚，膜厚的测量目前主要来自于椭偏仪，而精密椭偏仪上面也需要精密的镜头，我们也会提供椭偏仪上面的精密镜头。总之就是在半导体检测领域里面，2D、3D以及AI它都需要精密的成像拍照，而我们提供就是成像拍照用到的光学镜头以及照明系统。四大核心技术助力实现国产化替代仪器信息网：看到您展位上有提到国产替代，请问贵公司是如何实现的？ 何贵明老师：在自动化的高精密半导体检测设备中，我们有很多镜头可以使用，但是在超精密这里面其实只有一类镜头是最适合的，就是双远心镜头。双远心镜头从它自身的原理来讲，它对震动不敏感。因为非远心的镜头它会存在一个精度高测不准的问题，在不同的高度它的测量值不一样，它在每一个高度测量精度很高，但是它值不一样，双远心镜头可以很好的规避这个问题。在这个领域里面，国内的镜头做的确实是有所欠缺。在我们这个领域有几个重要指标，第一个一定要大范围，我们一次性拍照拍很大范围；第二个一定要高分辨率，光学分辨率高，我们最终设备的测量精度就会很高。第三个方面是我们的镜头系列一定要多，一定要提供高度定制化的一个产品给客户。基于这些国内也做了很多工作，但是迟迟进展不是很好，为什么我们可以做到全系列国产替代呢？其实是基于这几个原因，第一个就是我们的理论积累，我们公司主要的技术人员，一个是我，另外一个是我搭档赵博士。我先介绍一下我自己的经历，就是我本科是长春理工大学光学工程毕业的，长春理工大学是一个由中国光学之父王大珩先生所创立的一个以光学教学为主的学校。然后硕士是在哈尔滨工业大学，我们是做航天光学，做的也是超分辨率的一些大口径的航天镜头。工作之后我是在半导体封测方面工作了很多年，所以说在理论积累方面我们是比较深厚的。我另外一个搭档他本科也是长春理工，硕士和博士是在中科院西安光机所，他在光学理论积累方面也非常深厚，这是第一个部分。第二个部分就是精密的镜片制造。我们的另外一个创始人也是我们大股东，他是在国内镜片制造加工这个领域里面工作了20多年的，在镜片制造方面我们经验非常丰富，而且我们配备了很多先进的国外镜片制造设备，以及镜片本身的量测设备，在这个部分是保证了我们在镜片制造方面能够达到一个比较先进水平。第三个部分是精密装调技术，镜片在镜头本身生产制造过程中非常重要，而精密装调又搭配着精密评测，精密评测和精密装调是一个相互迭代的过程。我们知道全世界做镜头质量评测最厉害的公司就是德国的全欧光学，我是全欧光学中国区的研发总监，到目前为止我也是创新中国区的唯一一个研发总监，在整个中国光学界我是独一份。因为我们了解镜头的精密评测，所以说我们对精密镜头的精密装调，我们就非常了解。加上我们的精密评测技术，所以说我们最终集合这四大技术，第一个就是我们的理论积累理论创新，第二个部分就是我们的镜片的精密制造，第三个部分是镜头的精密装调，第四个部分是镜头的精密评测，这4大技术方面我们有非常深厚的积累，所以说从结果上看，我们确实是做到了可以全系列替代国外产品的程度。深耕半导体量检测设备光学原理，实现更大突破仪器信息网：贵公司近一年取得了哪些成就？未来有哪些规划？何贵明老师：我们光库智能产品规划最开始我们是做一些精密的零配件，特别是精密晶片的制造这方面，我们做了很多工作，目前市场占有率已经非常高了。今年我们开始陆续的推出这种超高精密的镜头，我们目前瞄准的主要是半导体检测量测这个领域，国内一个半导体量测检测设备的头部企业，他们的一个资深副总裁在去年他们的年会上讲了一句话，就是说我国目前半导体检测量测领域里面最重要的问题是我们的一些精密零部件还需要国产突破，他特别提到两点，第一个就是镜头，第二个是光源。他觉得这个部分现在国内无法突破，需要国家大力投入来突破整个半导体检测领域里面的卡脖子的一个问题，这个部分我们也迅速捕捉到信息，迅速组织人力物力来做这方面的研发，加上我个人本身一直在做半导体检测，所以说我们很快就推出了新产品，超高精密的这种半导体检测镜头。我们未来规划是这样子的，就是瞄准半导体检测设备的光学原理，第一个部分是2D测量，对于2D测量，我们会推出全系列的大面阵的线扫描的这种高分辨率高倍率的镜头。第二个部分我们会配合客户推出这种大跨度的双倍率三倍率以及多倍率的这种高分辨率的镜头。第三个部分是因为现在半导体检测，还有一个就是3D测量广泛应用，而我们在3D测量技术沉淀方面我们有独到的优势，其中第一个部分是结构光的3D测量，这个部分我们也推出了精密的偏轴投影光机，这个部分高亮度、高分辨率大靶面的偏轴投影光机，我们在整个行业里面是国内唯二可以提供的，另外一家也是一个很厉害的公司，但是我们的精度会超出远远超过另外一家。还有针对目前比较火爆的线扫描的彩色工具胶，这个部分的高精密成像系统，我们的研发是很早的，技术积累已经有十几年了，这个部分我们会领先于整个行业。第四个部分就是针对刚刚讲的另外一个系列，高反光的系列，因为我们的晶圆都是高反光面的，对于高反光面的检测，这个是整个行业里面是一个老大难的问题，它有传统的就只有三种方法，对于高反光面的缺陷检测，我们第一种是2D视觉、3D视觉、AI算法，这是三种传统的方法，没有哪一种方法可以彻底解决问题，都是一起来使用，我们研发出了第四种方法是利用光的波动性来实现高反光面的全检测。这个部分的系列产品我们已经推出两款，第一款是配2/3寸的镜头，第二个部分是配1.1寸的镜头，这一类我们就不需要特别的照明就可以实现，这个也是一个很大的突破，大概就这些。