灰度光刻技術(shù)如何重塑微納制造未來(lái)（案例分享）

在微納制造與光學(xué)器件領(lǐng)域，灰度光刻（Grayscale Lithography, GSL）作為一種先進(jìn)的圖形化技術(shù)，正逐漸成為高精度、多功能微結(jié)構(gòu)加工的核心手段。與傳統(tǒng)的二元光刻只能制造“有/無(wú)”結(jié)構(gòu)的限制不同，灰度光刻通過(guò)調(diào)控曝光劑量，實(shí)現(xiàn)光刻膠中連續(xù)或階梯狀的三維形貌，廣泛應(yīng)用于微光學(xué)元件、微流控芯片、MEMS和生物傳感器等領(lǐng)域。

一、什么是灰度光刻？
灰度光刻是一種能夠在單次曝光中形成具有不同深度或高度微結(jié)構(gòu)的光刻技術(shù)。其核心在于通過(guò)控制不同區(qū)域的曝光強(qiáng)度，使得光刻膠在顯影后保留不同厚度，從而形成復(fù)雜的三維形貌。

工作原理簡(jiǎn)述：
使用具有不同透光率的灰度掩模（masked GSL）或直接調(diào)控光源強(qiáng)度（maskless GSL）；
光通過(guò)掩�；蛘{(diào)制系統(tǒng)后，在光刻膠層形成強(qiáng)度分布；顯影后，曝光區(qū)域的光刻膠被部分或全部去除，形成三維結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)光刻（左）僅能形成垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)，而灰度光刻（右）可制造具有平滑梯度或階梯狀的三維形態(tài)。

二、灰度光刻的主要實(shí)現(xiàn)方式
灰度光刻可分為掩模法與無(wú)掩模法兩大類：
1. 掩模灰度光刻
使用具有灰度等級(jí)的物理掩模，通過(guò)控制不同區(qū)域的透光率實(shí)現(xiàn)曝光調(diào)制。該方法適用于批量生產(chǎn)，但掩模制作成本高、周期長(zhǎng)，且設(shè)計(jì)一旦固定難以修改。

2. 無(wú)掩�；叶裙饪�
無(wú)掩模技術(shù)通過(guò)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)灰度曝光，具有極高的靈活性和快速原型制作能力。主要包括：灰度電子束光刻（GS-EBL）、直接寫入激光灰度光刻（DWL-GSL）、基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的灰度光刻。
三、典型應(yīng)用案例：
案例一：高精度微透鏡陣列
微透鏡陣列是成像系統(tǒng)、激光光束整形和集成光子器件的核心元件。傳統(tǒng)方法制造此類元件通常需要復(fù)雜的多步工藝或昂貴的機(jī)械加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：研究人員利用DMD灰度光刻技術(shù)，將微透鏡表面的三維輪廓信息轉(zhuǎn)換為一系列灰度圖像。這些圖像被實(shí)時(shí)加載到DMD上，通過(guò)控制每個(gè)像素點(diǎn)的曝光劑量，在光刻膠層上一次性“打印”出整個(gè)微透鏡陣列的連續(xù)三維形貌。

成果展示：如下圖所示，該技術(shù)成功制造出了表面光滑的凹面球形微透鏡陣列。值得一提的是，該光刻膠結(jié)構(gòu)可作為母模，通過(guò)倒模工藝輕松地復(fù)制到聚二甲基硅氧烷（PDMS）等彈性材料上，從而得到凸面的微透鏡陣列。這種快速的“設(shè)計(jì)-制造-復(fù)制”流程，極大地降低了微光學(xué)元件的開發(fā)周期和成本。 (a)光刻膠中凹面球形微透鏡陣列的光學(xué)顯微鏡圖像。(b)光刻膠中凹面球形微透鏡陣列的SEM圖像。(c)聚二甲基硅氧烷中凸面球形微透鏡陣列的SEM圖像。(d)凸面球形微透鏡陣列的測(cè)量輪廓與設(shè)計(jì)輪廓的對(duì)比

應(yīng)用價(jià)值：該方法非常適用于定制化光學(xué)元件的小批量生產(chǎn)，如VR/AR設(shè)備中的勻光片、手機(jī)攝像頭中的微透鏡陣列等。

參考文獻(xiàn)：《Fabrication of Micro-Optics Elements with Arbitrary Surface Profiles Based on One-Step Maskless Grayscale Lithography》
 
案例二：自動(dòng)優(yōu)化灰度光刻工藝制造3D微結(jié)構(gòu)
三維微結(jié)構(gòu)在MEMS、微光學(xué)和微流控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的灰度光刻工藝設(shè)計(jì)依賴試錯(cuò)法，過(guò)程繁瑣且精度有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：本研究開發(fā)了一套全自動(dòng)工藝優(yōu)化工具，通過(guò)計(jì)算模擬、靈敏度分析和優(yōu)化算法，自動(dòng)確定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)3D形貌所需的兩個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)——曝光劑量分布和最佳顯影時(shí)間。該方法基于正性厚膜光刻膠的溶解速率模型，采用快速行進(jìn)法模擬顯影過(guò)程，并通過(guò)伴隨法高效計(jì)算靈敏度，從而自動(dòng)補(bǔ)償由橫向溶解導(dǎo)致的側(cè)壁傾斜等非線性效應(yīng)。

成果展示：如下圖所示，該系統(tǒng)成功設(shè)計(jì)并制造了球形微透鏡和三角錐體兩種3D結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)查表法相比，優(yōu)化后的工藝參數(shù)使結(jié)構(gòu)高度誤差降低了約50%，在微透鏡中心關(guān)鍵區(qū)域平均誤差僅為0.4 µm，并實(shí)現(xiàn)了更尖銳的尖端和更平整的斜面。

 
（a）球形微透鏡的優(yōu)化后的曝光劑量分布；（b）制備出的微透鏡SEM圖像；（c）沿（a）中藍(lán)線的截面輪廓對(duì)比（藍(lán)色為優(yōu)化結(jié)果，紅色為目標(biāo)輪廓）；（d）優(yōu)化法（藍(lán)）與傳統(tǒng)法（綠）的輪廓誤差對(duì)比。
 
（a）三角錐體的優(yōu)化后的曝光劑量分布；（b）制備出的三角錐體SEM圖像（含頂部特寫）；（c）截面輪廓對(duì)比；（d）優(yōu)化法與傳統(tǒng)法的誤差對(duì)比。

應(yīng)用價(jià)值：該自動(dòng)優(yōu)化方法極大簡(jiǎn)化了3D微結(jié)構(gòu)的工藝開發(fā)流程，特別適用于定制化微透鏡、微棱鏡、微針陣列等復(fù)雜三維器件的快速、高精度原型制造，在集成光子學(xué)、生物MEMS和微傳感器領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：《AUTOMATIC PROCESS DESIGN FOR 3D THICK-FILM GRAYSCALE PHOTOLITHOGRAPHY》
 
案例三：專用灰度光刻膠實(shí)現(xiàn)高精度2.5D微結(jié)構(gòu)制造與復(fù)制
2.5D及自由曲面微結(jié)構(gòu)在微光學(xué)、MEMS和微流控等領(lǐng)域需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的二元光刻結(jié)合熱回流工藝難以實(shí)現(xiàn)高密度、多高度或復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)：本研究采用專為灰度光刻設(shè)計(jì)的正性光刻膠系列 ma-P 1200G。該系列基于DNQ/酚醛樹脂體系，通過(guò)精確調(diào)控光活性化合物（PAC）的分子結(jié)構(gòu)和樹脂基質(zhì)組成，實(shí)現(xiàn)了線性的劑量-膜厚響應(yīng)曲線、較低的對(duì)比度、高效的光漂白特性以及減少的曝光產(chǎn)氣問(wèn)題。其覆蓋從500 nm超薄膜到80 μm超厚膜的寬膜厚范圍，并支持激光直寫和灰度掩模兩種曝光方式。

成果展示：如下圖所示，利用ma-P 1200G光刻膠，成功制造了從納米級(jí)臺(tái)階到80 μm深的三維金字塔、凹面微透鏡陣列等多種2.5D結(jié)構(gòu)。并通過(guò)UV模塑技術(shù)，將光刻膠母模上的結(jié)構(gòu)精確復(fù)制到混合聚合物（OrmoComp®）中，得到可用于永久性應(yīng)用的聚合物微光學(xué)器件。

 
ma-P 1200G系列灰度光刻示例。（a）在58 μm厚膠上激光直寫制備的金字塔孔洞的共聚焦顯微鏡圖像與輪廓掃描；（b）通過(guò)灰度掩模在57 μm厚膠上曝光獲得的斜面結(jié)構(gòu)與凹面微透鏡陣列；（c）在130 μm厚膠上激光直寫制備的直徑800 μm、高80 μm的微透鏡；（d）100 μm厚膠的二元光刻結(jié)構(gòu)，深寬比達(dá)3:1

應(yīng)用價(jià)值：該ma-P 1200G光刻膠系列及其配套工藝為制造高精度、高深寬比的連續(xù)三維微結(jié)構(gòu)提供了可靠的材料基礎(chǔ)，非常適用于定制化微透鏡、衍射光學(xué)元件、微流道、生物芯片等產(chǎn)品的快速原型開發(fā)與小批量復(fù)制生產(chǎn)，極大地推動(dòng)了高端MEMS/MOEMS和微光學(xué)元件的技術(shù)進(jìn)步與成本控制。

參考文獻(xiàn)：《Advancing greyscale lithography and pattern transfer of 2.5D structures using ma-P 1200G resist series》
 
無(wú)掩模版紫外光刻機(jī) 托托科技研發(fā)的無(wú)掩模版紫外光刻機(jī)基于空間光調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字掩模光刻。設(shè)備加工精度最高可達(dá)300nm，加工速度可達(dá)1200mm²/min，灰度光刻可達(dá)4096階，能夠快速精準(zhǔn)地在光刻材料上構(gòu)建復(fù)雜且多層次變化的微觀結(jié)構(gòu)和圖案。

除步進(jìn)式光刻的科研Academic版，我們還提供掃描式光刻的高速speed版本，支持4m²超大幅面的微納加工，既能滿足前沿科學(xué)研究的需求，也支持產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與開發(fā)，極致的靈活性使其成為科學(xué)研究的不二之選。
   
灰度光刻技術(shù)，特別是基于DMD的無(wú)掩�；叶裙饪蹋�正在成為微納制造領(lǐng)域的關(guān)鍵工具。它不僅突破了傳統(tǒng)光刻的二維限制，實(shí)現(xiàn)了真正的三維結(jié)構(gòu)加工，還以其高靈活性、低成本和小批量快速生產(chǎn)能力，在科研、醫(yī)療、光學(xué)和電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。

隨著DMD器件性能的提升和工藝算法的優(yōu)化，灰度光刻將在下一代微光學(xué)、穿戴設(shè)備、生物芯片和集成光子電路中發(fā)揮更加重要的作用。