DMD無掩模光刻系統(tǒng)在微納制造中的新進展

微納制造作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的核心基石，正不斷向更高精度、更復雜三維結構及多功能集成的方向演進。在這一進程中，基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的無掩模光刻技術，憑借其無掩模、高靈活性、低成本的優(yōu)勢，正扮演著越來越關鍵的角色。本文將系統(tǒng)梳理DMD無掩模光刻技術的新進展，重點圍繞提升空間分辨率與增強三維微結構制作能力，并剖析其技術原理。

目前，DMD無掩模光刻技術的新進展，主要圍繞著兩個方面：

一是提高光刻空間分辨率，空間分辨率是光刻機的重要參數(shù)，直接影響加工精度與集成度。因此優(yōu)化光刻圖案邊緣平整度，矯正鄰近效應、提高邊緣特征分辨率，突破衍射極限，提高光刻線寬分辨率，是目前重點的研究方向。

二是提升三維微結構制作能力，包括單次灰度曝光光刻和逐層微立體光刻技術。

1.優(yōu)化光刻圖案邊緣平整度

DMD微鏡間隙會引起曝光不均勻，在微結構上產(chǎn)生凹凸不平的表面，引起柵格現(xiàn)象，導致光刻圖形邊緣呈現(xiàn)鋸齒形狀。

目前，解決該類問題的主要方法為：將多個抖動的低分辨率圖像疊加來生成高分辨率圖像。擺動光刻技術是通過將子圖前后偏移小于一個像素的距離，再重疊子圖，每個子圖填充了微鏡間隙。因此，可以平滑圖形邊緣鋸齒，使得光刻出的圖形更接近設計圖。

下圖（a）展示了運用擺動技術來提高光刻圖形邊緣特征分辨能力。將原始圖像拆分為4個子圖，每個子圖相對于原圖在水平和垂直方向上偏移1/2個像素，分別對這4個子圖進行曝光，最終在光刻膠上疊加形成一個完整圖像。

（a）擺動光刻技術原理示意圖；（b）掃描式光刻結合擺動光刻技術

圖（b）展示了掃描式光刻結合擺動光刻技術，其中圖（2）和圖（3）分別是通過疊加1/2個像素和疊加1/4個像素得到的鋸齒尺寸，進一步驗證了DMD子圖錯位掃描疊加光刻對于減小光刻微結構邊緣鋸齒的有效性，并證明移動更小的像素（1/4個像素）重疊能得到更好的邊緣平滑度。

2.矯正鄰近效應

在DMD無掩模光刻中，當曝光線條尺寸接近系統(tǒng)分辨極限，會出現(xiàn)光學鄰近效應，導致圖形發(fā)生線寬變化、線端縮短和轉(zhuǎn)角變圓等畸變。這主要由兩個因素造成：一是處于“ON”態(tài)的微鏡如同獨立衍射單元，其衍射光會疊加在相鄰區(qū)域，造成中心光強遠高于邊緣；二是投影透鏡會丟失部分高頻信息。

為校正此效應，研究人員提出了基于強度調(diào)制的光學鄰近校正技術。如下圖所示

光學鄰近校正技術

其流程為：

仿真分析：通過模擬UV光強分布（圖(a)）和曝光結果（圖(b)），識別出光強過強（如大半徑區(qū)）或過弱（如凹角、線端）的區(qū)域。

灰度掩模設計：針對仿真結果，設計特殊的數(shù)字灰度掩模（圖(c)）。對高光強區(qū)分配較低灰度值的像素以減弱曝光，對弱光強區(qū)則分配較高灰度值的像素以增強曝光。

效果驗證：通過實際曝光驗證，與傳統(tǒng)二進制掩模的結果（圖(d)）相比，應用此灰度校正方法得到的圖形（圖(e)）與原始設計圖案的一致性顯著提高，有效修正了光學鄰近效應帶來的圖形缺陷。

該技術通過數(shù)字化的灰度調(diào)制，靈活地優(yōu)化了光場分布，提升了光刻圖形的保真度。

3.單次灰度曝光光刻

DMD單次灰度曝光光刻技術，通過編程控制微鏡的翻轉(zhuǎn)頻率，在一次曝光中即可生成具有256級灰度的“數(shù)字掩?！?，這種采用單次曝光的灰度光刻技術能制作富有層次、更加連續(xù)復雜的微結構，是三維光刻的基礎。結合熱回流技術，可將灰度曝光產(chǎn)生的階梯表面轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏B續(xù)的表面面形，用于加工復雜面形的浮雕結構。

為實現(xiàn)更平滑連續(xù)的曲面，研究人員開發(fā)了多種創(chuàng)新方法。

雙灰度DMD無掩模光刻技術，將目標曝光劑量分布分解為兩個互補的三維能量分布圖，通過兩次灰度曝光疊加，相當于擴展了有效的灰度級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精細、更平滑的劑量控制，在球形表面上成功制造出光學平滑度更高的曲面微透鏡陣列，克服了單次灰度調(diào)制的局限性。

雙灰度DMD無掩模光刻技術

此外，振動輔助灰度光刻技術，通過在曝光時使投影透鏡沿對角線方向振蕩，有效消除了因DMD微鏡間隙導致的光強波動。它沒有從復雜且昂貴的光學或DMD芯片本身入手，而是通過一個簡單的機械振動模塊，將空間上的光強不均勻性問題，轉(zhuǎn)化為時間域上可被平均掉的噪聲，從而以極低的成本顯著提升了成品的表面質(zhì)量（粗糙度低至1 nm）和光學性能。

如下圖所示，振蕩曝光成功消除了微透鏡表面的鋸齒狀瑕疵，獲得了表面粗糙度低至1 nm的超光滑微透鏡陣列，并同時提高了圖像分辨率。

基于振動的灰度光刻技術

這種方法為需要超光滑表面的微光學元件（如微透鏡、光波導）的批量生產(chǎn)提供了一條高效、可靠的技術路徑。

4.逐層曝光微立體光刻

在DMD無掩模光刻技術中，另一個重要領域就是微立體光刻技術，也稱為3D光刻技術。

與單次曝光成形的灰度光刻不同，這種微立體光刻技術采用“逐層多次曝光制造”原理，能夠制備任意復雜形貌的三維結構，其工藝原理如下圖所示：

微立體光刻成型過程

其原理為，先設計三維模型的CAD，再將模型轉(zhuǎn)為一系列二維位圖文件。每個位圖文件輸入DMD，DMD作為動態(tài)掩模對光敏樹脂進行選擇性曝光，固化一層后，工作臺移動一層高度，如此逐層疊加，最終成型一個完整的三維實體。

目前，微立體光刻技術正向多材料功能化打印方向發(fā)展，新研究開發(fā)為基于注射泵的面投影微立體光刻系統(tǒng)。通過注射泵輸送不同性質(zhì)的光敏材料，該系統(tǒng)能夠在單個結構中復合多種材料。

如下圖所示，研究人員成功打印出由兩種和三種不同材料構成的復雜三維模型，實現(xiàn)了在微觀尺度上集成多種功能特性，極大地拓展了在組織工程、生物醫(yī)學等領域的應用潛力。

（左）多材料CAD模型；（右）打印的實物

雖然微立體光刻技術已有較大研究進展，然而，該技術目前在加工精度、尺寸、效率及多材料兼容性上仍有提升空間，是未來研究的重要方向。

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托托科技 超高精度3D光刻設備 應用

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原文參考：《Research progress of maskless lithography based on digital micromirror devices》