基于數(shù)字微鏡器件的無掩膜光刻技術(shù)進(jìn)展

張思琪，周思翰，楊卓俊，許智，蘭長勇，李春*

基于數(shù)字微鏡器件的無掩膜光刻技術(shù)進(jìn)展

張思琪1，周思翰1，楊卓俊1，許智2，蘭長勇1，李春1*

（1.電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 011699；2.中國科學(xué)院 物理研究所 松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523429）

基于空間光調(diào)制器的無掩膜光刻是光刻技術(shù)重要發(fā)展方向之一。近年來，隨著數(shù)字微鏡器件芯片集成度與性能的提高，數(shù)字微鏡器件無掩膜光刻成為一種主要的數(shù)字光刻技術(shù)。由于可灰度調(diào)制的光反射式“數(shù)字掩膜”替代了傳統(tǒng)光刻中使用的預(yù)制物理光掩膜版，該技術(shù)極大地簡化了光刻制版流程，提高了光刻的靈活性，廣泛應(yīng)用于平面微納器件、超材料、微流控器件、組織生物研究等領(lǐng)域。從數(shù)字無掩膜光刻原理出發(fā)，簡要介紹了典型勻光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微縮投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而介紹了面向平面光刻的空間分辨率增強(qiáng)技術(shù)、灰度光刻技術(shù)以及三維微立體光刻技術(shù)的進(jìn)展。最后，列舉了幾類典型的數(shù)字無掩膜光刻應(yīng)用，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

無掩膜光刻；空間光調(diào)制器；數(shù)字微鏡器件；分辨率增強(qiáng)；灰度光刻；微立體光刻

1 引　言

光刻作為微細(xì)加工的關(guān)鍵技術(shù)，為規(guī)?；?、高效率人工微結(jié)構(gòu)制造提供了重要技術(shù)支撐。特別是，在人類社會(huì)信息化進(jìn)程中，光刻技術(shù)的發(fā)展直接推動(dòng)了大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。在傳統(tǒng)光刻技術(shù)中，需使用預(yù)制物理掩模版，器件研發(fā)與生產(chǎn)周期長，并且掩模版成本隨分辨率的提高急劇增加。而無掩膜光刻技術(shù)的發(fā)明，極大地簡化了微結(jié)構(gòu)制作流程。

按照光刻束源來分，無掩膜光刻技術(shù)主要分為兩類［1］，一類是基于帶電粒子束的聚焦直寫，包括直寫式電子束光刻（Electron Beam Lithography，EBL）、離子束光刻（Ion Beam Lithography，IBL）；另一類是基于光波的投影曝光，主要包括干涉光刻（Interference Lithography，IL）、激光直寫（Laser Direct Writing，LDW）也稱激光直接成像（Laser Direct Imaging，LDI），以及基于空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）的光刻技術(shù)等?；贓BL、IBL等的無掩膜光刻技術(shù)雖然空間分辨率高（<50 nm），但需要高真空環(huán)境，費(fèi)用昂貴，并且圖形加工效率較低。而基于SLM的非真空無掩膜光刻技術(shù)，因具有高效率、亞微米分辨率、灰度與三維光刻兼容的優(yōu)勢，成為微加工研究領(lǐng)域的重要研究方向。

SLM是一種能將光的空間分布進(jìn)行調(diào)制的微型器件［2］，由很多微小單元呈線型或方陣排列而成。這些單元通過計(jì)算機(jī)編程控制，便捷地將圖形掩膜數(shù)字化，通過編程靈活地改變掩膜形狀，替代了傳統(tǒng)光刻使用的“物理掩模版”，從而避免了傳統(tǒng)光刻系統(tǒng)掩模版制造復(fù)雜昂貴、靈活性差等問題。目前，數(shù)字化空間光調(diào)制可利用磁光與聲光效應(yīng)、多量子阱、液晶透射光調(diào)制及數(shù)字微鏡反射調(diào)制等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)［3］。其中，基于數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）的數(shù)字掩膜光刻技術(shù)，以其設(shè)計(jì)靈活性、非真空的易用性，成為一種低成本、高效率的重要微細(xì)加工技術(shù)。本文介紹了數(shù)字無掩膜光刻原理，進(jìn)而介紹了面向傳統(tǒng)平面光刻的空間分辨率增強(qiáng)技術(shù)，以及數(shù)字無掩膜特有的灰度光刻技術(shù)和三維微立體光刻技術(shù)的進(jìn)展。最后，列舉了幾類DMD無掩膜光刻的典型應(yīng)用，并對其發(fā)展方向做了展望。

2 DMD無掩膜光刻原理

如圖1所示，基于DMD的無掩膜光刻系統(tǒng)一般由勻光照明系統(tǒng)、DMD、投影系統(tǒng)和工作臺4部分組成。曝光光源的出射光通過照明系統(tǒng)的準(zhǔn)直勻化，以一定角度入射到DMD上，經(jīng)DMD調(diào)制后形成特定的掩膜圖案投影到投影系統(tǒng)，通過投影系統(tǒng)將來自DMD的帶有“數(shù)字掩膜”信息的光束縮小投影到涂覆了光刻膠的基片表面，最后通過顯影、烘烤等完成光刻。

圖1　DMD無掩膜光刻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

DMD光刻方式可以分為步進(jìn)式（蓋章式）光刻和掃描式光刻。步進(jìn)式光刻由DMD傳輸圖像直接曝光，適合簡單圖形批量生產(chǎn)，在此基礎(chǔ)上與位移臺聯(lián)動(dòng)，并通過位移臺重復(fù)移動(dòng)一個(gè)DMD幅面寬度進(jìn)行連續(xù)的蓋章式光刻，以進(jìn)行大幅面圖形生產(chǎn)。但在實(shí)際光刻過程中，圖形邊緣往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位、重合等現(xiàn)象，需要進(jìn)行誤差校正來避免這些問題。掃描式光刻中，位移工作臺與DMD幀頻切換速度相匹配，通過DMD的逐幀翻轉(zhuǎn)與圖像數(shù)據(jù)的逐行輸入與輸出，實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)據(jù)滾動(dòng)，最終曝光圖形對應(yīng)所有單像素光能量的疊加。該方式克服了步進(jìn)式光刻中的拼接誤差問題，在進(jìn)行大幅面圖形生產(chǎn)中具有顯著優(yōu)勢。但掃描式光刻機(jī)開發(fā)難度大，需要解決其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、同步高精度運(yùn)動(dòng)控制等核心問題。

2.1　DMD芯片

DMD芯片由德州儀器公司（Texas Instrument Inc.，TI）于1982年研發(fā)上市［4-5］。如圖2所示，DMD芯片由數(shù)百萬個(gè)微米尺度的高反射鋁微鏡像素單元組成，是一種通過特殊制造工藝制作而成的高度集成化的精密光機(jī)元件。如圖2所示，每個(gè)鋁反射鏡中間有2 μm左右的方形通孔，兩反射鏡之間的間距為1 μm左右，彼此間隔排布形成二維矩形陣列。DMD采用反射式投影，微反射鏡主要有3種穩(wěn)態(tài)：+，，0°。0°對應(yīng)沒有尋址電壓的情況（“Flat”態(tài)），+，分別對應(yīng)控制信號的“1”和“0”（“On”態(tài)和“Off”態(tài)）。當(dāng)照明光束入射到DMD微鏡上時(shí)，若給予DMD微鏡高電壓信號，微鏡偏轉(zhuǎn)+，通過反射，光束進(jìn)入投影鏡組，投影到目標(biāo)平面上，每個(gè)微鏡的反射光對應(yīng)目標(biāo)平面上一個(gè)照亮點(diǎn)；若給予DMD微鏡低電壓信號，微鏡偏轉(zhuǎn)，若在后續(xù)光路上放置光學(xué)吸收體，則光束被吸收不會(huì)進(jìn)入鏡頭，在目標(biāo)平面上對應(yīng)一個(gè)暗點(diǎn)。因此，通過計(jì)算機(jī)傳輸圖案數(shù)據(jù)，DMD根據(jù)指令控制數(shù)百萬個(gè)微鏡單元的翻轉(zhuǎn)角度，最終目標(biāo)平面上對應(yīng)數(shù)百萬個(gè)亮點(diǎn)或暗點(diǎn)，即構(gòu)成像素化的曝光掩膜圖形。

隨著DMD制造工藝的不斷迭代，其微鏡中心間距在不斷縮小，從最初的17 μm逐步縮小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了13.68，10.8，7.6 μm的特征尺寸。目前，微鏡中心間距已經(jīng)達(dá)到了5.4 μm，遠(yuǎn)小于液晶空間光調(diào)制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）產(chǎn)品的調(diào)光單元間距（25 μm）。與此同時(shí)，DMD的顯示分辨率也從最初較低的VGA（640×480）逐步發(fā)展到目前4K超高清（3 840×2 160）的顯示分辨率。微鏡翻轉(zhuǎn)角度從最初產(chǎn)品的10°發(fā)展到了主流12°，甚至最新一代芯片的17°。翻轉(zhuǎn)角度的提高使得在DMD處于“OFF”態(tài)時(shí)，光軸與反射回來的光束夾角增大，光束更多地被吸收體所吸收，只有極少部分的光能夠通過投影物鏡。目前，DMD對比度可以達(dá)到2 000∶1以上，遠(yuǎn)高于LC-SLM（小于1 300∶1）。此外，針對紫外光刻與3D打印，TI公司推出了專門用于紫外波段（363～420 nm）的UV型DMD芯片，顯著提高了在紫外波段的反射率。同時(shí)，DMD采用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在相對高溫環(huán)境下也能精密運(yùn)轉(zhuǎn)。憑借上述優(yōu)良的數(shù)字化調(diào)光特性，DMD在數(shù)字無掩膜光刻中有較好應(yīng)用。

圖2　DMD芯片結(jié)構(gòu)示意圖［6］

2.2　勻光照明系統(tǒng)

勻光照明系統(tǒng)是投影光刻機(jī)的核心部分之一，為整個(gè)光刻系統(tǒng)提供光強(qiáng)分布均勻的照明光束，由曝光光源、準(zhǔn)直元件、勻光元件和聚光元件組成。照明系統(tǒng)光源波長、強(qiáng)度、光能分布均勻性及光束穩(wěn)定性等直接影響投影光刻的質(zhì)量［7］。

與傳統(tǒng)紫外曝光相似，高壓汞燈、紫外激光器和紫外發(fā)光二極管（UV LED）都可以作為DMD光刻系統(tǒng)的曝光光源。汞燈具有極高的輻照亮度，其包含光譜范圍寬，有光刻系統(tǒng)適用的435.8 nm（g線）、404.7 nm（h線）及365.0 nm（i線）波段，具有較好的泛用性［8］。但是，汞蒸氣泄露會(huì)污染環(huán)境，且工作壽命較短（2 000～3 000 h）。紫外激光器具有體積小、壽命長、單色性好、發(fā)散角小等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其相干性極強(qiáng)，經(jīng)過DMD微鏡反射后會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，需要后期用額外辦法消除彌散斑的影響。UV LED同樣有著體積小、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，而且其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是由于LED屬于面光源發(fā)射、且發(fā)散角較大，需要良好的準(zhǔn)直系統(tǒng)以防止光功率損失過大。

圖3　勻光技術(shù)原理

照明均勻性是影響光刻性能的一個(gè)重要指標(biāo)［9］。非均勻的光照射入DMD，由于光強(qiáng)不均勻?qū)?huì)導(dǎo)致曝光圖案線寬不一致，影響光刻質(zhì)量。曝光光源的初始均勻性都不能達(dá)到光刻系統(tǒng)所要求的均勻度。因此，為了提高光刻機(jī)性能，必須通過勻光技術(shù)對光源整形。常用的勻光整形技術(shù)主要有柯勒照明、光學(xué)積分棒、微透鏡陣列等，圖3給出了勻光技術(shù)的工作原理。勻光技術(shù)基本上都是由柯勒照明原理發(fā)展而來。與臨界照明相比，柯勒照明能夠獲得均勻而又充分明亮的光照，而且不會(huì)產(chǎn)生眩光。雖然柯勒照明的方式極大地改善了光束的不均勻性，但對于投影光刻來說，仍然不足以滿足其要求的照明均勻性。光學(xué)積分棒（光學(xué)勻光棒）利用光束在器件內(nèi)多次全反射來達(dá)到勻光的目的。聚光鏡將光束耦合進(jìn)勻光棒的入射端面，等效于許多不同入射角度的子光線入射到勻光棒內(nèi)部，子光線在勻光棒的內(nèi)部發(fā)生全反射。通過勻光棒后端出射的光線經(jīng)后續(xù)聚光鏡疊加在目標(biāo)平面上，從而實(shí)現(xiàn)入射光束的均勻化。這種勻光元件結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、成本較低。微透鏡陣列的勻光系統(tǒng)通常由兩列微透鏡陣列和積分鏡組成，陣列由多個(gè)相同的子透鏡排列組成。光束經(jīng)過微透鏡陣列被分割成多個(gè)子光束，所有子光束經(jīng)過積分透鏡之后會(huì)在目標(biāo)面同一位置重疊，使目標(biāo)光斑均勻度進(jìn)一步提高，以達(dá)到光束勻化的目的［10］。在這3種勻光方式中，柯勒照明技術(shù)的光損失最小，實(shí)現(xiàn)的照明均勻度相對較小；勻光棒可以通過增大軸向長度來提高均勻度，隨著光學(xué)長度的增加，反射次數(shù)同樣增多會(huì)造成更多的能量損失，同時(shí)不利于系統(tǒng)的小型化；微透鏡陣列因存在占空比而產(chǎn)生能量損失，可以通過提升制造工藝提高微透鏡單元的占空比，同時(shí)選用紫外吸收系數(shù)較小的材料制作該元件并在其表面鍍增透膜。由此可見，微透鏡陣列既能提高光束均勻性，還具有緊湊型優(yōu)勢。

2.3　微縮投影系統(tǒng)

微縮投影系統(tǒng)通過縮小DMD反射的圖案并投影在光刻膠上，實(shí)現(xiàn)最終的曝光，其縮放倍率決定著光刻系統(tǒng)分辨率，在一定程度上也會(huì)影響最終生成的掩膜圖案的質(zhì)量。

圖4　雙遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)光路示意圖

3 DMD無掩膜光刻關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

目前，DMD無掩膜光刻技術(shù)的發(fā)展主要包括兩個(gè)方面：（1）光刻空間分辨率的提高，包括優(yōu)化光刻圖案邊緣平滑度、矯正鄰近效應(yīng)、提高邊緣特征分辨率，突破衍射極限，提高光刻線寬分辨率；（2）三維微結(jié)構(gòu)制作能力的提升，包括單次灰度曝光光刻和逐層微立體光刻。本文分別對DMD無掩膜光刻的分辨率增強(qiáng)技術(shù)、制備三維微結(jié)構(gòu)的單次灰度曝光技術(shù)及逐層微立體光刻技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

3.1　分辨率增強(qiáng)技術(shù)

空間分辨率是光刻機(jī)的重要參數(shù)，分辨率直接決定器件的加工精度和集成度。由于DMD是由多個(gè)微鏡組成的陣列結(jié)構(gòu)，且微鏡間存在間隙，影響光刻精度。因此，如何在現(xiàn)有的硬件基礎(chǔ)上提高光刻質(zhì)量是目前的研究重點(diǎn)之一。

311邊緣特征分辨率提升

DMD微鏡間隙會(huì)引起曝光的不均勻，在微結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生凹凸不平的表面，引起柵格現(xiàn)象，因此，光刻圖形邊緣呈鋸齒形。為了解決以上問題，人們將多個(gè)抖動(dòng)的低分辨率圖像疊加來生成高分辨率圖像。擺動(dòng)光刻技術(shù)是通過將子圖前后偏移小于一個(gè)像素的距離，再重疊子圖，每個(gè)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(shè)計(jì)圖。

圖5展示了運(yùn)用擺動(dòng)技術(shù)來提高光刻圖形邊緣特征分辨能力［12-13］。如圖5（a）所示，擺動(dòng)光刻技術(shù)將原圖分為4個(gè)子圖，子圖分別移動(dòng)1/2個(gè)像素重疊原圖，經(jīng)過4次曝光，使圖形邊緣更加光滑平整。圖5（b）為非擺動(dòng)法得到的圖形，圖5（c）為該擺動(dòng)法得到的圖形?？梢姡c傳統(tǒng)技術(shù)相比，結(jié)合擺動(dòng)光刻技術(shù)制造的微結(jié)構(gòu)具有更平滑的圖形邊緣。此外，圖5（d）～5（f）通過測量邊緣鋸齒尺寸，進(jìn)一步驗(yàn)證了DMD子圖錯(cuò)位掃描疊加光刻對于減小光刻微結(jié)構(gòu)邊緣鋸齒的有效性，并證明移動(dòng)更小的像素（1/4個(gè)像素）重疊能得到更好的邊緣平滑度［13］。

此外，當(dāng)曝光線條的尺寸接近光刻系統(tǒng)的理論分辨極限時(shí)，空間像會(huì)產(chǎn)生明顯的畸變，即產(chǎn)生光學(xué)鄰近效應(yīng)［15］。在DMD中，處于“ON”狀態(tài)的微鏡可以看作是獨(dú)立的衍射元件，其衍射光疊加在周圍微鏡的光場上。因此，中心微鏡的UV線強(qiáng)度比邊緣微鏡的UV線強(qiáng)度強(qiáng)得多。此外，在穿過投影透鏡時(shí)，一部分高頻信息（如正交角）丟失。這些因素會(huì)導(dǎo)致最終曝光圖案變形，例如線寬變化、線長收縮、轉(zhuǎn)角變圓［15］。Liu等［14］提出了一種方便的強(qiáng)度調(diào)制方法，以校正光學(xué)鄰近效應(yīng)。圖6（a）～6（b）解釋并仿真了鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的原因和曝光結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果，對于UV場的半徑大于理想半徑的區(qū)域使用較低的灰度像素，對于凹角和線條末端等區(qū)域使用較高灰度的像素。通過以上方法設(shè)計(jì)由灰度像素組成的特殊數(shù)字掩膜，并使用紫外線強(qiáng)度計(jì)來測量由不同灰度填充的數(shù)字掩膜的實(shí)際UV強(qiáng)度，以逐點(diǎn)修改的方式將UV強(qiáng)度分布調(diào)制為更接近的期望值（圖6（c）），有效地修改光刻中出現(xiàn)的UV光場缺陷。與傳統(tǒng)的二進(jìn)制掩膜得到的圖案（圖6（d））相比，應(yīng)用數(shù)字灰度掩膜方法得到的曝光結(jié)果（圖6（e））與設(shè)計(jì)圖案更具有一致性，證明了這種校正技術(shù)的可行性。除了以上的強(qiáng)度調(diào)制方法，還有學(xué)者在拐角處添加方形輔助襯線，在襯線處調(diào)整劑量，以最大程度地減少拐角處的圓角［16］；也可用非平行光譜方法對DMD的衍射進(jìn)行分析，仿真結(jié)果為光刻中的掃描路徑和曝光劑量提供了參考［17］。

圖6　光學(xué)鄰近校正技術(shù)［14］

312線寬分辨率提升

美國Ball Semiconductor公司［18］研發(fā)了如圖7所示的基于DMD無掩膜光刻的傾斜掃描式光刻技術(shù)。當(dāng)時(shí)使用的DMD微反射鏡尺寸為17 μm，為了提高光刻分辨率，采用DMD與位移臺同步掃描的方式，該系統(tǒng)的極限光刻分辨率可以達(dá)到1.5 μm。位移臺移動(dòng)方向與DMD投影面短軸存在一定角度。位移臺每移動(dòng)一步，DMD同步刷新投影圖片，以像素重疊的方式來累積曝光并提高光刻精度。該系統(tǒng)同時(shí)利用空間濾波器陣列，減弱光學(xué)散射、噪聲、串?dāng)_、高空間頻率分量以及微透鏡陣列的不完美聚焦對光刻造成的影響。這種陣列濾波技術(shù)［19-20］可以提高數(shù)字無掩膜光刻系統(tǒng)的分辨率。

圖7　傾斜掃描式光刻［18］

為突破衍射極限，獲得高分辨率與高效率兼具的光刻，Mirkin教授小組將蘸筆納米光刻（Dip Pen Nanolithography，DPN）技術(shù)與DMD相結(jié)合［21-22］，開發(fā)出一種新穎的策略來協(xié)調(diào)尋址每個(gè)筆的光與筆陣列的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而進(jìn)行大面積掃描光刻。圖8（a）展示了DPN結(jié)合DMD光刻的原理，當(dāng)紫外線照射DMD時(shí)，該紫外線被選擇性地引導(dǎo)到近場光圈陣列的背面，利用近場光圈克服衍射極限。該研究使用了8 100個(gè)筆陣列來生成了尺寸為9 mm×9 mm的圖案（圖8（b））。并使用96個(gè)筆陣列完成了圖8（c）的圖案，該圖案由線寬120 nm的平面電容器和電阻器的陣列組成，該陣列由2 μm寬的導(dǎo)線陣列連接。圖8（d）～8（g）為圖8（c）中方框內(nèi)納米級電路元件的放大示例。這種變革性的組合保留了近場光學(xué)光刻的高空間分辨率，同時(shí)具有以大規(guī)模和并行方式獨(dú)立控制每支筆生成圖案的能力。

圖8　DMD結(jié)合DPN［22］.（a）DPN示意圖；（b）尺寸為9 mm×9 mm的圖案；（c）掃描電子顯微鏡圖像，該圖案由線寬為120 nm的平面電阻器和電容器的陣列組成；（d）～（g）納米級電路元件的4個(gè)放大示例，其位置在（c）中用方框標(biāo)記

最近，中國科學(xué)院開發(fā)出的無掩膜光學(xué)投影納米光刻技術(shù)，通過一次曝光實(shí)現(xiàn)了32 nm的最小特征尺寸（/12）［23］。該系統(tǒng)采用中心波長為400 nm、脈沖寬度為100 fs、重復(fù)頻率為80 Hz的飛秒激光，100×的油浸物鏡，非化學(xué)放大負(fù)性光刻膠AR-N 7520（膜厚155 nm），使用空間濾波器消除高頻噪聲，利用光束攔截法截取中心光斑進(jìn)入DMD，提供均勻照明，并使用快門控制曝光時(shí)間、衰減器控制激光功率密度。該系統(tǒng)利用非化學(xué)放大光刻膠的化學(xué)非線性以及飛秒脈沖輻照增強(qiáng)的光學(xué)非線性，使得分辨率超越了衍射極限。

表1給出了DMD無掩膜光刻系統(tǒng)線寬分辨率提升方面的相關(guān)重要研究結(jié)果。

表1DMD無掩膜光刻線寬分辨率提升的代表性研究結(jié)果

Tab.1　Representative research results related to improvement of linewidth resolution of DMD maskless lithography

續(xù)表1

圖9　無掩膜光學(xué)投影納米光刻［23］

3.2　單次灰度曝光光刻

利用傳統(tǒng)光刻方法加工三維微結(jié)構(gòu)通常需要借助灰度掩膜的方法，但是灰度掩膜的制作成本相對較高，而且加工靈活性嚴(yán)重不足。利用脈沖寬度調(diào)制的方式控制DMD進(jìn)行灰度圖像的曝光，代替?zhèn)鹘y(tǒng)灰度掩膜，極大地提高了靈活性，也節(jié)省了掩膜制作成本。

通過調(diào)制微鏡翻轉(zhuǎn)頻率，DMD可產(chǎn)生8位的灰度圖像，通過一次曝光即可制作256級灰度的階梯結(jié)構(gòu)［29］。這種采用單次曝光的灰度光刻技術(shù)能制作富有層次、更加連續(xù)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，是三維光刻的基礎(chǔ)。此外，結(jié)合熱回流技術(shù)，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［30］，用于加工復(fù)雜面形的浮雕結(jié)構(gòu)，如微透鏡陣列、微柱面鏡陣列以及相位光柵等元件。因此，該技術(shù)在微光學(xué)元件制作、微機(jī)電器件（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、三維浮雕微結(jié)構(gòu)制作等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。美國Ball Semiconductor公司［18］利用灰度光刻實(shí)現(xiàn)了球面立體結(jié)構(gòu)，并在球面上制造集成電路。德國Erdmann等［31］結(jié)合干涉光刻技術(shù)與灰度光刻技術(shù)，制備了折射和衍射光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)周期的三維結(jié)構(gòu)。

Luo等［32］提出雙灰度DMD無掩膜光刻技術(shù)，并制作了曲面微透鏡陣列。通常對于曲面微透鏡陣列的制備，需要使彈性膜上的平面微透鏡陣列變形，再使用軟光刻和熱回流工藝。這兩種工藝是通過改變彈性體膜的形狀來實(shí)現(xiàn)的，因此只能選擇有限的材料。而且，此制備過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長。而雙灰度法避免了這些問題，制作工藝如圖10所示。首先，將曲面微透鏡陣列的目標(biāo)曝光劑量分布圖分成兩個(gè)單獨(dú)的三維能量分布圖，然后通過單個(gè)灰度數(shù)字無掩膜光刻分別實(shí)現(xiàn)每個(gè)三維能量分布。在基板上疊置兩個(gè)灰度數(shù)字掩膜，以實(shí)現(xiàn)曲面微透鏡陣列的曝光劑量分布。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間顯影之后，可以通過精確調(diào)制雙灰度蒙版來形成更平滑的輪廓。通過這種方法已經(jīng)在1 024 μm×768 μm球形表面上制造出具有183個(gè)微透鏡的曲面微透鏡陣列。與單灰度法相比，雙灰度法具有良好的光學(xué)平滑度，精度更高。這項(xiàng)工作克服了DMD灰度功能的局限性，并且可用于制造其他復(fù)雜的彎曲微結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于仿生系統(tǒng)和MEMS器件中。

圖10　雙灰度DMD無掩膜光刻［32］

圖11　基于振動(dòng)的灰度光刻［33］.（a）基于振動(dòng)的灰度光刻系統(tǒng)；（b）非振動(dòng)型和振動(dòng)型投影之間的投影圖案（200 μm×200 μm）和歸一化的光強(qiáng)度分布；（c）～（d）在非振蕩和振蕩下制造的微透鏡陣列的粗糙度表征；（e）～（f）200 Hz振蕩頻率和無振蕩條件下制造的微透鏡形成的微型化圖像；（g）設(shè)計(jì)的混合灰度圖；（h）混合曲率微透鏡陣列

在制備微透鏡陣列時(shí)，DMD中微鏡間隙會(huì)局部降低光強(qiáng)度，從而難以得到非常光滑的表面。為了減低表面粗糙度，Yuan等［33］開發(fā)了一種基于振蕩輔助的灰度光刻方法。圖11（a）為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)能夠在1～3 s內(nèi)靈活地制造出光滑的微透鏡陣列。單向線性振動(dòng)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)桿牢固地固定在投影透鏡上，以正弦模式沿投影區(qū)域的對角線方向進(jìn)行振蕩，由圖11（b）能看出振蕩會(huì)消除因微鏡存在間隙而導(dǎo)致的光強(qiáng)波動(dòng)。圖11（c）和圖11（d）顯示，施加振蕩消除了鋸齒狀的表面，使微透鏡表面光滑，證明了投影透鏡振蕩是一種制造光滑表面微透鏡陣列的有效方法。圖11（e）和圖11（f）證明了在振蕩下圖像分辨率得以提高。通過優(yōu)化的振蕩條件和經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)的灰度圖（圖11（g）），創(chuàng)建了具有良好形狀保真度的混合曲率微透鏡陣列（圖11（h））。他們提出的這種技術(shù)獲得了低表面粗糙度（1 nm）和高成像分辨率（1.639 μm線寬）的各種尺寸和輪廓的微透鏡，為對超光滑表面有很高要求的批量生產(chǎn)領(lǐng)域提供了啟示。

可見，作為數(shù)字三維光刻的基礎(chǔ)，DMD灰度光刻技術(shù)不僅可以制作出連續(xù)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，而且其工藝流程簡單，加工效率高，非常適合小規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和具有連續(xù)表面結(jié)構(gòu)的微光學(xué)元件的制造。

3.3　逐層曝光微立體光刻

在數(shù)字無掩膜光刻中，另一個(gè)重要的領(lǐng)域是微立體光刻技術(shù)［34］。與單次曝光的灰度光刻不同，這種微立體光刻技術(shù)采用逐層多次曝光，可以制備任意形貌的三維結(jié)構(gòu)，目前已廣泛用于超材料、微流控器件和組織生物學(xué)等領(lǐng)域。其主要原理如圖12所示，先進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)，再利用CAD軟件將三維模型轉(zhuǎn)化為多層的位圖文件，每個(gè)位圖文件被輸入到DMD中，通過一次曝光完成一層的制作，這樣通過逐層曝光疊加成型，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維的結(jié)構(gòu)。

早在1999年，Bertsch等就提出將DMD作為動(dòng)態(tài)掩膜用于無掩膜光刻系統(tǒng)中，通過對感光樹脂的分層固化，實(shí)現(xiàn)三維微立體光刻［36］。之后，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)了一套高分辨率的DMD微立體光刻系統(tǒng)［37］。該系統(tǒng)使用中心波長為365 nm的紫外汞燈作為光源，在汞燈前放置fly-eye光學(xué)均勻器，使均勻度達(dá)到95%以上，刻出寬度為0.6 μm的線條，并制備出了微矩陣、微彈簧、微柱陣列等深寬比極高的微器件。

圖12　微立體光刻成型過程［35］

由于工藝的限制，微立體光刻大多只能使用單一材料。為了實(shí)現(xiàn)多材料微納尺度的3D打印，Choi等［38］開發(fā)了基于注射泵的面投影微立體光刻，這種多材料微立體光刻技術(shù)可用于組織工程、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。此外，將多材料組合在單個(gè)結(jié)構(gòu)中可提供多種特性實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用。他們將開發(fā)的注射泵系統(tǒng)集成到現(xiàn)有的微立體光刻系統(tǒng)中，用于多種材料的輸送和分配。分別用CAD設(shè)計(jì)了復(fù)合三種材料和兩種材料的模型（圖13（a）），根據(jù)設(shè)計(jì)模型制備出了圖13（b）所示的多材料結(jié)構(gòu)。

圖13　基于注射泵的多材料微立體光刻［38］

在微立體光刻的研究上雖然已經(jīng)有了較大的進(jìn)展，但是在某些方面仍然有發(fā)展空間：（1）微立體光刻已經(jīng)可以加工出各種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，但是在精度、加工尺寸和加工效率上還需要加強(qiáng)；（2）因單一材料（多使用光敏樹脂）無法使器件有更好的物理、機(jī)械、化學(xué)等特性，所以需要著重于新材料或復(fù)合材料的開發(fā)，使加工產(chǎn)品應(yīng)用于更多領(lǐng)域；（3）需加強(qiáng)微立體光刻技術(shù)在宏觀、微觀的跨尺度、大面積制造能力。

4 DMD無掩膜光刻典型應(yīng)用

目前，基于DMD無掩膜光刻技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)加工、光學(xué)檢測、航空航天和國防科研等領(lǐng)域，具體包括MEMS器件［39-42］、超材料［43-44］、微流控器件［45-50］、組織生物學(xué)［51-54］、太赫茲器件［55-57］等。

4.1　平面微納器件

具備基礎(chǔ)功能的刻寫系統(tǒng)只能進(jìn)行簡單的曝光，進(jìn)而形成特定的圖案，不能針對特定位置進(jìn)行刻寫。然而，在實(shí)際平面微納器件的制備過程中通常需要可視功能，以在特定位置進(jìn)行器件的制備，此時(shí)采用此類曝光系統(tǒng)無法滿足實(shí)際需求。因此，在DMD無掩膜光刻機(jī)中添加具有對準(zhǔn)功能的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)平面微納器件的靈活制備。同時(shí)，相對于EBL、IBL等技術(shù)，DMD光刻無需在真空條件下進(jìn)行，將小型化的DMD光刻系統(tǒng)放置于手套箱中，可實(shí)現(xiàn)水氧敏感材料的合成-光刻一體化過程。

通常將紅光集成到光刻系統(tǒng)中，在對準(zhǔn)聚焦過程中用作光源。由于大多數(shù)光刻膠在紅色光譜范圍內(nèi)都不敏感，因此紅光在聚焦時(shí)不會(huì)對光刻膠造成影響。制備平面微納器件的流程如圖14（a）所示。首先，在需要光刻的基片上旋涂光刻膠，然后在顯微鏡下找到基片上特定材料的位置，再將需要光刻的圖案以位圖方式導(dǎo)入軟件，通過指引光顯示該圖案，并進(jìn)行對焦，然后通過紫外光在指引光區(qū)域曝光，再通過顯影、鍍膜、去膠過程，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的微納器件加工。圖14（b）為通過該流程制備的場效應(yīng)晶體管的光學(xué)圖片。

圖14　可視化DMD光刻系統(tǒng)制備平面微納器件. （a）制備微納器件過程；（b）制備的場效應(yīng)晶體管的光學(xué)圖片

4.2　超材料

超材料是一種人工制備的具有場調(diào)控功能的特殊材料［29］。通過EBL工藝雖然可以得到納米尺度的超材料，但其制造出的都是二維超材料結(jié)構(gòu)，難以制備三維結(jié)構(gòu)［58］；用機(jī)械加工方式雖然可制造出三維超材料結(jié)構(gòu)，但是難以滿足微觀或宏觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的超材料單元陣列的加工需求，且精度較低［59］。而采用數(shù)字無掩膜光刻技術(shù)，不僅能靈活加工復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，還能滿足高加工精度需求。

Zheng等［43］利用基于硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）的無掩膜光刻技術(shù)制造出了超輕、超硬的新型超材料，可以承受至少16萬倍于自身質(zhì)量的負(fù)荷。普通材料的剛度會(huì)隨著密度的降低而大大降低，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)元素會(huì)在施加的載荷下彎曲（圖15（a））。即使在超低密度下，該微結(jié)構(gòu)材料的單位質(zhì)量密度也能保持幾乎恒定的剛度。此性能來自具有高結(jié)構(gòu)連通性和納米級特征的幾乎各向同性的微型晶胞網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)組件被設(shè)計(jì)為承受拉力或壓縮力（圖15（b））。采用聚合物、金屬或陶瓷為構(gòu)成材料，通過投影微立體光刻技術(shù)與納米級涂層和后處理相結(jié)合來生產(chǎn)微晶格（圖15（c）～15（e）），驗(yàn)證了無論構(gòu)成材料是什么，與之前報(bào)道的超材料相比，這些超材料在超過3個(gè)數(shù)量級的密度上都顯示出超硬性能，而且比其他學(xué)術(shù)報(bào)道中的超輕量級點(diǎn)陣材料剛度高100倍。

圖15　數(shù)字光刻制備超材料. （a）～（e）LCOS光刻制備超材料［43］；（a）以彎曲為主的十四面體晶胞的壓縮載荷機(jī)械響應(yīng)；（b）以拉伸為主的八角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶胞的壓縮載荷機(jī)械響應(yīng)；（c）～（e）具有不同組成材料的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶格；（f）～（m）DMD光刻制備大面積、多尺度超材料［44］；（f）～（h）以拉伸為主的八角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶胞的塊狀分層晶格結(jié)構(gòu)；（i）～（m）多尺度超材料晶胞的結(jié)構(gòu)層次的橫截面分解SEM圖

在之后的研究中，Zheng等［44］用DMD替換LCOS，將超材料擴(kuò)展到大面積、多尺度領(lǐng)域，開發(fā)出了大面積多層級尺度金屬超材料。通過逐級減小特征尺寸、結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)，將宏觀體系結(jié)構(gòu)與納米級特征連接起來，將尺度范圍擴(kuò)大到7個(gè)數(shù)量級（從納米到厘米），同時(shí)涵蓋百萬個(gè)微納米桁架單元（圖15（f）～15（m））。他們對金屬納米級中的空管進(jìn)行了化學(xué)鍍鎳沉積，所產(chǎn)生的鎳-磷超材料是可拉伸和可壓縮的，具有高拉伸強(qiáng)度（約20%）和壓縮彈性變形（>50%）。這些分層材料即使在相對密度低于0.2%的情況下，在壓縮和拉伸方面均表現(xiàn)出近乎恒定的比強(qiáng)度。

4.3　微流控器件

微流控器件是在微米尺度下對流體進(jìn)行操控的器件，主要以微流道的形式控制微流體的流動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種功能［60-61］。目前，DMD光刻技術(shù)與軟光刻工藝相結(jié)合，加工具備微米量級的基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流控芯片已被廣泛研究，它能制備復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和不規(guī)則曲面，是一種低成本、便利并適于實(shí)驗(yàn)室使用的技術(shù)［62］。

圖16　微流控?zé)o掩膜光刻［50］

Yoon等［50］提出了一種DMD結(jié)合軟光刻的微流控?zé)o掩膜光刻系統(tǒng)（圖16（a）），使用PDMS構(gòu)成的微流控通道以及可以進(jìn)行高度調(diào)節(jié)的單軸步進(jìn)電機(jī)來制造三維多材料微粒結(jié)構(gòu)。為了生成特定厚度的多材料結(jié)構(gòu)，他們將特定的材料與光敏聚合物混合來控制曝光深度，通過將不同成分的溶液輸送到微流控通道（能夠同時(shí)或分開傳輸多種流體）中來制造由多種材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)（圖16（b））。此外，通過混合少量的氧化鋅納米粒子，可以在保持透明性的同時(shí)形成均勻薄層（圖16（c）），并且可以創(chuàng)建適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)。他們還創(chuàng)建了如圖16（d）的4×4×4的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)。

4.4　組織生物學(xué)

憑借高分辨率、復(fù)雜幾何形狀的定制結(jié)構(gòu)制造能力，微立體光刻還被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如藥物篩選，疾病研究，組織工程，中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生和細(xì)胞播種支架等［51-54］。

具有高孔隙率和孔互連性的多孔三維支架是重要的支撐結(jié)構(gòu)，可確保細(xì)胞向內(nèi)生長和增殖，從而促進(jìn)組織再生。2009年，Choi等［51］使用DMD無掩膜微立體光刻系統(tǒng)和可生物降解/生物相容性聚合物聚富馬酸丙二酯制作了三維微支架。通過在光刻系統(tǒng)中的制造溶液中添加富馬酸二乙酯可以降低合成聚合物的黏度，并且通過加熱材料在制造過程中進(jìn)一步降低黏度，制造出具有互連孔的微型三維人腎支架。Bochove等［54］建立的使用不同樹脂光交聯(lián)結(jié)構(gòu)的光刻系統(tǒng)如圖17（a）所示，制備了可光交聯(lián)的大分子單體，將大分子單體溶解在碳酸亞丙酯中，加入非反應(yīng)性稀釋劑，并添加染料和光引發(fā)劑，優(yōu)化了這些樹脂組合物配比，設(shè)計(jì)了具有螺旋孔的多孔立方結(jié)構(gòu)（圖17（b））。通過調(diào)整螺旋孔結(jié)構(gòu)特征（孔徑、孔隙率），獲得了具有接近天然彎月面的機(jī)械性能良好且適合人體半月板組織壓縮模量的植入物。上述研究成果證明了DMD三維光刻系統(tǒng)具有制造復(fù)雜生物組織輔助微結(jié)構(gòu)的能力。

圖17　使用不同樹脂光交聯(lián)結(jié)構(gòu)的光刻系統(tǒng)［54］

5 結(jié)論與展望

DMD數(shù)字光刻技術(shù)核心是利用DMD替代傳統(tǒng)掩模版，使得掩模版的掩膜調(diào)光功能可以以數(shù)字可編程的方式實(shí)現(xiàn)，通過對入射空間光的調(diào)制，生成掩膜圖案，并通過后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)微縮投影曝光。

雖然基于DMD的無掩膜光刻技術(shù)發(fā)展迅速，但仍有以下方面有待進(jìn)一步研究：（1）在勻光整形方面，設(shè)計(jì)改進(jìn)用于光刻系統(tǒng)的勻光元件，提高出射光束均勻性，使刻寫線寬均勻一致，實(shí)現(xiàn)大面積均勻曝光，提高大面積拼接質(zhì)量；（2）在光刻分辨率方面，除了改進(jìn)數(shù)值孔徑以及DMD微鏡尺寸、間距等硬件基礎(chǔ)來提高分辨率之外，還可將超表面技術(shù)結(jié)合DMD光刻，利用超表面透鏡的特殊性來避免色散、消除色差、提高鏡頭分辨率；開發(fā)校正光學(xué)鄰近效應(yīng)的算法，以自動(dòng)識別正交角等高頻信息并進(jìn)行自動(dòng)圖像處理；（3）在三維結(jié)構(gòu)制備方面，結(jié)合飛秒激光和雙光子聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的納米級三維結(jié)構(gòu)制備；研發(fā)出工業(yè)級的多材料微納DMD光刻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在器官、生物組織、超材料等加工領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。

總之，隨著光學(xué)鏡頭的改進(jìn)、光刻膠性能的提升、DMD芯片制作工藝的迭代，可以預(yù)見，DMD無掩膜光刻技術(shù)會(huì)持續(xù)深入發(fā)展，對微納功能結(jié)構(gòu)與器件的制造起著重要的推動(dòng)作用。同時(shí)，隨著多學(xué)科交叉和融合的加強(qiáng)，DMD無掩膜光刻的應(yīng)用會(huì)更加多元化。

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Research progress of maskless lithography based on digital micromirror devices

ZHANG Siqi1，ZHOU Sihan1，YANG Zhuojun1，XU Zhi2，LAN Changyong1，LI Chun1*

（1，，011699，；2，，，523429，），：

Maskless lithography based on spatial light modulators is an important development direction of lithography technology. In recent years， with the improvement in digital micromirror device （DMD） chip integration and performance， maskless lithography based on DMD has become the main digital lithography technology. By virtue of a programmable digital mask that can be gray-scale modulated to replace the prefabricated physical photomask used in traditional lithography， it can greatly simplify the process of lithography and improve the flexibility of lithography. It is widely used in many research fields including planar micro-nano devices， metamaterials， microfluidic device chips， and tissue biology. Starting from the principle of maskless lithography， we briefly introduce the structure of uniform illumination system and miniature projection system， and then summarize the development of spatial resolution enhancement technology for traditional planar lithography， grayscale lithography， and three-dimensional micro-stereolithography technology. Finally， we highlight the typical applications of digital maskless lithography and propose its future development direction.

maskless lithography； spatial light modulator； digital micromirror device； resolution enhancement； grayscale lithography； micro-stereo lithography

TN305

A

10.37188/OPE.20223001.0012

1004-924X（2022）01-0012-19

2021-08-20；

2021-09-23.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61475030，No.61975024）

張思琪（1996），女，河南漯河人，碩士研究生，主要從事數(shù)字無掩膜光刻的研究。E-mail：13016493173@163.com

李春（1980），男，湖北十堰人，教授，博士生導(dǎo)師，2008年于武漢大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光電子器件及系統(tǒng)研究。E-mail：lichun@uestc.edu.cn