“微莲花，微祝福”| 无掩膜激光直写光刻仪3D灰度曝光应用

发布日期：2020-06-30

近年来，实现微纳尺度下的3D灰度结构在包括微机电（MEMS）、微纳光学及微流控研究领域内备受关注，良好的线性侧壁灰度结构可以很大程度上提高维纳器件的静电力学特性，信号通讯性能及微流通道的混合效率等。相比一些获取灰度结构的传统手段，如超快激光刻蚀工艺、电化学腐蚀或反应离子刻蚀等，灰度直写图形曝光结合干法刻蚀可以更加方便地制作任意图形的3D微纳结构。该方法中，利用微镜矩阵（DMD）开合控制的激光灰度直写曝光表现出更大的操作便捷性、易于设计等特点，不需要特定的灰度色调掩膜版，结合软件的图形化设计可以直观地获得灰度结构^[1]。

由英国科学院院士，剑桥大学Russell Cowburn教授主导设计研制的小型无掩膜激光直写光刻仪（MicroWriter, Durham Magneto Optics），是一种利用图形化DMD微镜矩阵控制的直写曝光光刻设备。该设备可以在无需曝光掩膜版的条件下，根据用户研究需要，直接在光刻胶样品表面上照射得到含有3D灰度信息的曝光图案，为微流控、MEMS、半导体、自旋电子学等研究领域提供方便高效的微加工方案。此外，它还具备结构紧凑（70cm × 70cm X×70cm）、高直写速度，高分辨率（XY ~ 0.6 um）的特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。目前在国内拥有包括清华大学、北京大学、中国科技大学、南京大学等100余家应用单位，受到广泛的认可和好评。

结合MicroWriter的直写曝光原理，通过软件后台控制DMD微镜矩阵的开合时间，或结合样品表面的曝光深度，进而可以实现0 - 255阶像素级3D灰度直写。为上述相关研究领域内的3D线性灰度结构应用提供了便捷有效的实验方案。

图1 利用MicroWriter在光刻胶样品表面上实现的3D灰度直写曝光结果，其中左上、左下为灰度设计原图，右上、右下为对应灰度曝光结果，右上莲花图案实际曝光面积为380 × 380 um，右下山水画图案实际曝光面积为500 × 500 um

图2 利用MicroWriter实现的3D灰度微透镜矩阵曝光结果，其中SEM形貌可见其优异的平滑侧壁结构

       厦门大学萨本栋微纳米研究院的吕苗研究组利用MicroWriter的灰度直写技术在硅基表面实现一系列高质量的3D灰度图形转移^[2]，研究人员通过调整激光直写聚焦深度以及优化离子刻蚀工艺，获得具有良好侧壁平滑特征的任意3D灰度结构，其侧壁的表面粗糙度低于3 nm，相较此前报道的其他方式所获得的3D灰度结构，表面平滑性表现出显著的优势。MicroWriter的灰度曝光应用为包括MEMS，微纳光学及微流控等领域的研究提供了优质且便捷的解决方案。

图3 利用MicroWriter激光直写在硅基表面实现图形转移过程示意图

图4 利用MicroWriter激光直写曝光在硅基表面转移所得的3D灰度结构的实际测量结果与理论设计比较，其中图a中红色散点表示实际图形结构的纵向高度，黑色曲线为图案设计结果；图b中左为设计图形的理论各点高度，右为实际转移结果的SEM形貌结果，其中标准各对应点的实际高度。综上可以看出其表现出优异的一致性

图5 利用AFM对抛物面硅基转移结构的精确测量与分析，可以看到起侧壁的表面平滑度可以小3 nm以下，表现出优异的侧壁平滑性

利用MicroWriter激光直写曝光技术，不仅可以直接制备任意形状的硅基微纳灰度结构，而且可以将制备的3D结构作为模具、电镀模板或牺牲层来应用在其他材料上，如聚合物、金属或玻璃等。这种直观化的激光直写技术在诸多维纳器件研究领域中表现出显著的应用优势和开发前景。

参考文献：

[1] Hybrid 2D-3D optical devices for integrated optics by direct laser writing. Light Sci. Appl. 3, e175 (2014)

[2] Fabrication of three-dimensional silicon structure with smooth curved surfaces. J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 15(3), 034503

相关参考：

英国科学院院士、剑桥大学教授Russell Cowburn介绍：https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr