DMD無(wú)掩模光刻系統(tǒng)在微納制造中的新進(jìn)展

微納制造作為現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心基石，正不斷向更高精度、更復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及多功能集成的方向演進(jìn)。在這一進(jìn)程中，基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的無(wú)掩模光刻技術(shù)，憑借其無(wú)掩模、高靈活性、低成本的顛覆性優(yōu)勢(shì)，正扮演著越來(lái)越關(guān)鍵的角色。本文將系統(tǒng)梳理DMD無(wú)掩模光刻技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)圍繞提升空間分辨率與增強(qiáng)三維微結(jié)構(gòu)制作能力，并剖析其技術(shù)原理。
 
目前，DMD無(wú)掩模光刻技術(shù)的新進(jìn)展，主要圍繞著兩個(gè)方面：
一是提高光刻空間分辨率，空間分辨率是光刻機(jī)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(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，是目前重點(diǎn)的研究方向。
二是提升三維微結(jié)構(gòu)制作能力，包括單次灰度曝光光刻和逐層微立體光刻技術(shù)。
 

• 優(yōu)化光刻圖案邊緣平整度

DMD微鏡間隙會(huì)引起曝光不均勻，在微結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生凹凸不平的表面，引起柵格現(xiàn)象，導(dǎo)致光刻圖形邊緣呈現(xiàn)鋸齒形狀。
目前，解決該類問(wèn)題的主要方法為：將多個(gè)抖動(dòng)的低分辨率圖像疊加來(lái)生成高分辨率圖像。擺動(dòng)光刻技術(shù)是通過(guò)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。
下圖（a）展示了運(yùn)用擺動(dòng)技術(shù)來(lái)提高光刻圖形邊緣特征分辨能力。將原始圖像拆分為4個(gè)子圖，每個(gè)子圖相對(duì)于原圖在水平和垂直方向上偏移1/2個(gè)像素，分別對(duì)這4個(gè)子圖進(jìn)行曝光，最終在光刻膠上疊加形成一個(gè)完整圖像。
  圖（b）展示了掃描式光刻結(jié)合擺動(dòng)光刻技術(shù)，其中圖（2）和圖（3）分別是通過(guò)疊加1/2個(gè)像素和疊加1/4個(gè)像素得到的鋸齒尺寸，進(jìn)一步驗(yàn)證了DMD子圖錯(cuò)位掃描疊加光刻對(duì)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。

• 矯正鄰近效應(yīng)

在DMD無(wú)掩模光刻中，當(dāng)曝光線條尺寸接近系統(tǒng)分辨極限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光學(xué)鄰近效應(yīng)，導(dǎo)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(gè)因素造成：一是處于“ON”態(tài)的微鏡如同獨(dú)立衍射單元，其衍射光會(huì)疊加在相鄰區(qū)域，造成中心光強(qiáng)遠(yuǎn)高于邊緣；二是投影透鏡會(huì)丟失部分高頻信息。
為校正此效應(yīng)，研究人員提出了基于強(qiáng)度調(diào)制的光學(xué)鄰近校正技術(shù)。如下圖所示
  其流程為：
仿真分析：通過(guò)模擬UV光強(qiáng)分布（圖(a)）和曝光結(jié)果（圖(b)），識(shí)別出光強(qiáng)過(guò)強(qiáng)（如大半徑區(qū)）或過(guò)弱（如凹角、線端）的區(qū)域。
灰度掩模設(shè)計(jì)：針對(duì)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)特殊的數(shù)字灰度掩模（圖(c)）。對(duì)高光強(qiáng)區(qū)分配較低灰度值的像素以減弱曝光，對(duì)弱光強(qiáng)區(qū)則分配較高灰度值的像素以增強(qiáng)曝光。
效果驗(yàn)證：通過(guò)實(shí)際曝光驗(yàn)證，與傳統(tǒng)二進(jìn)制掩模的結(jié)果（圖(d)）相比，應(yīng)用此灰度校正方法得到的圖形（圖(e)）與原始設(shè)計(jì)圖案的一致性顯著提高，有效修正了光學(xué)鄰近效應(yīng)帶來(lái)的圖形缺陷。
該技術(shù)通過(guò)數(shù)字化的灰度調(diào)制，靈活地優(yōu)化了光場(chǎng)分布，提升了光刻圖形的保真度。

• 單次灰度曝光光刻

DMD單次灰度曝光光刻技術(shù)，通過(guò)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(jí)灰度的“數(shù)字掩模”，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)。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�連續(xù)的表面面形，用于加工復(fù)雜面形的浮雕結(jié)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)更平滑連續(xù)的曲面，研究人員開(kāi)發(fā)了多種創(chuàng)新方法。
雙灰度DMD無(wú)掩模光刻技術(shù)，將目標(biāo)曝光劑量分布分解為兩個(gè)互補(bǔ)的三維能量分布圖，通過(guò)兩次灰度曝光疊加，相當(dāng)于擴(kuò)展了有效的灰度級(jí)數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)、更平滑的劑量控制，在球形表面上成功制造出光學(xué)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。 此外，振動(dòng)輔助灰度光刻技術(shù)，通過(guò)在曝光時(shí)使投影透鏡沿對(duì)角線方向振蕩，有效消除了因DMD微鏡間隙導(dǎo)致的光強(qiáng)波動(dòng)。它沒(méi)有從復(fù)雜且昂貴的光學(xué)或DMD芯片本身入手，而是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)模塊，將空間上的光強(qiáng)不均勻性問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為時(shí)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(xué)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(shí)提高了圖像分辨率。
  這種方法為需要超光滑表面的微光學(xué)元件（如微透鏡、光波導(dǎo)）的批量生產(chǎn)提供了一條高效、可靠的技術(shù)路徑。

• 逐層曝光微立體光刻

在DMD無(wú)掩模光刻技術(shù)中，另一個(gè)重要領(lǐng)域就是微立體光刻技術(shù)，也稱為3D光刻技術(shù)。
與單次曝光成形的灰度光刻不同，這種微立體光刻技術(shù)采用“逐層多次曝光制造”原理，能夠制備任意復(fù)雜形貌的三維結(jié)構(gòu)，其工藝原理如下圖所示：
  其原理為，先設(shè)計(jì)三維模型的CAD，再將模型轉(zhuǎn)為一系列二維位圖文件。每個(gè)位圖文件輸入DMD，DMD作為動(dòng)態(tài)掩模對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)行選擇性曝光，固化一層后，工作臺(tái)移動(dòng)一層高度，如此逐層疊加，最終成型一個(gè)完整的三維實(shí)體。

目前，微立體光刻技術(shù)正向多材料功能化打印方向發(fā)展，最新研究開(kāi)發(fā)為基于注射泵的面投影微立體光刻系統(tǒng)。通過(guò)注射泵輸送不同性質(zhì)的光敏材料，該系統(tǒng)能夠在單個(gè)結(jié)構(gòu)中復(fù)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(gòu)成的復(fù)雜三維模型，實(shí)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(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。 雖然微立體光刻技術(shù)已有較大研究進(jìn)展，然而，該技術(shù)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(lái)研究的重要方向。

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