无掩模紫外光刻机：驱动微纳光子学创新的核心利器

微纳加工领域的无掩模光刻技术研究

光刻作为一种精密微纳表面加工技术，已广泛应用于微电子学、二元光学、光子晶体、集成电路和纳米技术等领域。极紫外光刻是人类所能达到的精度最高的复杂结构微加工技术之一，但是随着微加工特征尺寸的不断缩小，掩模版的造价变得十分昂贵，制作过程复杂，且定型后不易更改。因此，无掩模光刻技术在特定场景下优势显得尤其重要。

无掩模光刻技术通常分为直写技术、干涉光刻技术和数字掩模光刻技术等。

直写技术

直写技术，如激光束直写、电子束直写和离子束直写，虽然避开了掩模制作工艺，但仍存在生产效率低下的致命弱点。

激光束直写（LDL/DWL）是利用高精度光学系统将激光束聚焦成几百纳米到几微米之间的光斑，其分辨率取决于激光波长和物镜的数值孔径。计算机控制工作台（或光束）的移动，使光斑按照预设的图形路径扫描涂有光刻胶的基片，进行曝光。

激光束直写工艺示意图

图片来源：M. Handrea-Dragan and I. Botiz, “Multifunctional Structured Platｆorms: From Patterning of Polymer-Based Films to Their Subsequent Filling with Various Nanomaterials,” Polymers, vol. 13, no. 3, p. 445, Jan. 2021.

电子束直写（EBL）技术利用电磁透镜将电子束聚焦成纳米尺度的束斑，通过计算机控制的电磁偏转线圈引导电子束在光刻胶表面扫描曝光。对电子敏感的光刻胶（电子胶）在受到电子轰击后会发生化学变化。

电子束直写工艺示意图

图片来源：A. Pimpin and W. Srituravanich, “Review on Micro- and Nanolithography Techniques and their Applications,” Engineering Journal, vol. 16, no. 1, pp. 37–56, Jan. 2012.

该技术分辨率极高，是目前分辨率最高的光刻技术之一，可达几纳米级别。这是因为电子的德布罗意波长极短（在加速电压下可达皮米级）。

离子束直写技术与电子束直写类似，但使用聚焦的离子束（通常是镓离子）代替电子束。离子束与光刻胶或基片材料的相互作用更强。

干涉光刻技术

激光束主要具有三个方面的特点，单色性好、单位面积辐射功率极高和方向性极好，因此将激光束分成两束或者多束进行干涉叠加，在空间可形成不同的干涉图样，这种干涉图样起到掩模的作用，在涂有光刻胶的薄膜表面进行曝光，便可产生光栅、孔阵、点阵和柱阵等周期图形。经显影和刻蚀过程，便可获得薄膜刻蚀图形。

双光束干涉光刻示意图

图片来源：M. I. Abid, L. Wang, Q. Chen, X. Wang, S. Juodkazis, and H. Sun, “Angle‐multiplexed optical printing of biomimetic hierarchical 3D textures,” Laser & Photonics Reviews, vol. 11, no. 2, Jan. 2017.

干涉光刻图形的周期大小、光刻深度和形状，通过选择激光波长、相干光束之间夹角的大小和曝光时间确定，干涉曝光所能加工的图形最小特征尺寸为激光真空波长的1/4。

数字掩模光刻技术

数字掩模光刻技术是基于空间光调制器的一种光刻技术，其核心是数字微镜器件（DMD，类似于投影仪的芯片），通过计算机控制每个微镜在“开”和“关”状态之间高速切换的时间比例（脉宽调制，PWM），可以精确控制投射到每个像素点上的光能量（曝光剂量），从而实现灰度曝光，这是DMD光刻的一大优势。这是目前非常流行的一种无掩模技术。

下图是一种DMD数字光刻成像原理图。

DMD数字光刻成像原理图

光源发出的光经准直镜照射在高反射镜，而高反射镜的反射光入射到数字微镜表面。数字微镜在计算机图像文件信号的驱动控制下，在空间形成光分布光刻图像，图像经放大镜放大并经微透镜阵列滤波后，形成点阵光斑图像，然后再经过缩影透镜组将点阵光斑图像投影到光刻胶上。经显影后，便可获得光刻图形。还可以通过面曝光和扫描结合的方式加工大面积图形。

直写技术、干涉光刻技术与数字掩模光刻技术对比

如何选择无掩模光刻设备？

无掩模紫外光刻机通过其数字化、高灵活性、快速周转和低成本的核心优势，已经成为众多应用研究中快速原型制作和中小批量生产的关键工具。它极大地降低了研发门槛，加速了从创新想法到功能器件的转化过程。

如果你的实验室或正在考虑引入无掩模光刻机，可以从以下几个方面考量：

·分辨率和最小线宽：最小特征尺寸的选择，选择分辨率优于目标尺寸的设备。

·加工面积/基板尺寸：考虑你通常需要加工的芯片大小以及未来可能的需求。常见有2-8英寸等规格。

·对齐方式与套刻精度：如果你需要制作多层结构的芯片（如集成微电极），高精度的对准系统至关重要。

·光源与灰度能力：如果需要进行三维结构加工，务必选择支持高灰度等级（如4096级）的设备。

·软件易用性：软件是否支持常见的设计文件格式（如GDSII、DXF），操作流程是否简洁，对准操作是否方便。

托托科技无掩模版紫外光刻机应用案例

无掩模版紫外光刻机

托托科技研发的无掩模版紫外光刻机基于空间光调制技术，实现了数字掩模光刻。设备加工精度最高可达300nm，加工速度可达1200mm²/min，灰度光刻可达4096阶，能够快速地在光刻材料上构建复杂且多层次变化的微观结构和图案。

除步进式光刻的科研Academic版，我们还提供扫描式光刻的高速speed版本，支持4m²超大幅面的微纳加工，既能满足前沿科学研究的需求，也支持产业化应用与开发，的灵活性使其成为科学研究的不二之选。

随着技术的进步，例如图像引导曝光克服邻近效应、更高精度的激光直写技术以及多材料集成工艺的发展，无掩模光刻技术在微电子学、二元光学、光子晶体、集成电路和纳米技术等领域的应用深度和广度还将持续扩展，将继续推动众多前沿领域的发展。