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            無掩模光刻技術與應用研究

            摘要

            本文綜述了數字無掩模光刻技術、激光直寫技術、電子束光刻和激光干涉光刻技術的發展狀況,并探討了其原理、發展成果和在制造加工領域的重要性。相比傳統的有掩模光刻技術,無掩模光刻技術無需掩模板,有制造周期短、更經濟的優勢。數字無掩模光刻技術通過數字化控制實現了高速、靈活的圖案轉移。激光直寫技術能夠實現微米級別的高精度加工,為微納加工和光子學器件制造提供了支持。電子束光刻具有極高的分辨率,在科研領域展現了巨大潛力。激光干涉無掩模光刻技術具備更高的分辨率和高效制作周期性圖案能力。未來,無掩模光刻技術在微納加工和光子學器件制造領域有廣闊的應用前景,但需解決圖案形變、傳輸效率和加工精度以及完善相關配套工作系統等問題,進一步優化和改進技術。加強對數字無掩模光刻和激光直寫技術的研究,提高圖案設計算法和加工速度,滿足微納加工需求具有重要意義,將為微納加工和光子學器件制造帶來更廣闊的發展空間和應用。

             關鍵詞:無掩模光刻數字光刻激光直寫電子束光刻

            第一章緒論

              1.1研究背景

            在現代微電子工業的蓬勃發展之下,芯片的制造工藝已然進步與改良。然而,在芯片制造工藝之中,光刻技術一直是不可或缺的重要工藝步驟。然而,隨著半導體器件的進一步縮小,掩模光刻技術日漸顯露出若干棘手問題。諸如:掩模制備難度升級,掩模壽命日益縮短,同時,光刻膠敏感度愈發提高,厚度也不斷降低。這些問題嚴重影響了傳統掩模光刻技術的推廣與使用。為解決此等問題,無掩模光刻技術于是應運而生。無掩模光刻技術所指為,利用電子束或激光等光源,通過計算機程序,在光刻膠表面直接制造所需圖案。與傳統掩模光刻技術相較,無掩模光刻技術具備更高的分辨率、更佳的制備精度以及更短的制造周期。因此,無掩模光刻技術被廣泛應用于微電子、光電子、生物芯片、納米技術等領域。

            無掩模光刻技術的研究發展和應用對于當今微電子工業的發展至為重要。首先,無掩模光刻技術能夠極大地提高芯片的集成度與制造精度,從而增進芯片的性能和可靠性。其次,無掩模光刻技術具備更高的生產效率和更短的制造周期,可大大縮減芯片的制造周期,降低制造成本[1]。最后,無掩模光刻技術還可實現更加復雜的芯片結構和功能,從而滿足不斷增長的應用需求。

            總之,無掩模光刻技術是芯片制造工藝中非常重要的一個技術領域。未來,隨著微電子工業的不斷發展和應用需求的不斷增長,無掩模光刻技術將會得到更廣泛的應用和深入的研究。

             1.2國內外研究現狀

            無掩模光刻技術作為一種先進的微納加工技術,已經成為微納器件制備領域中的熱點研究方向。無掩模光刻技術的分類并不是非常明確,但一般可以從工作原理、加工方式等角度進行分類。本節將從數字無掩模光刻技術、激光干涉光刻技術、激光直寫技術以及電子束光刻這四個方面來介紹國內外無掩模光刻技術的研究現狀及發展趨勢。

             1.2.1數字無掩模光刻技術

            數字無掩模光刻技術是一種新型的微納加工技術,它采用數字投影技術來控制光源的形狀和位置,從而實現無掩模光刻。相比傳統的掩模光刻技術,數字無掩模光刻技術具有更高的靈活性和精度,可以實現更加復雜的光刻圖案和多層次的加工結構,同時也具備更加經濟高效的特點[2]。

            當談到數字無掩模光刻技術時,其中一種常見的實現方法就是利用數字微鏡器件(DMD)技術。DMD數字無掩模光刻技術是一種全數字化的微納加工技術,它利用計算機控制的DMD微鏡器件來控制光源的形狀和位置,從而實現無掩模光刻。

            DMD數字無掩模光刻技術在集成電路領域較為廣泛。隨著電子元件尺寸的不斷縮小和對更多元件特性的需求增加,基于數字微鏡器件(DMD)的無掩模光刻系統成為PCB制作中的一種高效工具,它避免了傳統基于聚酯掩模的光刻工藝所導致的失真,同時也節約了大量時間和成本。為了滿足未來印刷電路板制造的趨勢,一家位于加利福尼亞州的PCB制版公司在2011年推出了一款基于DMD的光學系統的數字印刷機,它不僅成本低廉、打印速度快,還能夠保證高精度的配準要求。該機采用多個并行的DMD光學系統來處理掃描基板,為大面積PCB制版(45.72cm×60.96cm)和特征尺寸大于50μm的PCB制版提供了極高的打印速度和套準精度。近年來,基于DMD的無掩模光刻技術在PCB制版領域得到了廣泛應用,但仍然存在一些問題,例如PCB曝光面積小,曝光像素尺寸外線距,以及線寬精度低的問題。2018年,劉清源[3]提出了一種改進模型,采用掃描式曝光來滿足大面積PCB的曝光需求,采用灰階調制來滿足高精度PCB的曝光需求,為PCB大面積和高精度的項目提供了可行性方案;Lee等提出了一種基于高速GPU加速路徑繪制和CPU并行計算的光柵化方法,通過將圖案信息與PCB對準提高曝光精度,大大提高了曝光圖像的質量。

            隨著人們對光電子器件小型化需求的不斷增加,微透鏡陣列已經成為了微光學領域中備受關注的重要器件。相比于球面微透鏡,非球面微透鏡陣列具有更高的填充因子,同時也擁有更好的信噪比和光學性能。因此,它們構成的光學系統具有尺寸小、質量輕和成像質量好的特點。然而,傳統的制造方法,如反應離子刻蝕和熱回流,通常難以制造出具有高填充因子和非球面表面輪廓的微透鏡陣列。飛秒激光誘導雙光子聚合方法雖然可以用來制備高填充因子的非球面微透鏡陣列,但它的耗時長且表面精度有限。因此,近年來,基于DMD的無掩模光刻技術已經成為了制造高填充因子非球面微透鏡陣列的有效方法。

            2017年,Zhong等人提出了一種基于數字無掩模光刻技術制作高填充因子非球面微透鏡陣列的方法,每個微透鏡周邊都沒有間隙,大大提高了微透鏡陣列的光學性能。其原理如圖1-1所示。值得一提的是,該方法的不僅成本低,產量且高。

            圖1-1非球面微透鏡,(a)放大圖像;(b)一個微透鏡的三維圖像.

            f928f31b3db5ed20eed0e1c3e7ad1f4e  此外,2019年,Zhu等人還介紹了一種劑量調制DMD光刻與低溫熱回流相結合的高性價比方法,該方法能夠制備出接近100%填充因子、高形狀精度和高表面質量的非球面微透鏡。這種方法為快速制作高質量、高填充因子的非球面微透鏡提供了一種具有發展前景的新方法。

            基于DMD的數字無掩模光刻技術因其高效、低成本、高精度和靈活性而備受矚目,已經在許多領域得到了廣泛的應用。然而,目前該技術仍然存在一些問題:首先,光刻分辨率到達了光學極限,需要進一步研發滿足極紫外光刻的DMD設備。其次,對于大面積三維光刻,主要依賴于系統對準精度和圖形拼接精度,這大大增加了光刻系統的構建成本。第三,DMD的像素量化誤差難以完全消除,現有方法只是不同程度地減弱該影響。盡管如此,隨著DMD芯片和控制系統的不斷升級和完善,這些問題有望得到緩解和解決。因此,基于DMD的數字光刻技術仍然具有廣闊的發展前景和應用前途。未來,隨著該技術在光刻分辨率、制造效率以及光刻介質等方面的不斷突破和發展,相信它將進一步推動交叉學科的進步,促進國民經濟的發展,提升國家的科技實力[4]。

             1.2.2激光干涉光刻技術

            激光干涉光刻技術作為一種先進的光刻技術,近年來在國內外微電子制造領域迅速嶄露頭角。利用激光光束的干涉效應,激光干涉光刻技術能夠實現高精度的圖案定義,因此受到了廣泛的關注和研究。隨著微電子行業對更小、更復雜器件的需求不斷增加,激光干涉光刻技術展現出了巨大的潛力和應用前景。

            在小尺度納米結構加工方面,Johannes de Boor團隊進行了關于小尺度納米結構加工的深入研究。他們的研究不僅展示了激光干涉光刻在納米加工領域的潛力,而且揭示了一些令人驚訝的發現。通過利用激光干涉二次曝光技術制作點陣結構,研究團隊成功地實現了對點的精確控制和定位。這為進一步減小每個點的尺度奠定了堅實的基礎。配合反應離子刻蝕技術,他們能夠進一步調整整體結構的形態。

            在該研究中,研究團隊還利用lift-off(一種納米加工工藝)和反應離子刻蝕深刻蝕技術成功制備出線寬不大于100nm的納米線結構,如圖1-2(a)所示。這一突破性的成果使得納米線的制備更加精確和可控,為納米電子學和光電子學等領域的應用提供了新的可能性。

            同時,他們還利用一面利特羅棱鏡進一步擴展了加工尺度范圍,制備出了線寬不大于50nm的表面納米結構,如圖1-2(b)所示。這一技術的應用無疑將激光干涉光刻的可加工結構尺度范圍擴大到傳統光刻和電子束光刻之間,為納米光子學和納米傳感器等領域的發展帶來新的突破。

            0a384c8e315093781581a2c60f647b04  圖1-2激光干涉光刻加工深亞微米結構。(a)使用激光干涉光刻為基礎加工的硅基納米線。(b)激光干涉光刻結合利特羅棱鏡加工出線寬低于50nm的表面光柵結構。

            激光干涉光刻具備無掩模即可加工廣闊表面納米結構的獨特優點。根據海外研究學者的成功實踐表明,運用激光干涉光刻可以制作出巨大面積的重復性納米圖案。KeDu研究小組的研究顯示,激光干涉光刻技術可以實現直徑超過5cm的表面納米結構制造,這些結構不僅擁有寬廣面積,而且展現出亞微米尺度下卓越的均勻性。該研究團隊將這些表面結構作為工作前提,通過金屬沉積法制備出品質優異的模板,如圖1-3(a)所示。

            值得一提的是,J.P.Spallas團隊報道利用351nm氫離子激光器在50cm*50cm區域內制造重復性小于500nm的結構,如圖1-3(b)所示。這一加工面積已達到16寸硅片的規模,充分展現了激光干涉光刻在工業領域的巨大潛力,遠非僅限于實驗室應用??傮w而言,激光干涉光刻技術無需掩模即可實現大面積納米結構的加工,為納米科技領域帶來重要突破。KeDu研究小組和J.P.Spallas團隊的研究成果不僅展現了激光干涉光刻的靈活性和廣泛應用價值,同時也為納米光子學、納米傳感器等領域的發展提供了重要支持。

            6f427fc917f28abe7488795277926bd5  圖1-3基于激光干涉光刻加工的大面積表面納米結構。(a)干涉光刻加工的表面納米結構區域直徑大于5cm。(b)J.P.Spallas等人報道的超大面積表面納米圖形結構。

            國外經過較長時間的研究,目前的技術已可以在硅片上制造出平方公尺量級的納米圖案,并被用于模板制造、新型微納器件制造、光子晶體制造等。目前,我國只有幾所高等院校和研究單位,如四川大學,南京大學,復旦大學等,開始了對干涉光刻技術的研究。盡管我國在干涉光刻方面起步比較晚,但是我們的干涉光刻技術卻在不斷地迎頭趕上,有朝一日,我國的干涉光刻技術將成為國際上最先進的干涉光刻技術之一。

            由于干涉光刻可實現大面積、高質量、高精度的光刻,近年來在微細制造中得到越來越多的關注,并在科學研究及某些應用方面獲得了顯著成果。雖然干涉光刻技術具有無需掩模、結構簡單、價格低廉等優點,但是要實現其規?;瘧?,仍然面臨著諸多問題。

            現有的激光干涉光刻技術僅能對具有周期特征的光柵和點陣進行加工,不能滿足實際應用中對納米結構的復雜制造要求。同時,其它納米制造技術也相繼出現,例如,電子束光刻和納米壓印等,這些技術以其高精度,可以確保被制造的產品的品質,就算是現在的干涉光刻技術,也很難達到這種程度。

             1.2.3激光直寫技術

            激光直寫技術是一種重要的微納加工技術,在國內外得到了廣泛的研究和應用。自20世紀70年代起,激光直寫技術開始逐漸發展壯大。早期的激光直寫技術主要是基于光致化學反應的機制,通過激光在光敏劑上產生的化學反應來進行微米級結構加工。然而,這種技術存在的主要問題是加工速度慢、分辨率低,以及不能處理多種材料。為了克服這些問題,人們逐漸發展了多種激光直寫技術。例如,利用激光直接將材料加工去除的技術,如激光燒蝕、激光消融等。這些技術在加工速度和分辨率方面有了很大的提高,但也存在一些局限性,如只能處理部分材料、存在表面質量問題等[5]。

            近年來,隨著激光器技術的不斷發展和材料研究的深入,涌現出了許多新的激光直寫技術。例如,基于渦旋光束的激光直寫技術,亦渦旋光束直寫光刻技術,這種技術利用具有軌道角動量的渦旋光束,可以實現微米級、納米級的加工精度和高速度。渦旋光束具有自由度高、光強分布復雜等優點,已經在微納加工、生物芯片制備、光子學器件制備等領域展現出了廣泛的應用前景。

            渦旋光束是一種具有螺旋相位結構的光束,可以通過光學元件的調控來改變其螺旋結構和波前形狀。這種特殊的光場分布使渦旋光束具有一些獨特的加工性能,例如可以制造一些無法通過傳統激光光刻技術實現的圖案結構,同時具有更高的加工效率和加工精度等優勢。

            渦旋光束直寫光刻技術的基本原理是通過聚焦渦旋光束直接寫入光刻材料,形成所需的結構。與傳統激光光刻技術不同的是,渦旋光束直寫光刻技術不需要掩模板,因此可以避免掩模產生的誤差和復雜性。同時,渦旋光束具有高自由度的相位結構,可以通過調節相位形成更加復雜的圖案結構。因此,渦旋光束直寫光刻技術具有很大的潛力,在微納加工領域得到了廣泛的研究和應用。

            渦旋光束由于其特殊的光場分布,無法產生獨立的亞波長結構,因此研究此技術的人較少。但是,在某些非一般應用中,渦旋光束可以用于制造所必備的亞波長結構。2013年,M.S.Kim等人在“微納光學與光電子制備”國際前沿學術研討會上,首次提出采用直接光刻方法制備具有特定形狀特征的新型納米材料。他們利用405nm的小數字孔徑光刻物鏡,利用其聚焦的漩渦光束,成功地制作出了具有數百納米以上特性的結構。其中,靜態的、具有高密度、高密度和高密度等特性的渦旋光可以得到最大粒徑為100-200納米的納米圓柱。采用線性極化器將渦旋光束分成兩個波瓣的兩個波瓣的分束器,使其在靜態曝光時得到最佳的結果。具有大約90毫微米的間距,而在動態暴露下,可得到大約85毫微米的微米格柵。

            d9fbf66757e81cb77dfb8eba42a384f1  圖1-4聚焦渦旋光束及其分解的直寫結果:(a)聚焦渦旋光束曝光產生的納米柱(b)雙翎

            型分裂光束曝光產生的納米間隔(c)雙瓣型分裂光束動態掃描獲得的納米線條盡管渦旋光束直寫技術在微納加工領域中的應用尚不廣泛,但其在制造亞波長結構方面的獨特能力仍然具有極大的潛力。未來,隨著該技術的不斷發展和改進,渦旋光束直寫技術有望成為微納加工領域中的重要工具,為我們創造出更加精細、高效的微納結構,推動微納加工技術的發展[6]。

              1.2.4電子束光刻技術

            電子束光刻是目前已知的最精細的光刻工藝,其精細度在10nm以內,足以滿足當前所有制程對精細度的需求。直寫型電子束光刻機是一種利用直寫型電子束光刻技術,將一束電子束直接射入到感光材料上,從而實現對感光材料的加工。由于直接寫入方式無需使用光刻掩模板,所以光刻掩模的價格非常昂貴,所以無需掩模的直接寫入方式能夠極大地降低芯片的制作成本。然而,電子束光刻機因其較低的曝光速度,難以實現大批量、大型化的加工。目前,在集成電路生產中,電子束光刻機主要是用來生產高精度的光刻掩膜以及相移掩膜。電子束激光刻機在微納光學、微機電系統、特殊微納元件等微納制造領域具有非常廣闊的應用前景。相比于濕法蝕刻,干法蝕刻和電子束光刻相結合,更有可能獲得更好的納米結構。所以,電子束光刻技術在微納器件的制造和科學研究中起著至關重要的作用。

            細胞外信號分子等多種標志物的同步檢測對疾病的診斷具有重要意義。在微納尺寸范圍內,準確確定抗體在生物傳感、診斷和檢測技術中的位置,是實現生物傳感和診斷的關鍵。這就對芯片的特征尺寸小型化提出了新的需求。電子束光刻技術具有高精度、不需要昂貴的掩膜即可實現多種微納米結構的制備,在生物科學研究中具有廣闊的應用前景。UlandY.Lu[7]等使用電子束光刻(electrochemical spectromagnetic factor)精刻蛋白質圖案,從而實現了對活細胞中復合體因子(receptor)的檢測。圖1-5中顯示了使用電子束平版印刷系統制作蛋白抗體圖案的基本流程。在硅基板上,用大約2.68±0.11納米的PEG膜包覆層。將抗體、多聚蛋白及抗壞血酸三種成分的混合物涂覆于襯底上,用作電子束光刻膠。在基板上用電子束輻照后,與其它聚合物類似,聚合物在混合溶液中的分子鏈斷裂,使聚合物在顯影液中溶解。

            5c51272e9120ab2b4c976cec2e3b3af1  圖1-5電子束光刻蛋白質圖形的步驟

            硅光子由于表現出可以兼容成熟的微電子工藝而逐漸獲得大量的關注。在集成光學領域,絕緣體上硅(SOI)中由于Si和SiO2存在著大折射率差可以成為優良的光波導。M.Gnan等人利用基于HSQ光膠工藝的電子束光刻制備出了單模SOI光子線波導和布拉格光柵,如圖1-6所示。

            圖1-6 SOI光子線波導和布拉格光柵顯微圖片

            1d64f97c2269fb8819d59b1fd10096aa  隨著集成電路的不斷發展,高精度光刻工藝與器件也隨之不斷進步。高精度的直寫式電子束光刻是新一代光刻工藝研究的熱點。電子束曝光技術在微電子、微光學、硅基光電、生化等科學研究中有著廣闊的應用前景。集成電路制造工藝的進步,也帶動了其它學科的發展,產生了納米電子學,微納光學,硅光電子學等多個新興的交叉領域。由于受工藝效率低下的限制,電子束光刻機被廣泛應用于IC工藝中的掩模版制作。若能突破這一技術瓶頸,則有望使電子束光刻機在微納制造、納米器件制造等方面的應用得到進一步拓展[8]。

            以上介紹的四種無掩模光刻技術各有優勢,綜合考慮來講,數字無掩模光刻技術和激光直寫技術,具備獨特的優勢和潛力。其中,基于數字微鏡DMD的無掩模光刻技術可采用紫外光、深紫外光、甚至更短波長的極紫外光作為光源,具有很強的技術延伸性和工藝兼容性,滿足靈活、高效、低成本的要求,更易在光刻實踐中得到應用,具有廣泛的應用前景。然后,激光具備非接觸加工的特性,使得激光直寫技術成為一種靈活且高效的加工方法。激光直寫技術可以直接寫入任意形狀和結構,適用于個性化定制制造和快速樣品制備。因此接下來將對基于DMD的數字無掩模光刻技術和激光直寫技術進行一個深入介紹。

             1.3本文研究內容與目標

            本文旨在介紹研究無掩模光刻技術及其應用。首先介紹研究背景和國內外研究現狀,包括數字無掩模光刻技術、激光干涉光刻技術、激光直寫技術、電子束光刻技術。接下來重點介紹了基于DMD的數字無掩模光刻和激光直寫技術的原理與應用成果,最后對未來的發展和應用進行展望。通過本文的研究,希望使讀者有效了解無掩模光刻技術及其原理與相關應用,并為相關領域的學習提供參考。

             第二章基于DMD的數字無掩模光刻技術及應用

              2.1數字微鏡無掩模光刻系統原理

            DMD(數字微鏡裝置)是一種特殊的光場調制芯片。DMD面投影曝光技術通常采用汞燈作為光源,利用DMD芯片代替實體掩模板,將計算機中的二維圖像直接投影到樣品表面,進行面曝光。

            DMD面投影光刻系統如圖2-1所示,包括光源、光束準直與勻化系統、DMD芯片與控制系統、投影成像鏡頭和移動控制臺五個主要部分。

            圖2-1 DMD無掩模面投影光刻原理圖

            e30bb176edd3cf255c10c70e237b7f35  通常,汞燈或LED被用作光源,在經過光束均勻化處理后,以一定角度照射到DMD芯片上。反射光經過成像鏡頭投影至樣品表面,實現對計算機中二維圖像的直接輸入,結合大面積移動臺,可以快速曝光復雜圖形。

              2.1.1光源

            光源在全光路中提供持續穩定的光功率輸入,并為最終的曝光過程提供足夠的能量。常見的光源包括汞燈、LED和激光光源等。由于DMD的平面特性,在該系統中需要生成平行光束以便進行調節,并且光束在橫截面上的能量分布必須均勻一致。因此,需要對光源發出的光場進行光束均勻化處理。

             2.1.2光束準直與勻化系統

            光源的入射光經過準直勻化系統進行調節,形成具有均勻能量分布的照明場,并朝著一個方向傳播。系統的復雜性與所使用的光源有關。對于非相干光源,通常使用蠅眼透鏡陣列進行處理;如果采用具有良好相干性的激光作為光源,可以通過采用針孔濾波器結合光束攔截法或直接使用光束整形器進行勻化處理。

             2.1.3 DMD芯片與控制系統

            DMD芯片與控制系統是數字投影光刻系統的核心組成部分。該芯片能夠對每個單元像素上的光場進行開關操作,類似于傳統投影光刻系統中的掩模效果,并將生成的圖像直接輸入到投影鏡頭。DMD芯片是數字控制設備,通過連接端口與計算機控制系統進行通信。DMD的可開關微鏡單元如圖2-6所示,通過鉸鏈控制微鏡單元的旋轉,在不同的信號下具有不同的偏轉狀態。微鏡單元的最大旋轉角度θ取決于DMD的型號。當信號為“開”時,微鏡旋轉角度為+θ;當信號為“關”時,角度為-θ;無信號輸入時,微鏡角度為0。通過調節芯片上每個微鏡單元,可以使其僅在特定狀態下將入射光指向光學系統的下一個部分(如成像系統),從而地控制光場。

            圖2-2微鏡結構單元的示意圖

            dbe6f267697efe4e26caad5f958af0c9  一塊DMD芯片中的微鏡數目已經超過400萬片,因此計算機中的二維圖像設計的分辨率隨之提高,已經滿足各種復雜微納結構的設計精度。DMD采用位圖進行調制,這種方式非常直觀,并且微鏡開關狀態的改變非常迅速和靈活,因此它已成為最常用的數字空間光調制器之一。目前在光路中,DMD主要發揮三種作用:在光纖通信系統中,DMD作為光開關,通過切換不同鏡面的旋轉狀態,使接收端只能在特定位置接收入射光信號;在頻譜調制系統中,DMD作為可調節的編碼孔陣列,對入射圖像進行編碼,并在特定位置使用該陣列進行調制和篩選,以調節光路中的不同頻率通道和光場空間分布;在無掩模光刻系統中,DMD作為一種數字掩模置于成像系統前,通過調節芯片表面的狀態,將入射的平行光束轉換為可接收的圖像,最終直接獲得所需的圖形[9]。

              2.1.4投影成像鏡頭系統與移動控制臺

            投影成像物鏡用于收集DMD反射的光場,并通過精確的設計確保在基底上呈現出良好的目標圖案,并進行曝光。除了基本的成像功能外,投影鏡頭的設計還需要考慮系統可能存在的各種像差和畸變,并進行一定程度的校正。例如,Messaoudi等人在成像系統中添加了4f系統,在頻譜平面上進行空間頻率調制以處理和校正畸變;趙立新等人通過使用較厚的負透鏡來補償近軸和遠軸點的光程差,大幅減少系統的像差、場曲和畸變等。

            移動控制臺用于精確控制樣品臺的三維坐標位置,使光場能夠在指定位置對光刻膠進行曝光。經過投影鏡頭后的光場聚焦區域較小,對于制備大尺寸結構,需要通過多子場的拼接來實現。根據DMD微鏡的尺寸和投影成像系統的參數,可以計算出單個像素在像平面上的大小,并結合單張圖像的像素數量來計算子場的面積。通過周期性平移拼接,可以實現大面積的二維結構加工、三維結構曝光等。結構拼接的精度受到移動臺移動精度的限制,一般來說,移動臺的移動范圍越大,精度越低。因此,需要考慮曝光結構的尺寸和精度,并選擇合適的位移臺。

             2.2應用成果

            (DLP)3D打印具有高精度、高通量、廉價等優點,其關鍵部件為DMD,可實現三維復雜形貌的三維成形,是一種從微細觀到細觀的制備技術。3D打印技術在生物醫學、組織工程以及微型電子學等領域具有廣泛的應用前景,然而,因3D打印體系自身的光學性質,其投影到印刷面上的光線往往不均勻,極易導致成型等問題。其結果是,所得到的三維結構體具有很大的粗糙度,無法達到10nm以內的光學元件的粗糙度,難以順利地打印出高質量的微型透鏡等光學元件。為了解決這個問題,Yuan等在2019年,提出了一種利用振蕩輔助DLP的3D打印技術,利用在投射透鏡上施加機械振蕩,對離散像素進行涂抹,消除離散像素造成的光強波動,消除由離散像素造成的光強波動,并利用相鄰微鏡間的小縫隙形成的暗網格,從而成功地制造出了表面粗糙度為1nm的微透鏡陣列,在振蕩投影下制作的微透鏡結構見圖2-3。

            圖2-3非振動投影下制作的微透鏡陣列

            8c22347dffd61e94388b02480686ec99  該項目的研究將為實現高精度、高精度的高精度3D打印奠定基礎,為實現高精度3D打印奠定基礎。在2020年,Wang等[10]。提出了一種以投影為基礎的連續3D打印方法,這種方法以灰度顯示為基礎,充分利用DMD的低光衰減和小像素尺寸等優點,實現了更高的打印分辨率。之后,Wang等提出了一種以投影為基礎的連續3D打印方法。這種方法可以通過特定的算法生成灰度掩模樣本,對光的分布進行優化,提高光的均勻性,從而緩解了光過固化/欠固化帶來的缺陷,將打印面積從54%提高到89%。藉由調整一系列掩膜片之曝光時間,以及提升臺面之運動,消除層層印制所造成之臺階效果。該項目提出的新技術可提高光場分布,提高打印精度,擴大打印面積,提高打印效率。

            傳統的冷凍干燥、溶液澆鑄等工藝無法實現對多孔材料的孔徑、幾何結構及相互連接度的精確調控。采用數字顯微鏡(DMD)技術,非掩模光刻(DMD)可實現微納米尺度、高精度、高選擇性的生物組織工程支架,但目前仍難以實現大面積骨缺損的修復,同時,如何在保證細胞功能、活性及力學穩定性的基礎上,實現生物組織工程支架的高效構建,成為當前研究熱點。Tam等人于2017年提出了一種無掩模光刻方法,可在微米尺度上實現對基底微觀結構及成分的精確調控,縮短了加工時間,提高了加工效率,同時不需要任何掩模及3D打印設備,降低了加工成本。2012年,Zhang等人提出了一種新的基于數字顯微鏡(DMD)的3D仿生加工技術,該技術可以應用于復雜的3D微納加工。與傳統的DMD技術相比,本項目提出的新技術對于體外3D結構的構建和體內3D結構的構建都有很大的應用價值。2020年,Zhang等以DLP為基礎,利用3D打印技術,成功地構建出具有多級結構的Haverian骨仿生支架。該項目提出的新思路,可通過調節哈弗骨仿生結構參數,實現對支架力學性能、多孔性的精準調控,實現針對不同病人的優化設計,為其在臨床上的應用奠定基礎[11]。

            圖2-4 3D打印得到的哈弗斯骨-模擬支架

            95de00879617d9d4f43c70d4f6979960

            然而,目前該技術仍然存在一些問題:光刻分辨率到達了光學極限,需要另尋方法進一步提高分辨率;DMD的像素量化有誤差,需要探索方法以減小DMD數字無掩模光刻圖形的邊緣鋸齒。

             第三章基于激光直寫技術的無掩模光刻及應用

              3.1飛秒激光直寫技術

             3.1.1飛秒激光直寫技術原理

            (1)雙光子吸收。早在1931年,Goeppert-Mayer就已經提出了這個理論,但是受限于實驗條件,一直到1860年代,才被凱澤和加雷特等人發現。通常來說,單光子吸收是一種普遍現象,當一個基態的原子與一個激發態能級與一個激發態能級之差的光子相遇時,原子將會吸收這個光子,并發生躍遷。如圖3-1左側區域所示,如果光子的能量小于原子激發態與原子基態能量的差值,則該光子不能被原子所吸收,原子也會保持穩定在基態而不會躍遷到激發態。而在雙光子吸收中,如果光子的能量比原子的激發態能級和基態能級之間的差值小,那么,如果光子的密度較大,就有可能被吸收。這個原子很有可能在同一時間吸收了兩個光子,使得這個原子由基態進入了的激發態,見圖3-1右邊的部分。虛線代表了原子在基態與激發態間的一個虛能量級,它使原子實現了雙光子吸收,并對其進行了分析[12,13]。

            圖3-1單光子/雙光子吸收原理示意圖

            1613d8d0d0bd9e86672901264f630ff9  雙光子吸收有一定的概率,其概率公式如下:

            b1b42371215bf4fd5b497cb8976d823e

            雙光子吸收的概率公式中,000319f9c0c26f5e4cfce13ef98686c2表示雙光子吸收概率,fc1706dcd77c739205ef6b7f135bc06c為該物質的雙光子吸收系數,I為入射光光強,為普朗克常數,為光子的頻率。雙光子吸收幾率與入射光強度的平方成比例關系,所以要求入射光強度越大,雙光子吸收幾率越大。但是,一般的激光器輸出的光強度很難達到這個強度,所以很難實現雙光子吸收。然而,飛秒激光器輸出的激光脈寬可以達到飛秒量級,瞬間功率可以達到TW/cm2。因此使用飛秒激光實現雙光子吸收變得更加容易。

            圖3-2所示為在利用飛秒激光器輻照的情況下,在發光物質中出現了一種單一與兩種不同的吸收現象。在研究過程中,分別采用380納米和760納米兩種飛秒激光器對其進行了聚焦,并在同一時間對其進行了輻照。從圖表可以清楚地看到,在受激光輻射的所有范圍中,都存在著380nm的光,說明在所有的光路中都存在著單光子吸收??梢?,與單光子吸收不同,760nm波段的光束在光程中均有發光現象不同,雙光子吸收是在光程中同時出現的。上述研究表明,只有利用飛秒激光對金屬表面的雙光子吸收效應,才能對金屬表面進行更深層次的高精度3D制造[14,15]。

            圖3-2熒光材料中單光子吸收和雙光子吸收對比實驗效果

            dc8bc0042de536be75d8145b95978093 ?。?)光致聚合反應。在高峰值功率激光的照射下,光引發劑可被激發并轉化為活性基團,這些基團與聚合物中的單體反應,引起單體結構之間的聚合。因此通過光引發劑的作用可以在激光焦點處誘導聚合物的光致聚合反應。由于聚合物的單體結構往往是穩定的,因此摻入光引發劑有助于提高材料對激光的響應度和聚合效率。

              3.1.2飛秒激光直寫系統

            利用飛秒激光直接書寫技術,通過改變試件的三維空間位置,從而完成對試件的三維空間定位。三維相對運動由兩個部分組成:一個是聚焦于平面上的掃描,另一個是沿垂直軸線的運動。利用4f光學系統和2D光學系統,實現了對試樣的垂直軸向運動。圖3-3所示為飛秒激光直接寫入系統的光路示意圖。

            圖3-3飛秒激光直寫系統光路圖

            f87f327cf0c7418156d1f9d07e580449  從飛秒激光器發射出的激光,在通過一個衰減器的調整之后,就會被傳送到處理系統中。在全光路中,按Shutter鍵作為一個開關,在光刻加工時,對光路的開啟和關閉進行控制。Shutter開關有自動開關和自動開關兩種功能,適用于各種工藝要求。

            在4f體系中,為保證光束品質的一致性,對4f體系進行了擴展,使得4f體系中的光能分布更為均勻。擴展了的光線然后被引入由一個振蕩鏡,兩個等焦距的凸形透鏡,以及一個物鏡構成的4f系統。該光學諧振鏡包括兩個彼此正交的鏡子,并可調節該兩個鏡子的角,從而可調節該光學諧振鏡的出射角。第一個到振鏡的間距為其焦點,而第一個到第二個到其焦點的間距則為其焦點的2倍,而另一個到其目標物體的間距也為其焦距。4f體系的功能在于使由振鏡發射的光線在物鏡后面成同一角地進入,同時維持光線的平行。在兩個凹形透鏡中,整個光場都是垂直于光學軸線的,而某些特殊的光學纖維則會發生聚焦或發散的現象。由第二個凹形透鏡所射出的射束,其方位角與由振反射鏡所射出的射束相輔相成,因而各射束仍保持平行。利用這種方法,可以使兩個平行光線以一定的角度進入目標物,并使其在目標物的焦面上聚集在目標物的各個部位。調整光學反射鏡后,可以使聚焦光在焦面上發生位移。由于試件支架靠近物鏡的焦面,所以利用壓電式支架可以準確地調節試件的高度,進而改變試件與試件在z軸上的相對位置。利用4f體系在0-xy方向上的相對運動,將其與光束進行3維的相互運動。

            在試樣的上端,采用纖維作為光源,通過濾色器過濾出光源中的短波分量,以避免光阻劑發生聚合。對被加工對象進行物鏡成像后,將一片反向800nm的介質鏡置于物鏡的下方。它可以反射800納米的激光,也可以傳輸其它波長的光源。在此基礎上,利用該反射器將激光反射入物鏡,并將被處理對象所產生的圖像投影入成象系統。

            該發明涉及一種新型的光學成像技術。凸透鏡把由物鏡拍攝的圖像投影到CCD光敏板上,再由電腦顯示器顯示出來。該光路類似于傳統的光學顯微鏡,可對加工過程進行實時監測。另外,由于激光光路與監控光路的交疊,使得光路的調節變得較為復雜。這種旋轉將會被轉換成光束在焦面內的位置變化,然后由壓電臺來控制試樣沿光軸的方向運動。利用微機編程技術,可使光柵與光柵之間的相對運動,并可使光柵與光柵之間產生三維空間的相對運動。

            通過對試樣進行逐點運動的方法,使被照射部位產生了雙光子聚合,并產生了粘接結構。然后,將試樣浸漬在有機溶劑中,而沒有被激光照射到的部分,仍然是很容易被去除的小分子單體。只留下了被激光照射到的部位。因為激光焦點在物質中的運動具有隨機性,因此留下的結構也具有隨機性[16]。

            3.2應用成果

            由于飛秒激光具有高精度、高設計性、高精度等優點,可以用于任何需要處理的材料,因此,飛秒激光在微納光學、微型激光、生物醫學、人工智能、微納電子器件、微流體裝置領域有著廣泛的應用。微光學元件的結構通常具有真3D特征,并且需要元件的表面平整無缺陷。例如,高等使用紫外線飛秒雷射制作的鉆石光漩渦產生器,可以產生漩渦光束,見圖3-4。Hua等使用飛秒激光直接寫法制造出了硅基微尺度陣列透鏡,并通過熱退火使其表面粗糙度減小至3nm(見圖3-5)05d5d461d51fe412254756a48393115e

            feefea4de7b82e28b35a5e6dc159879f  除了以上硬質材料外,飛秒激光加工技術同樣可以應用在聚合物材料上。例如,Ma等人制備可調節的智能復眼,由于膨脹和收縮特性,通過更改PH值實現了視野從35度-80度的調節,如圖3-6所示。在液態介質上,飛秒激光加工技術依然有所應用,如Dai等人研究的用Pd-WO3?XH2O納米顆??煽刂苽鋯挝⒔z,通過氨傳感器快速響應室內溫度,且最終達到大幅提升響應速率的目的,如圖3-7所示。

            97d047e71b2817c0207d05693ff4d412  在真三維的微型諧振腔激光器領域中,飛秒激光依然被廣泛的應用。例如,Zhan等人以摻雜激光染料羅丹明B的SU-8光刻膠為加工材料,利用飛秒激光直寫技術,制備了具備出射端口的變形微型諧振腔,并且實現利用獨有的出射端口控制激射光出射方向[17],如圖3-8。

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            Hou等人采用飛秒激光直寫技術,制作出了高Q值的回旋振蕩模,并對制作出的多個不同大小的回旋振蕩模進行了對比,得出了如下的結論:隨著回旋振蕩模的減小,激光波會出現藍移,并從多模逐漸變成單模如圖3-9。Huang等人以PEG-DA水凝膠為基質,采用飛秒激光直寫工藝,以羅丹明B為增益介質,在微腔中實現了微米量級的回音壁模態。在此基礎上,利用水凝膠微諧振腔對水分的敏感特性,利用激光波長的改變,實現了對水分的敏感,如圖3-10所示錯誤!未找到引用源。。

            7bee462daec1532a76f2c518d694c258

            飛秒激光直寫技術在生物醫學工程方面應用同樣十分廣泛,如:Ma等人利用飛秒激光直寫技術制備程序化人工肌肉骨骼系統;Wang等人制備了磁力驅動的微型三維渦輪,并在加工基底中摻入磁性納米粒子,這一器件可應用在心腦血管疾病領域,利用其旋轉特性有效清除血管中的血栓。同時在微米納米級別電子器件、微流控器件等領域飛秒激光直寫技術都有不錯的建樹。

             第四章總結與展望

            本文介紹了數字無掩模光刻技術、激光直寫技術以及激光干涉光刻技術和電子束光刻技術的發展狀況,并系統地探討了數字無掩模光刻技術、激光直寫技術的原理以及相關成果和在制造和加工領域的重要性和潛力。

            總的來說,無掩模光刻技術作為一種先進的光刻技術,其重要的特點是相對于傳統的光刻技術不需掩模版,所以成本較低。數字無掩模光刻技術的出現,通過數字化的圖案信息控制光源和光學系統,實現了高速、靈活的圖案轉移。激光直寫技術作為無掩模光刻技術的重要組成部分,能夠實現微米甚至亞微米級別的高精度加工,為微納加工和光子學器件制造提供了重要支持。而電子束光刻以其超高的精度獨具一格。的而激光干涉無掩模光刻技術則具備更高的分辨率和更精細的圖案轉移能力。

            然而,無掩模光刻技術仍面臨一些挑戰,如圖案形變、圖案傳輸效率和材料選擇等方面的問題。解決這些挑戰需要進一步深入的研究和合作,包括改進圖案設計算法、優化光學系統以及開發新型材料等。只有不斷創新和突破,無掩模光刻技術才能不斷演進和適應不斷變化的制造需求。

            在未來的研究中,需要加強對數字無掩模光刻技術的優化和改進。這包括開發更高效、精確的圖案設計算法,提高圖案轉移的速度和精度,以及進一步優化光學系統和光源的控制。此外,還需要深入研究激光直寫技術的分辨率、加工速度和器件質量等方面的改進。電子束光刻亟需突破生產率低的瓶頸,以滿足更高級別的微納加工需求。

            無掩模光刻技術在微納加工和光子學器件制造領域仍有廣闊的應用前景。數字無掩模光刻技術有望在工業界得到更廣泛的應用,推動制造工藝的快速發展。隨著數字化技術的不斷進步,數字無掩模光刻技術將實現更高效、精準的圖案轉移,提高制造效率和精度。同時,激光直寫技術通過改進激光系統和優化光學系統,將不斷突破其分辨率和加工速度的限制,有望實現其更高級別的器件制造和功能集成,為微納加工領域帶來更多的創新和發展機會,

            綜上所述,無掩模光刻技術在數字無掩模光刻、激光直寫、電子束光刻和激光干涉光刻方面的研究和應用具有重要意義。展望未來,隨著技術的不斷進步和創新,無掩模光刻技術將為微納加工和光子學器件制造帶來更廣闊的發展空間,并在各個領域實現更多的應用。

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            致謝

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