一种更灵活的微纳加工方式：无掩膜光刻案例解析

在人类认识微观世界的过程中，微纳加工技术一直扮演着重要角色。从集成电路制造到今天快速发展的微机电系统、微流控芯片以及二维材料器件，许多看似抽象的科学概念最终都需要通过精确的微结构加工才能转化为真实可用的器件，光刻技术正是这一过程中最核心的手段之一。

传统光刻依赖预先制作好的掩模版，通过紫外光将图案投影到涂有光刻胶的基底上，再经过显影、刻蚀等步骤形成微结构。随着科研应用日益多样化，研究人员往往需要频繁调整设计图形，这种依赖固定掩模版的方式在灵活性方面逐渐显现出一定限制。近年来逐渐发展起来的无掩膜光刻技术，则在一定程度上为这一问题提供了新的思路。

图 传统紫外光刻工艺示意图

无掩膜光刻的基本理念并不复杂。与传统光刻不同，它不再依赖实体掩模版，而是通过可编程的光学调制器直接控制曝光图案。其中较为常见的一种实现方式是利用数字微镜器件，也就是通常所说的DMD。DMD由大量可以独立翻转的微小反射镜组成，每个微镜都能够控制光线是否被反射到投影光路中。

当这些微镜按照特定模式排列时，就可以在样品表面形成对应的光强分布，从而完成图案曝光，这种方式使得光刻图形可以通过软件实时改变，在科研环境中具有较高的灵活性。

图 基于数字微镜器件（DMD）的无掩膜光刻系统示意图

在实际研究中，泽攸科技DMD无掩膜光刻机常被用于验证新结构设计或制作小规模器件。例如在灰度光刻实验中，研究人员并不是简单地让某些区域曝光或不曝光，而是通过调节局部光强，实现不同程度的光刻胶曝光，这样在显影之后，就能够形成高度连续变化的三维结构。

通过这种方式制备出具有连续台阶变化的微结构，从扫描电镜的截面图像中可以观察到结构高度呈现逐渐变化的形态。类似的方法在微光学领域具有一定应用潜力，例如制作菲涅尔透镜等结构。这类透镜通过阶梯式结构来近似传统曲面透镜，可以在较薄的结构中实现聚焦功能，因此在光学传感与微型成像系统中受到关注。

图 灰度光刻菲涅尔透镜，3D灰度光刻实现菲涅尔透镜，从扫面电镜的截面图中可以看出台阶连续变化

泽攸科技DMD无掩膜光刻机也可以用于研究光刻分辨率的极限。在部分测试中，通过优化光学系统与光刻胶条件，实验图形中实现了约200纳米线宽、间距数百纳米量级的结构，从显影后的显微图像可以看到规则排列的细线结构。

除了分辨率测试之外，泽攸科技DMD无掩膜光刻机在新型材料器件研究中也具有一定价值。近年来二维材料成为凝聚态物理与纳米电子学研究的重要方向，这类材料厚度往往只有数个原子层，在其上制作电极结构时需要较高的定位精度。

图 二维材料的截面透射电子显微镜图像，可以看到材料由数个原子层堆叠形成的层状结构

通过光刻定义电极图形，再进行金属蒸镀和剥离，可以形成用于电学测量的金属接触。在相关实验中，研究人员通过其在二维材料上制作电极结构，再经过蒸镀和剥离工艺得到完整器件，这种方法的优点在于图形设计可以快速调整，对于探索不同器件结构具有一定便利。

在微机电系统领域，光刻技术同样是基础加工步骤之一。MEMS器件通常包含悬臂梁、电容结构或复杂的微机械组件，其制作过程需要多次光刻与刻蚀。无掩膜光刻在原型验证阶段可以减少制作掩模版的时间，使研究人员能够更快地测试结构设计。例如在一些实验中，通过泽攸科技DMD无掩膜光刻机形成微结构图形后，再结合后续的材料沉积与刻蚀工艺，能够得到用于传感或微机械研究的MEMS器件结构。

微流控芯片的加工是另一个典型应用方向。微流控技术通过在微米尺度的通道中操控液体，实现化学反应、生物检测或样品分析等功能。在实验室研究中，常见的一种制作方式是先利用光刻在基底上制作微结构阳模，再将PDMS等弹性材料浇注在模具上，固化后脱模得到微通道结构。这种方法在早期实验阶段具有较好的灵活性，因为微通道设计可以在计算机中快速修改并重新曝光。

在更复杂的实验环境中，不同光刻技术之间还可以形成互补，实现混合光刻。例如泽攸科技电子束光刻机通常具有更高分辨率，但曝光速度相对较慢，而DMD无掩膜光刻机则在面积加工方面具有一定优势，通过将两种技术结合，可以在同一器件上分别完成不同尺度的结构加工，这种组合方式它能够兼顾效率与分辨率。

从更宏观的角度看，微纳制造技术的发展正在逐渐降低实验门槛。过去许多微结构加工需要依赖大型洁净室和复杂的生产设备，而随着小型化设备和新技术的出现，一些实验室已经能够在较小规模的环境中完成基础微纳加工。这种变化不仅加快了科研迭代速度，也为跨学科研究提供了更多可能。例如材料科学、生物医学以及微电子工程等领域，都可能在同一平台上进行结构设计与验证。

泽攸科技ZML系列DMD无掩膜光刻机

在未来的微纳技术发展中，无掩膜光刻仍将继续扮演重要角色。随着光学系统、控制算法以及材料工艺的不断改进，其分辨率、稳定性和应用范围都有望逐步提升。在科研探索阶段，这类技术能够帮助研究人员更快速地将想法转化为可观察的结构，并通过实验不断修正设计思路。正是这些看似细微的技术进步，逐渐推动着人类对微观世界的理解向更深层次发展。

参考资料

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。