DMD无掩模光刻系统在微纳制造中的新进展

微纳制造作为现代高新技术产业的核心基石，正不断向更高精度、更复杂三维结构及多功能集成的方向演进。在这一进程中，基于数字微镜器件（DMD）的无掩模光刻技术，凭借其无掩模、高灵活性、低成本的颠覆性优势，正扮演着越来越关键的角色。本文将系统梳理DMD无掩模光刻技术的最新进展，重点围绕提升空间分辨率与增强三维微结构制作能力​​​​​​​，并剖析其技术原理。

目前，DMD无掩模光刻技术的新进展，主要围绕着两个方面：

一是提高光刻空间分辨率，空间分辨率是光刻机的重要参数，直接影响加工精度与集成度。因此优化光刻图案边缘平整度，矫正邻近效应、提高边缘特征分辨率，突破衍射极限，提高光刻线宽分辨率，是目前重点的研究方向。

二是提升三维微结构制作能力，包括单次灰度曝光光刻和逐层微立体光刻技术。

1. 优化光刻图案边缘平整度

DMD微镜间隙会引起曝光不均匀，在微结构上产生凹凸不平的表面，引起栅格现象，导致光刻图形边缘呈现锯齿形状。

目前，解决该类问题的主要方法为：将多个抖动的低分辨率图像叠加来生成高分辨率图像。摆动光刻技术是通过将子图前后偏移小于一个像素的距离，再重叠子图，每个子图填充了微镜间隙。因此，可以平滑图形边缘锯齿，使得光刻出的图形更接近设计图。

下图（a）展示了运用摆动技术来提高光刻图形边缘特征分辨能力。将原始图像拆分为4个子图，每个子图相对于原图在水平和垂直方向上偏移1/2个像素，分别对这4个子图进行曝光，最终在光刻胶上叠加形成一个完整图像。

（a）摆动光刻技术原理示意图；（b）扫描式光刻结合摆动光刻技术

图（b）展示了扫描式光刻结合摆动光刻技术，其中图（2）和图（3）分别是通过叠加1/2个像素和叠加1/4个像素得到的锯齿尺寸，进一步验证了DMD子图错位扫描叠加光刻对于减小光刻微结构边缘锯齿的有效性，并证明移动更小的像素（1/4个像素）重叠能得到更好的边缘平滑度。

2. 矫正邻近效应

在DMD无掩模光刻中，当曝光线条尺寸接近系统分辨极限时，会出现光学邻近效应，导致图形发生线宽变化、线端缩短和转角变圆等畸变。这主要由两个因素造成：一是处于“ON”态的微镜如同独立衍射单元，其衍射光会叠加在相邻区域，造成中心光强远高于边缘；二是投影透镜会丢失部分高频信息。

为校正此效应，研究人员提出了基于强度调制的光学邻近校正技术。如下图所示

光学邻近校正技术

其流程为：

仿真分析：通过模拟UV光强分布（图(a)）和曝光结果（图(b)），识别出光强过强（如大半径区）或过弱（如凹角、线端）的区域。

灰度掩模设计：针对仿真结果，设计特殊的数字灰度掩模（图(c)）。对高光强区分配较低灰度值的像素以减弱曝光，对弱光强区则分配较高灰度值的像素以增强曝光。

效果验证：通过实际曝光验证，与传统二进制掩模的结果（图(d)）相比，应用此灰度校正方法得到的图形（图(e)）与原始设计图案的一致性显著提高，有效修正了光学邻近效应带来的图形缺陷。

该技术通过数字化的灰度调制，灵活地优化了光场分布，提升了光刻图形的保真度。

3.单次灰度曝光光刻

DMD单次灰度曝光光刻技术，通过编程控制微镜的翻转频率，在一次曝光中即可生成具有256级灰度的“数字掩模”，这种采用单次曝光的灰度光刻技术能制作富有层次、更加连续复杂的微结构，是三维光刻的基础。结合热回流技术，可将灰度曝光产生的阶梯表面转变为接近连续的表面面形，用于加工复杂面形的浮雕结构。

为实现更平滑连续的曲面，研究人员开发了多种创新方法。

双灰度DMD无掩模光刻技术，将目标曝光剂量分布分解为两个互补的三维能量分布图，通过两次灰度曝光叠加，相当于扩展了有效的灰度级数，能够实现更精细、更平滑的剂量控制，在球形表面上成功制造出光学平滑度更高的曲面微透镜阵列，克服了单次灰度调制的局限性。

双灰度DMD无掩模光刻技术

此外，振动辅助灰度光刻技术，通过在曝光时使投影透镜沿对角线方向振荡，有效消除了因DMD微镜间隙导致的光强波动。它没有从复杂且昂贵的光学或DMD芯片本身入手，而是通过一个简单的机械振动模块，将空间上的光强不均匀性问题，转化为时间域上可被平均掉的噪声，从而以极低的成本显著提升了成品的表面质量（粗糙度低至1 nm）和光学性能。

如下图所示，振荡曝光成功消除了微透镜表面的锯齿状瑕疵，获得了表面粗糙度低至1 nm的超光滑微透镜阵列，并同时提高了图像分辨率。

基于振动的灰度光刻技术

这种方法为需要超光滑表面的微光学元件（如微透镜、光波导）的批量生产提供了一条高效、可靠的技术路径。

4.逐层曝光微立体光刻

在DMD无掩模光刻技术中，另一个重要领域就是微立体光刻技术，也称为3D光刻技术。

与单次曝光成形的灰度光刻不同，这种微立体光刻技术采用“逐层多次曝光制造”原理，能够制备任意复杂形貌的三维结构，其工艺原理如下图所示：

微立体光刻成型过程

其原理为，先设计三维模型的CAD，再将模型转为一系列二维位图文件。每个位图文件输入DMD，DMD作为动态掩模对光敏树脂进行选择性曝光，固化一层后，工作台移动一层高度，如此逐层叠加，最终成型一个完整的三维实体。

目前，微立体光刻技术正向多材料功能化打印方向发展，最新研究开发为基于注射泵的面投影微立体光刻系统。通过注射泵输送不同性质的光敏材料，该系统能够在单个结构中复合多种材料。

如下图所示，研究人员成功打印出由两种和三种不同材料构成的复杂三维模型，实现了在微观尺度上集成多种功能特性，极大地拓展了在组织工程、生物医学等领域的应用潜力。

（左）多材料CAD模型；（右）打印的实物

虽然微立体光刻技术已有较大研究进展，然而，该技术目前在加工精度、尺寸、效率及多材料兼容性上仍有提升空间，是未来研究的重要方向。

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DMD无掩模光刻技术通过持续的技术创新，已在高精度图形化、复杂三维成型及多功能材料集成等领域展现出巨大的潜力。尽管在面向更大规模量产时，其在速度和材料兼容性上仍面临挑战，但这恰恰指明了未来的研究方向。可以预见，随着相关技术的不断成熟与融合，无掩模光刻技术必将成为推动先进封装、微光学、生物芯片及柔性电子等前沿领域创新的关键使能技术。

原文参考：《Research progress of maskless lithography based on digital micromirror devices》