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在微納工程領(lǐng)域，從一個(gè)基于CAD的數(shù)字設(shè)計(jì)到一個(gè)功能化的物理器件，其間的鴻溝由一系列精密的制造工藝來填補(bǔ)，其中光刻無疑是定義器件幾何形態(tài)的基石。對于那些深耕于電子顯微鏡及原位測量系統(tǒng)領(lǐng)域、擁有數(shù)十年技術(shù)積淀的企業(yè)而言，其能力邊界的拓展往往遵循著一條清晰的物理學(xué)脈絡(luò)——從“觀察”微觀世界，到“改造”微觀世界。正是在這一邏輯驅(qū)動(dòng)下，先進(jìn)的微納加工解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，基于物理掩模版的傳統(tǒng)光刻技術(shù)在規(guī)模化生產(chǎn)中展現(xiàn)了無與倫比的效率與一致性。然而當(dāng)我們將視角從大規(guī)模生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移至以探索、迭代和驗(yàn)證為核心的研發(fā)環(huán)境時(shí)，這一成熟的范式便顯現(xiàn)出其固有的局限性。本文旨在深入探討這一“范式錯(cuò)配”問題，并系統(tǒng)闡述以數(shù)字微鏡器件（DMD）為代表的空間光調(diào)制器（SLM）如何驅(qū)動(dòng)無掩模光刻技術(shù)的發(fā)展，從而為前沿科研與工程開發(fā)提供一種更為敏捷、靈活且功能強(qiáng)大的微加工解決方案。

一、傳統(tǒng)光刻的核心邏輯：基于物理掩模版的圖形轉(zhuǎn)移

從根本上說，傳統(tǒng)光刻是一種高精度的圖形復(fù)制技術(shù)。其物理過程可分解為幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

光刻膠旋涂：在基底（如硅晶圓、玻璃）上形成一層對特定波長光（通常是紫外光）敏感的、厚度均勻的光敏聚合物薄膜——光刻膠。

對準(zhǔn)與曝光：將一塊承載著預(yù)制圖形（通常為不透光的鉻層）的石英掩模版，與基底進(jìn)行精確對準(zhǔn)。之后，準(zhǔn)直的紫外光源通過掩模版，將圖形信息以光強(qiáng)的空間分布形式，投影到下方的光刻膠層上。光化學(xué)反應(yīng)隨之發(fā)生，被照射區(qū)域的光刻膠化學(xué)鍵發(fā)生斷裂或交聯(lián)。

顯影：在特定化學(xué)溶液中，溶解掉曝光或未曝光區(qū)域的光刻膠（取決于其正、負(fù)性），從而將掩模版上的二維抽象圖案，以具有三維輪廓的光刻膠實(shí)體結(jié)構(gòu)，精確地復(fù)現(xiàn)在基底之上。

圖1 傳統(tǒng)光刻技術(shù)核心工藝流程示意圖

此后，這層光刻膠結(jié)構(gòu)便可作為后續(xù)工藝（如刻蝕、薄膜沉積、離子注入）的“臨時(shí)掩?！?。在此傳統(tǒng)光刻流程中，物理掩模版是連接數(shù)字設(shè)計(jì)與物理世界的核心橋梁和唯一圖形載體，它是一個(gè)高精度的、靜態(tài)的、物理化的圖形數(shù)據(jù)庫。正是這一核心特性，在研發(fā)環(huán)境中衍生出三大結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)。

二、研發(fā)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)：成本、周期與功能維度的制約

1.高昂的非周期性工程成本

掩模版的制作涉及高分辨率的電子束光刻、精密的濕法/干法刻蝕及嚴(yán)格的缺陷檢測，其制造成本，即非周期性工程成本，是研發(fā)初期一筆顯著的開銷。對于需要進(jìn)行多方案并行驗(yàn)證或參數(shù)掃描的科研項(xiàng)目，為每一個(gè)設(shè)計(jì)變量定制一套掩模版，將導(dǎo)致成本呈線性、甚至階躍式增長，這直接抑制了探索性實(shí)驗(yàn)的廣度。

圖2 不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)的掩膜組成本趨勢

2.漫長的設(shè)計(jì)-驗(yàn)證周期

掩模版的外部供應(yīng)鏈依賴性導(dǎo)致了較長的交付周期。一個(gè)設(shè)計(jì)從定稿到掩模版入庫，通常需要數(shù)周時(shí)間。這嚴(yán)重拉長了“設(shè)計(jì)-制造-測試-優(yōu)化”的迭代循環(huán)，使得本應(yīng)敏捷的研發(fā)過程，被迫嵌入了一個(gè)高慣性的“瀑布式”環(huán)節(jié)。在爭分奪秒的前沿研究中，這種時(shí)間延遲可能導(dǎo)致錯(cuò)失關(guān)鍵的創(chuàng)新窗口。

3.圖形無法靈活變化

物理掩模版的靜態(tài)屬性，使其無法適應(yīng)研發(fā)過程中頻繁的設(shè)計(jì)修改需求。任何微小的調(diào)整都意味著掩模版的廢棄和重制。

三、數(shù)字化變革：基于空間光調(diào)制器的動(dòng)態(tài)圖形生成

為突破上述瓶頸，一種無需物理掩模、直接由數(shù)字信號驅(qū)動(dòng)的“直寫”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其核心是空間光調(diào)制器（SLM）。其中以數(shù)字微鏡器件（DMD）應(yīng)用最為廣泛和成熟。

DMD的本質(zhì)是一個(gè)半導(dǎo)體光學(xué)開關(guān)陣列，它在一個(gè)CMOS基板上集成了數(shù)百萬個(gè)可獨(dú)立高速偏轉(zhuǎn)的微米級反射鏡。每個(gè)微鏡代表一個(gè)像素，并擁有三種精確控制的狀態(tài)：

“On”態(tài)（開態(tài)）：當(dāng)光源以與DMD法線成24°角入射時(shí)，微鏡向一個(gè)方向（如+12°）偏轉(zhuǎn)，將入射光精準(zhǔn)地反射入投影光路的光瞳中，使對應(yīng)像素在基底上成像為亮點(diǎn)。

“Off”態(tài)（關(guān)態(tài)）：微鏡向相反方向（如-12°）偏轉(zhuǎn)，將光束反射出投影光路，使其被光吸收阱捕獲，對應(yīng)像素成像為暗點(diǎn)。

Flat態(tài)（平坦態(tài)）：微鏡處于0°不偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，通常為存儲(chǔ)或復(fù)位狀態(tài)。

無掩模光刻系統(tǒng)的工作流程，是對傳統(tǒng)光刻范式的一次重構(gòu)：

CAD數(shù)據(jù) -> 光柵化處理 -> DMD驅(qū)動(dòng) -> 形成動(dòng)態(tài)光場 -> 投影曝光

圖3 無掩模光刻（DMD技術(shù)）數(shù)字化工作流程示意圖

設(shè)計(jì)文件（如GDSII, DXF）首先被軟件光柵化，轉(zhuǎn)換為位圖信息。該信息實(shí)時(shí)加載到DMD控制器，驅(qū)動(dòng)數(shù)百萬微鏡以微秒級的速度協(xié)同翻轉(zhuǎn)，從而在曝光瞬間，生成了一個(gè)與設(shè)計(jì)圖形對應(yīng)的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制光場，其功能等同于一個(gè)可瞬時(shí)刷新的“虛擬掩?！?。這個(gè)光場經(jīng)過投影物鏡系統(tǒng)縮放后，直接在光刻膠上完成圖形的寫入。

四、技術(shù)優(yōu)勢與前沿應(yīng)用：研發(fā)范式的重塑

這種從“靜態(tài)物理模板”到“動(dòng)態(tài)數(shù)字光場”的轉(zhuǎn)變，為微納加工的研發(fā)工作帶來了多維度的能力躍遷。

1.實(shí)現(xiàn)真正的敏捷開發(fā)與快速原型驗(yàn)證

最核心的優(yōu)勢在于，設(shè)計(jì)的修改成本幾乎為零。研究人員可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成從設(shè)計(jì)修改到再次曝光的全過程。這使得參數(shù)化掃描變得輕而易舉，例如，在設(shè)計(jì)微流控混合器時(shí)，可以快速制造出一系列具有不同通道寬度、交叉角度的器件，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在MEMS諧振器的研究中，可以快速迭代懸臂梁的幾何參數(shù)，以尋找最佳的頻率響應(yīng)。這種能力將研發(fā)流程從傳統(tǒng)的“瀑布模型”解放出來，帶入了高效的“敏捷模型”。

2.解鎖灰度光刻，賦能三維微納制造

DMD的數(shù)字化本質(zhì)，使其能夠通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的灰度曝光。在一個(gè)曝光周期內(nèi)，通過精確控制單個(gè)微鏡在“開”態(tài)停留的時(shí)間占總時(shí)間的比例（即占空比），可以線性地調(diào)節(jié)該像素點(diǎn)所接收到的累積光劑量。光刻膠在顯影后，不同光劑量對應(yīng)的區(qū)域會(huì)形成不同的殘留厚度。

這一能力是制造復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的利器。例如，在微光學(xué)領(lǐng)域，可以通過生成精確的灰度圖樣，一次性曝光制造出具有連續(xù)曲面的菲涅爾透鏡或衍射光柵，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于通過多步二元光刻疊加出的階梯狀近似結(jié)構(gòu)。

圖4 澤攸科技DMD案例（3D灰度光刻實(shí)現(xiàn)菲涅爾透鏡，從掃面電鏡的截面圖中可以看出臺(tái)階連續(xù)變化）

3.催生“混合光刻”新策略

在許多高端器件的研發(fā)中，往往同時(shí)存在對精度要求迥異的不同結(jié)構(gòu)。例如，一個(gè)典型的量子計(jì)算芯片或高頻氮化鎵（GaN）HEMT器件，其微米級的電極引線、連接焊盤等占據(jù)了大部分面積，但對線寬控制要求相對寬松；而其核心的約瑟夫森結(jié)或T型柵電極，尺寸則在納米量級，精度要求極為苛刻。

圖5 澤攸科技DMD無掩膜光刻機(jī)

圖6 澤攸科技EBL電子束光刻機(jī)

此時(shí)，“混合光刻”策略應(yīng)運(yùn)而生。它主張使用不同技術(shù)處理不同層級的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的效率-成本-性能平衡。具體實(shí)踐中，可以首先采用基于DMD的無掩模光刻系統(tǒng)（如澤攸科技ZML系列）高效完成兩項(xiàng)核心工作：一是高速、大面積地完成所有非關(guān)鍵的微米級結(jié)構(gòu)的加工；二是為后續(xù)的納米級光刻制作出高精度、高反差的對準(zhǔn)標(biāo)記。隨后，再利用電子束光刻系統(tǒng)（如澤攸科技ZEL304G）的超高分辨率，憑借先前制作的對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行精確定位，在DMD光刻預(yù)留出的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行納米級核心圖形的精確套刻寫入。這種策略將DMD光刻的高通量與EBL的高分辨率優(yōu)勢無縫銜接、深度互補(bǔ)，已成為前沿器件研發(fā)領(lǐng)域一種高效且經(jīng)濟(jì)的可行方案。

圖7 DMD紫外光與電子束聯(lián)合光刻

結(jié)論

無掩模光刻技術(shù)，通過將空間光調(diào)制器引入光路，實(shí)現(xiàn)了從靜態(tài)物理掩模到動(dòng)態(tài)數(shù)字光場的根本性轉(zhuǎn)變。它不僅解決了傳統(tǒng)光刻在研發(fā)階段面臨的成本、周期和靈活性瓶頸，更通過灰度光刻和混合光刻等新能力，拓展了微納加工的工藝邊界。對于身處創(chuàng)新一線的工程師與科研人員而言，它不再僅僅是一個(gè)加工設(shè)備，而是一個(gè)無縫連接數(shù)字設(shè)計(jì)與物理驗(yàn)證的強(qiáng)大平臺(tái)，一個(gè)真正能夠?qū)⒀邪l(fā)迭代速度推向新高度的“加速器”，從而讓更多的創(chuàng)新構(gòu)想，能夠更快、更自由地在微觀世界中得以實(shí)現(xiàn)。