近年來，實(shí)現(xiàn)微納尺度下的3D灰度結(jié)構(gòu)在包括微機(jī)電（MEMS）、微納光學(xué)及微流控研究領(lǐng)域內(nèi)備受關(guān)注，良好的線性側(cè)壁灰度結(jié)構(gòu)可以很大程度上提高維納器件的靜電力學(xué)特性，信號通訊性能及微流通道的混合效率等。相比一些獲取灰度結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)手段，如超快激光刻蝕工藝、電化學(xué)腐蝕或反應(yīng)離子刻蝕等，灰度直寫圖形曝光結(jié)合干法刻蝕可以更加方便地制作任意圖形的3D微納結(jié)構(gòu)。該方法中，利用微鏡矩陣（DMD）開合控制的激光灰度直寫曝光表現(xiàn)出更大的操作便捷性、易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，不需要特定的灰度色調(diào)掩膜版，結(jié)合軟件的圖形化設(shè)計(jì)可以直觀地獲得灰度結(jié)構(gòu)[1]。

由英國科學(xué)院院士，劍橋大學(xué)Russell Cowburn教授主導(dǎo)設(shè)計(jì)研制的小型無掩膜激光直寫光刻儀（MicroWriter, Durham Magneto Optics），是一種利用圖形化DMD微鏡矩陣控制的直寫曝光光刻設(shè)備。該設(shè)備可以在無需曝光掩膜版的條件下，根據(jù)用戶研究需要，直接在光刻膠樣品表面上照射得到含有3D灰度信息的曝光圖案，為微流控、MEMS、半導(dǎo)體、自旋電子學(xué)等研究領(lǐng)域提供方便GX的微加工方案。此外，它還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70cm × 70cm X×70cm）、高直寫速度，高分辨率（XY ~ 0.6 um）的特點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì)，全自動控制，可靠性高，操作簡便。目前在國內(nèi)擁有包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、ZG科技大學(xué)、南京大學(xué)等100余家應(yīng)用單位，受到廣泛的認(rèn)可和好評。

結(jié)合MicroWriter的直寫曝光原理，通過軟件后臺控制DMD微鏡矩陣的開合時間，或結(jié)合樣品表面的曝光深度，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)0 - 255階像素級3D灰度直寫。為上述相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)的3D線性灰度結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了便捷有效的實(shí)驗(yàn)方案。

圖1 利用MicroWriter在光刻膠樣品表面上實(shí)現(xiàn)的3D灰度直寫曝光結(jié)果，其中左上、左下為灰度設(shè)計(jì)原圖，右上、右下為對應(yīng)灰度曝光結(jié)果，右上蓮花圖案實(shí)際曝光面積為380 × 380 um，右下山水畫圖案實(shí)際曝光面積為500 × 500 um

圖2 利用MicroWriter實(shí)現(xiàn)的3D灰度微透鏡矩陣曝光結(jié)果，其中SEM形貌可見其優(yōu)異的平滑側(cè)壁結(jié)構(gòu)

       廈門大學(xué)薩本棟微納米研究院的呂苗研究組利用MicroWriter的灰度直寫技術(shù)在硅基表面實(shí)現(xiàn)一系列高質(zhì)量的3D灰度圖形轉(zhuǎn)移[2]，研究人員通過調(diào)整激光直寫聚焦深度以及優(yōu)化離子刻蝕工藝，獲得具有良好側(cè)壁平滑特征的任意3D灰度結(jié)構(gòu)，其側(cè)壁的表面粗糙度低于3 nm，相較此前報(bào)道的其他方式所獲得的3D灰度結(jié)構(gòu)，表面平滑性表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。MicroWriter的灰度曝光應(yīng)用為包括MEMS，微納光學(xué)及微流控等領(lǐng)域的研究提供了優(yōu)質(zhì)且便捷的解決方案。

圖3 利用MicroWriter激光直寫在硅基表面實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移過程示意圖

圖4 利用MicroWriter激光直寫曝光在硅基表面轉(zhuǎn)移所得的3D灰度結(jié)構(gòu)的實(shí)際測量結(jié)果與理論設(shè)計(jì)比較，其中圖a中紅色散點(diǎn)表示實(shí)際圖形結(jié)構(gòu)的縱向高度，黑色曲線為圖案設(shè)計(jì)結(jié)果；圖b中左為設(shè)計(jì)圖形的理論各點(diǎn)高度，右為實(shí)際轉(zhuǎn)移結(jié)果的SEM形貌結(jié)果，其中標(biāo)準(zhǔn)各對應(yīng)點(diǎn)的實(shí)際高度。綜上可以看出其表現(xiàn)出優(yōu)異的一致性

圖5 利用AFM對拋物面硅基轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的精 確測量與分析，可以看到起側(cè)壁的表面平滑度可以小至3 nm以下，表現(xiàn)出優(yōu)異的側(cè)壁平滑性

利用MicroWriter激光直寫曝光技術(shù)，不僅可以直接制備任意形狀的硅基微納灰度結(jié)構(gòu)，而且可以將制備的3D結(jié)構(gòu)作為模具、電鍍模板或犧牲層來應(yīng)用在其他材料上，如聚合物、金屬或玻璃等。這種直觀化的激光直寫技術(shù)在諸多維納器件研究領(lǐng)域中表現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢和開發(fā)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hybrid 2D-3D optical devices for integrated optics by direct laser writing. Light Sci. Appl. 3, e175 (2014)

[2] Fabrication of three-dimensional silicon structure with smooth curved surfaces. J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 15(3), 034503

相關(guān)參考：

英國科學(xué)院院士、劍橋大學(xué)教授Russell Cowburn介紹：https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr