近年來，實現微納尺度下的3D灰度結構在包括微機電（MEMS）、微納光學及微流控研究領域內備受關注，良好的線性側壁灰度結構可以很大程度上提高維納器件的靜電力學特性，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構的傳統手段，如超快激光刻蝕工藝、電化學腐蝕或反應離子刻蝕等，灰度直寫圖形曝光結合干法刻蝕可以更加方便地制作任意圖形的3D微納結構。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出更大的操作便捷性、易于設計等特點，不需要特定的灰度色調掩膜版，結合軟件的圖形化設計可以直觀地獲得灰度結構[1]。
由英國皇家科學院院士，劍橋大學Russell Cowburn教授主導設計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備。該設備可以在無需曝光掩膜版的條件下，根據用戶研究需要，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、半導體、自旋電子學等研究領域提供方便高效的微加工方案。此外，它還具備結構緊湊（70cm × 70cm ×70cm）、高直寫速度，高分辨率（XY ~ 0.6 μm）的特點。采用集成化設計，全自動控制，可靠性高，操作簡便。目前在國內擁有包括清華大學、北京大學、中國科技大學、南京大學等100余家應用單位，受到廣泛的認可和好評。
結合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，或結合樣品表面的曝光深度，進而可以實現0 - 255階像素級3D灰度直寫。為上述相關研究領域內的3D線性灰度結構應用提供了便捷有效的實驗方案。
圖1 利用MicroWriter在光刻膠樣品表面上實現的3D灰度直寫曝光結果，其中左上、左下為灰度設計原圖，右上、右下為對應灰度曝光結果，右上蓮花圖案實際曝光面積為380 × 380 um，右下山水畫圖案實際曝光面積為500 × 500 μm
圖2 利用MicroWriter實現的3D灰度微透鏡矩陣曝光結果，其中SEM形貌可見其優異的平滑側壁結構
廈門大學薩本棟微納米研究院的呂苗研究組利用MicroWriter的灰度直寫技術在硅基表面實現一系列高質量的3D灰度圖形轉移[2]，研究人員通過調整激光直寫聚焦深度以及優化離子刻蝕工藝，獲得具有良好側壁平滑特征的任意3D灰度結構，其側壁的表面粗糙度低于3 nm，相較此前報道的其他方式所獲得的3D灰度結構，表面平滑性表現出顯著的優勢。MicroWriter的灰度曝光應用為包括MEMS，微納光學及微流控等領域的研究提供了優質且便捷的解決方案。
圖3 利用MicroWriter激光直寫在硅基表面實現圖形轉移過程示意圖
圖4 利用MicroWriter激光直寫曝光在硅基表面轉移所得的3D灰度結構的實際測量結果與理論設計比較，其中圖a中紅色散點表示實際圖形結構的縱向高度，黑色曲線為圖案設計結果；圖b中左為設計圖形的理論各點高度，右為實際轉移結果的SEM形貌結果，其中標準各對應點的實際高度。綜上可以看出其表現出優異的一致性
圖5 利用AFM對拋物面硅基轉移結構的精確測量與分析，可以看到起側壁的表面平滑度可以小至3 nm以下，表現出優異的側壁平滑性
利用MicroWriter激光直寫曝光技術，不僅可以直接制備任意形狀的硅基微納灰度結構，而且可以將制備的3D結構作為模具、電鍍模板或犧牲層來應用在其他材料上，如聚合物、金屬或玻璃等。這種直觀化的激光直寫技術在諸多維納器件研究領域中表現出顯著的應用優勢和開發前景。
參考文獻：
[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
相關參考：
英國皇家科學院院士、劍橋大學教授Russell Cowburn介紹：https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr
相關產品信息：
小型臺式無掩膜光刻機-Microwriter ML3：https://www.caigou.com.cn/product/20160315755.shtml
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