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(nei) 備受關(guan) 注，良好的線性側(ce) 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(chuan) 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(xie) 圖形曝光結合幹法刻蝕可以更加方便地製作任意圖形的3D微納結構。該方法中，利用微鏡矩陣（DMD）開合控製的激光灰度直寫(xie) 曝光表現出更大的操作便捷性、易於(yu) 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教授主導設計研製的小型無掩膜激光直寫(xie) 光刻儀(yi) （MicroWriter, Durham Magneto Optics），是一種利用圖形化DMD微鏡矩陣控製的直寫(xie) 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麵上照射得到含有3D灰度信息的曝光圖案，為(wei) 微流控、MEMS、半導體(ti) 、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(xie) 速度，高分辨率（XY ~ 0.6 μm）的特點。采用集成化設計，全自動控製，可靠性高，操作簡便。目前在國內(nei) 擁有包括清華大學、北京大學、中國科技大學、南京大學等100餘(yu) 家應用單位，受到廣泛的認可和好評。

　　結合MicroWriter的直寫(xie) 曝光原理，通過軟件後台控製DMD微鏡矩陣的開合時間，或結合樣品表麵的曝光深度，進而可以實現0 - 255階像素級3D灰度直寫(xie) 。為(wei) 上述相關(guan) 研究領域內(nei) 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在光刻膠樣品表麵上實現的3D灰度直寫(xie) 曝光結果，其中左上、左下為(wei) 灰度設計原圖，右上、右下為(wei) 對應灰度曝光結果，右上蓮花圖案實際曝光麵積為(wei) 380 × 380 um，右下山水畫圖案實際曝光麵積為(wei) 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(you) 異的平滑側(ce) 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(xie) 技術在矽基表麵實現一係列高質量的3D灰度圖形轉移^[2]，研究人員通過調整激光直寫(xie) 聚焦深度以及優(you) 化離子刻蝕工藝，獲得具有良好側(ce) 壁平滑特征的任意3D灰度結構，其側(ce) 壁的表麵粗糙度低於(yu) 3 nm，相較此前報道的其他方式所獲得的3D灰度結構，表麵平滑性表現出顯著的優(you) 勢。MicroWriter的灰度曝光應用為(wei) 包括MEMS，微納光學及微流控等領域的研究提供了優(you) 質且便捷的解決(jue) 方案。

圖3 利用MicroWriter激光直寫(xie) 在矽基表麵實現圖形轉移過程示意圖

圖4 利用MicroWriter激光直寫(xie) 曝光在矽基表麵轉移所得的3D灰度結構的實際測量結果與(yu) 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(wei) 圖案設計結果；圖b中左為(wei) 設計圖形的理論各點高度，右為(wei) 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(you) 異的一致性

圖5 利用AFM對拋物麵矽基轉移結構的精確測量與(yu) 分析，可以看到起側(ce) 壁的表麵平滑度可以小至3 nm以下，表現出優(you) 異的側(ce) 壁平滑性

　　利用MicroWriter激光直寫(xie) 曝光技術，不僅(jin) 可以直接製備任意形狀的矽基微納灰度結構，而且可以將製備的3D結構作為(wei) 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(xie) 技術在諸多維納器件研究領域中表現出顯著的應用優(you) 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(guan) 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(guan) 產(chan) 品信息：

　　小型台式無掩膜光刻機-Microwriter ML3：https://www.caigou.com.cn/product/20160315755.shtml