灰阶光刻在微纳加工中正变得越来越重要，尤其是在对复杂 2.5D 微结构有高要求的行业中。从折射和衍射微透镜等微光学元件，到器官芯片等生物医学应用，对更深、更精确的灰阶图形的需求不断增长。然而，在使用高灵敏度光刻胶的情况下，实现高质量的深灰阶结构仍是一项重大挑战。
在灰阶光刻中，结构的高度受限于光刻胶膜的厚度。使用市售的基于 DNQ 的正性光刻胶，可以制造出最高达 80 微米的结构。然而，当图形深度进一步增加时，光解过程中产生的氮气会在结构内部引发明显的气泡形成。
本研究所基于的工作，探讨了使用微电阻技术公司（micro resist technology）开发的一种新型正性光刻胶 mr-P 22G_XP，在制造超过 100 微米深度的灰阶图形时所面临的挑战。这种基于二萘醌/诺伏乐树脂（diazoquinone/novolak）的光刻胶专为超深结构或超厚膜灰阶应用而设计，旨在解决常见的氮气气泡形成问题，该问题常导致超厚层发生变形。研究揭示了在掩模灰阶光刻中适配这种光刻胶时遇到的各类挑战，并深入分析了光刻胶行为、掩模要求以及图形转移技术。
掩模光刻 vs. 直接写入：平衡之道
掩模光刻和直接激光写入各有其独特优势。掩模光刻适用于大面积基板的快速曝光，因而非常适合高产量的工业应用。然而，灰阶掩模需经过精心优化，以适应光刻胶的感光特性，避免图形偏差的产生。相比之下，直接激光写入在曝光控制方面具备更高的灵活性——特别是通过“N-Over”模式和 CI-Over（连续强度重叠）技术，实现多次低剂量曝光控制，可有效校正光刻胶的非线性响应和批次间差异，这是掩模技术难以实现的。
DWL 66+ 的作用
在实验中，作者使用了海德堡仪器的 DWL 66+ 激光直接写入系统，该系统以其对灰阶曝光的精确控制而著称。通过采用多次重叠曝光（N-Over 和 CI-Over 技术），他们实现了深度超过 160 微米的极其平滑的图形。曝光过程中光刻胶的固有漂白效应进一步促进了曝光光的深层穿透，这对于高质量的深灰阶图形至关重要。灰度值分布（GVD）的精细调节能力在补偿光刻胶差异方面表现尤为出色，这是灰阶掩模难以实现的挑战。
基于掩模的灰阶光刻中的主要挑战
mr-P 22G_XP 光刻胶虽专为深结构设计，但在掩模光刻中因其高灵敏度（尤其是在低剂量下）而带来了独特挑战。这种灵敏度虽有助于实现超过>100 微米的深度，但也使得即使在极少量光照射区域容易产生过度曝光，导致以下几个主要问题：
- 光刻胶灵敏度：即使是极少量的曝光也可能导致光刻胶膜厚显著减薄，影响图形的精确度。这意味着掩模中原本设定为“暗区”的区域仍可能透过足够的光，导致光刻胶产生不希望出现的显影。
- 掩模设计：
- 像素化掩模：通过亚分辨率特征创建灰阶级别的像素化掩模，可能会在光刻胶表面引入明显的颗粒感。由于光刻胶的高灵敏度，如果掩模分辨率不足，可能会使单个掩模像素被分辨出来，导致图形表面出现粗糙。
- HEBS 玻璃掩模：虽然 HEBS（高能束敏感）玻璃掩模能够实现更平滑的灰阶过渡，但它们也存在局限性。HEBS 掩模无法达到完全的 0% 透光率，即使是暗区也会有部分光线透过，导致这些区域出现不必要的曝光和光刻胶膜损失。此外，掩模设计需适应光刻胶的非线性响应，而目前的 HEBS 掩模尚不具备这一特性。
- 图形转移：由于光刻胶在化学和热学上不稳定，将图案结构转移到永久材料中是必不可少的步骤。
- 形状优化与工艺稳定性：厚层正性光刻胶的高灵敏度要求严格的环境控制和工艺稳定性。实现最佳的形状控制至关重要，因为即使是微小的曝光或环境变化，都可能导致图形保真度不足或最终结构产生偏差，从而影响整个制造过程的质量。
主要结论
- 掩模光刻：掩模光刻具有速度快和效率高的优势，但由于 mr-P 22G_XP 光刻胶的极高灵敏度，现有掩模技术难以实现精确的图形深度控制，面临极大挑战。
- 直接激光写入：直接写入技术，尤其是配合 DWL 66+ 使用，提供了更优越的控制能力，能够实现更深且更平滑的图形（如在菲涅耳透镜结构的顶部及底部邻近区域测得表面粗糙度低于<10 纳米，深度可达 165 微米），但代价是曝光时间较长。
- 关键的图形转移：图形转移是至关重要的一步。采用 OrmoComp®（一种适用于光学应用的无机-有机杂化聚合物）进行紫外光成型，以及利用 PDMS 复制（因其柔韧性而具备非破坏性），被证明是制造永久结构的有效方法。
深度灰阶光刻的未来
虽然灰阶掩模在高产量生产中具有高效优势，但对于追求高精度和灵活性的应用，直接激光写入依然是黄金标准。借助 DWL 66+ 等先进工具，研究人员和工程师能够不断突破灰阶光刻的极限，实现更深、更精细的微结构制造。
随着这些研究成果转化为改进的制造工艺，它们有望直接推动光学、微流控和生物医学器件等实际应用的发展，促进产业间的更紧密合作。持续优化光刻胶配方、曝光策略（包括受控的低剂量多次曝光）以及图形转移技术，将是释放灰阶光刻全部潜力的关键。
未来的研究应重点关注：
- 光刻胶改进：开发具有更低且更可控灵敏度的光刻胶（同时仍能实现深结构），或开发在曝光过程中不易产生膜厚损失的光刻胶。
- 先进掩模技术：研发具有显著更高分辨率的掩模，以实现有效的亚分辨率技术和更高对比度（更深的暗区），从而更好地控制高灵敏度光刻胶。这包括探索新材料和制造工艺。
在这些领域的持续发展将是充分发挥灰阶光刻在各种前沿技术中潜力的关键。
