一种基于DMD的灰度多重曝光投影光刻新方法

导读

近日，暨南大学物理与光电工程学院赵圆圆/段宣明教授团队提出了一种基于数字微镜器件（DMD）的灰度多重曝光投影光刻新方法，通过将复杂超表面版图分解为多级稀疏子版图，并施加灰度调制的时序曝光，实现了红外波段（3–5 μm）密集元胞超构表面的高保真制造。该方法成功解决了传统无掩模光刻在制造密集亚波长结构时的衍射串扰与邻近效应难题，为红外波段高性能超表面的低成本、高通量制造提供了切实可行的技术路径。相关成果以“Grayscale Multiple Exposure Method of Digital Projection Lithography for High-Fidelity Fabrication of Dense Metasurface in Infrared Region”为题，发表于《Laser & Photonics Reviews》，论文第一作者为硕士研究生黄晓文，通讯作者为赵圆圆副教授与段宣明教授。

超表面制造面临"精度、效率、成本"三重挑战

高密度纳米结构是功能超表面、光子芯片和传感器结构的核心基础。超表面（Metasurface）作为由亚波长人工微结构阵列构成的二维平面光学器件，因其超薄、轻量、可灵活调控光波前等特性，被视为下一代光学系统的核心元件，在红外成像、光束调控、全息显示等领域具有广阔应用前景。然而，要将设计蓝图转化为实际器件，制造环节始终是制约其走向应用的瓶颈。

当前主流技术中，电子束光刻精度高但效率极低，难以满足晶圆级大面积制造需求；激光直写虽设备简单，但在高密度图案加工时精度有限、效率受限；传统掩模光刻虽适合大规模生产，但掩模版制作与对准工艺复杂、成本高昂，且缺乏对任意非周期图案的灵活性。基于DMD的数字投影光刻技术虽具备无掩模、可快速重构图案的优势，但在面向中红外（3–5 μm）波段超表面制造时，微镜阵列的衍射效应与有限像素间距导致相邻结构间产生严重光学串扰，使得密集排布的纳米柱出现畸变、粘连甚至连通，图案保真度急剧下降。 

图1.数字掩模投影光刻中的灰度多重曝光方法

"化整为零、分时曝光"的灰度多重曝光策略

针对上述难题，研究团队创新性地提出了灰度多重曝光数字投影光刻策略。该方法的核心思想是将复杂密集的超表面图案"化整为零"，分解为一系列稀疏的子图案，通过计算机控制DMD进行快速时序切换，依次时序曝光。由于每个子图案在空间上充分稀疏，相邻微结构的光场叠加干扰被有效抑制，实现了光学邻近效应的显著修正。

与此同时，团队充分利用DMD的像素级灰度调控能力，通过精确控制每个微镜的开关占空比和曝光时间，实现了曝光剂量的连续调制。结合光刻胶的非线性阈值响应特性，研究者在亚像素尺度上精确调控纳米柱直径，建立了曝光剂量与结构尺寸之间的定量关系（直径与曝光能量的对数呈平方根关系）。采用5×5、7×7、9×9、11×11四种像素配置，成功实现了直径从0.6 μm到1.6 μm的连续可调，为传播相位型超表面所需的精确相位编码提供了工艺基础。

图2.设计和制备的不同传输相位Si纳米柱超表面单元结构

验证两类中红外超表面器件：从扩展焦深透镜到涡旋光束产生器

该制造流程仅需单步光刻+CMOS兼容刻蚀，无需掩模、无需多次对准，大幅降低了制造复杂度和成本。借助高深宽比感应耦合等离子体刻蚀，团队成功制备出高度约2μm、侧壁垂直度在±1°以内的硅纳米柱阵列，满足红外波段传播相位调控需求。为验证该方法的可靠性，团队设计并制备了两款典型红外超表面器件：

第一款是扩展景深（EDOF）超表面透镜。该器件采用双曲相位与轴锥相位相结合的混合设计，理论上可在保持高分辨率的同时将焦深DOF延长数倍。实验制备的200 μm口径超表面透镜，经扫描电镜（SEM）表征显示，四种相位级次对应的纳米柱直径（0.684 μm、0.826 μm、1.306 μm、1.590 μm）与实际测量值偏差均小于50 nm，且同心环结构具有极高的旋转对称性和均匀性。在3 μm波长激光照射下，实测焦深DOF达到约700 μm，超过衍射极限景深两倍，焦斑半高全宽（FWHM）在整个焦深范围内保持在21–30 μm，与理论模拟高度吻合。 

图3.扩展焦深超透镜的设计、制造和表征

第二款是拓扑荷为1的涡旋光束超表面产生器。该器件的相位分布同时包含径向变焦与螺旋相位项，呈现出全局非对称、非周期、局部高密度的极端复杂排布，对光刻工艺的灵活性和保真度提出了严苛考验。研究团队将连续相位量化为8个离散级次，对应8种不同直径的纳米柱，通过优化的灰度曝光参数组合，成功实现了高保真图案转移。光学测试表明，器件产生了典型的中空环形强度分布，亮环直径在20–23 μm之间，与模拟结果偏差小于1 μm，且在离焦位置观察到了理论预期的光强分布不对称性反转现象，充分证明了相位编码的准确性。 

图4.涡旋光束超表面的设计、仿真、制造和表征

该研究的突出意义在于，在不牺牲DMD光刻无掩模、高灵活性、高通量固有优势的前提下，通过软件算法与曝光策略的创新，突破了硬件衍射极限对图案保真度的制约。整个工艺流程仅涉及单步光刻和成熟的感应耦合等离子体（ICP）刻蚀，兼容CMOS产线，具备向大面积晶圆级制造扩展的潜力。

研究团队表示，该方法不仅适用于中红外波段超表面，其原理亦可推广至可见光及近红外等更短波长领域，为超表面透镜、全息器件、轨道角动量调控器等高性能平面光学元件的实用化、规模化制造开辟了新途径。

该研究得到该研究得到了国家自然科学基金（62575128, 62005097）和广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515011404）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71270