光刻技术是现代先进制造的核心技术之一，在电子信息、生物医疗和微纳光学等领域中发挥着不可或缺的作用。近年来，随着市场上三维（3D）微纳光学元件需求的爆发式增长，传统二维平面光刻逐渐难以满足需求。适合三维微纳结构加工的灰度光刻技术在该背景下应运而生，并凭借其单次曝光成型、高设计灵活性、高精加工度的技术特点，逐渐成为微纳光学元件制造领域的核心技术之一。
灰度光刻技术的基本原理：将编码后的结构信息转换设计图纸中的灰度信息，再通过光刻系统将其转换为对应的光场信息，曝光后在光刻胶中形成具有不同深度的光刻结构。与常规二维平面光刻仅能生成“曝光”或“未曝光”的二维结构不同，灰度光刻可对光刻参数进行动态调节，实现了光刻胶不同区域反应程度的连续或阶梯变化。这种特殊的曝光方式，使其可以在单次曝光中直接生成复杂的三维形貌，再通过特定转印技术将加工出来的微纳结构复制到其他材料上。其核心技术包括：曝光剂量调制、光刻胶响应修正、光学临近效应修正、微纳结构转印。
图1：二维平面光刻&三维灰度光刻对比
曝光剂量调制
灰度光刻过程中光刻胶不同深度的曝光，依赖于曝光剂量的精准调制。通过物理掩模或数字掩模，将微纳光学元件的结构高度信息转化为光场信息，投射在基板的对应位置，使不同区域的光刻胶发生差异化的光化学反应，显影后达到预设的结构深度。曝光剂量的分布直接影响灰度光刻系统加工精度，通过对光刻系统投射光斑的光强、尺寸、辐照时间与频率等参数的调节，可以实现不同光刻精度与加工效率的自由转换。更高阶的灰度调制可以支持更加精细、平滑的光学平面加工，目前部分商用灰度光刻设备已经达到4096级灰阶的控制精度。
图2：灰度光刻原理示图
光刻胶响应修正
光刻胶对比度曲线（Contrast Curve）同样是影响灰度光刻精度的关键指标，其反映了光刻胶对曝光剂量变化的敏感程度。通常，灰度光刻会选用对比度较低的光刻胶作为刻蚀材料，这类胶水在光场辐照下内部光化学反应较为平缓，加工结构可控性更高。低对比度光刻胶在显影后的残胶厚度与曝光剂量通常呈非线性关系，曝光深度越大，曝光效率越低。显影时间、显影液浓度、前烘与后烘温度等因素均可显著影响对比度曲线的斜率，在使用前需要对胶版进行抽样测试，确认曝光深度与曝光剂量之间的映射关系，用于修正实际加工轮廓与设计结构间的偏差。
图3：Contrast Curve测试
光学临近效应修正
光学邻近效应修正（OPC）主要通过调整曝光强度分布或掩模设计来补偿由光的衍射、干涉以及光刻胶非线性响应等引起的图案失真。不同于二维平面光刻通过线条加粗、辅助特征添加等手段优化曝光图形，灰度光刻需额外考虑光子在光刻胶内部传输过程中的物理/化学过程。随着曝光深度增加，胶水内部光散射、热累积效应、胶层湿度分布、反应物（N2）释放等因素的影响逐渐增大，对灰度光刻OPC提出了更高要求。面对越发复杂的结构加工需求，基于大模型驱动的多参数优化、多物理场耦合分析等OPC方案也在持续发展。
微纳结构转印
通过灰度光刻可直接获得与光刻胶材质相同的三维微纳结构，而针对不同产品需求，往往需要通过各类手段将其替换为其他材料（如：光学树脂、SiO2、Si等）并转移至特定基底上。目前主流的微纳结构转印方案包括：Ⅰ. 干法刻蚀技术（Dry Etch）：包括反应离子刻蚀（RIE）、电感耦合等离子体刻蚀（ICP）、电容耦合等离子体刻蚀（CCP）、原子层刻蚀（ALE）等。其中以RIE与ICP技术的使用最为广泛。Ⅱ. 纳米压印技术（Nanoimprint Lithography，NIL）：通过机械压印将模具上的纳米结构转移到目标材料上，主要类型有：热压印（T-NIL）、紫外压印（UV-NIL）、微接触印刷（μCP）。Ⅲ. 金属沉积技术：通过电化学沉积（电镀）、电场驱动喷射沉积、激光辅助沉积等技术可将树脂模具转印为其他金属结构。
图4：微纳光学元件示例
以灰度光刻为核心的三维光刻加工技术可实现高精度三维结构的直接成型，同时结合晶圆级光学（WLO）技术，将微纳光学元件的生产成本大大降低，生产效率获得数量级的提升。舜宇奥来技术在微纳光学元件制造领域具备深厚的技术积累，通过对应光刻技术加工的产品包括衍射光学元件（DOE）、微透镜阵列（MLA）、超透镜（Metalens）、光栅（Grating）等。主营业务涵盖消费电子、AR/VR、现代医疗等众多领域，可以针对不同行业应用场景提供专业的综合解决方案。
上篇内容就先讲到这里，下篇将继续对灰度光刻的不同技术方案进行讨论，欢迎持续关注。
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