欢迎回来，上篇介绍了关于灰度光刻技术的基本原理与应用（回顾上篇），本篇将继续对灰度光刻的不同技术方案进行讨论。
根据光刻加工过程中是否使用物理掩模版，灰度光刻技术可分为掩模光刻和无掩模光刻两类，其中掩模光刻一般指灰度掩模投影光刻（Grayscale Mask Lithography，GML），而无掩模光刻包括数字微镜阵列光刻（Digital Micromirror Device Lithography，DMDL）、激光直写光刻（Laser Direct Write Lithography，LDWL）和电子束光刻（E-Beam Lithography，EBL）等技术方案。接下来将对上述几类技术展开介绍：
图1：灰度光刻技术方案
灰度掩模投影光刻
灰度掩模投影光刻（Grayscale Mask Lithography，GML）的核心原理是利用灰度掩模调制光场分布，使不同区域的光刻胶因吸收能量差异而产生非均匀曝光，从而保留预设的三维轮廓。该技术通常利用亚分辨率微结构（如Cr-Pixel阵列）调节光刻掩模版的透光率，实现准连续的曝光剂量控制。如像素化灰度掩模利用衍射效应和投影物镜滤波生成渐变曝光效果，可用于微透镜阵列的加工。相比传统二维平面光刻，灰度掩模光刻技术无需多次更换掩模即可实现渐变结构加工，为结构精度要求不高的三维微纳结构提供了一种高效的加工方案。
目前，GML技术方案主要有两点不足：Ⅰ. 灰度掩模的制造通常需使用精密的离子束或电子束设备，加工效率低且成本较高，极大限制了其应用范围。Ⅱ. 在GML系统工作过程中，光线经过实体掩模投射至光刻胶上，其垂向分辨率受到掩模制造水平和投影系统分辨率的限制。在大矢高（>10µm）结构加工中，光刻分辨率迅速降低，导致其工艺窗口较小。受到制造成本与光刻精度的双重限制，该技术方案在实际生产中逐渐被其他无掩模光刻技术所替代。
数字微镜阵列光刻
数字微镜阵列（Digital Micromirror Device，DMD）是一种基于微机电系统的光学调制器件，其核心由数百万个可独立控制的铝制微镜组成，通过控制微镜偏转角度可以控制光路的开关。当微镜处于开态时，入射光反射至投影光路，关态时则偏离光路，从而实现像素级的光强调制。这种二进制控制通过CMOS存储单元寻址实现，每个微镜对应一个存储单元，能以kHz级速度切换状态，从而支持高速动态图案生成。利用数字微镜阵列控制生成数字掩模，可以实现精准、高效的灰度光刻。
在数字微镜阵列光刻（Digital Micromirror Device Lithography，DMDL）系统工作过程中，首先计算机将设计图案转换为位图信号，控制微镜阵列的开关组合；接着准直光源照射微镜阵列，反射形成的空间光场经投影物镜系统缩微成像；最后通过精密移动平台实现多视场拼接，完成大面积曝光。相较于GML，DMDL技术方案具备显著优势：Ⅰ. 无需物理掩模版，通过数字信号实时重构图案，缩短研发周期；Ⅱ. 支持亚微米级分辨率，配合超快激光可实现高精度微纳结构制备；Ⅲ. 灰度曝光可调控光刻胶深度，直接生成复杂三维微纳结构。
激光直写光刻
激光直写光刻（Laser Direct Write Lithography，LDWL）是一种常见的无掩模灰度光刻技术。其基本工作原理是利用高准直性和单色性的激光对基底表面光刻胶实施可变剂量扫描，随后通过显影在光刻胶表面形成预先设计的浮雕轮廓。相比于GML与DMDL技术方案，基于激光直写系统的灰度光刻技术，加工效率较低，但在分辨率与灵活性上具有显著优势。结合前文介绍的几类微纳结构转印手段，可以实现DOE、MLA等微纳光学元件的快速量产。
双光子光刻（Two-photon Lithography，TPL）由激光直写光刻技术发展而来，两者光路类似但光刻胶的反应机理不同。激光直写光刻中光刻胶吸收光子发生反应为线性过程，而双光子光刻利用了非线性响应的双光子效应。不同于其他灰度光刻技术的减材加工（Top to Bottom），双光子光刻通过对负性光刻胶曝光，可以在各类基底表面进行高精度的增材加工（Bottom to Top），避免了三维结构重叠造成的遮挡影响。双光子光刻技术的出现将灰度光刻的加工范围从准三维（2.5D）推进到了真正的三维（3D）领域。同时由于双光子效应的独特作用机理，投影光斑在光刻胶内部的作用区域更小。这一特性，使得双光子光刻技术的特征尺寸突破了光学衍射极限，达到亚百纳米级（50nm），在微纳光学领域展现出了巨大的应用潜力。
电子束光刻
电子束光刻（E-Beam Lithography，EBL）同样是无掩膜光刻的一种，它利用波长极短的聚焦电子直接作用于对电子敏感的光刻胶，在其表面绘制特定的微纳结构。光刻系统的分辨率由瑞利判据（Rayleigh Criterion）决定，当使用的光源波长越短，系统的分辨率越高：
R = ( k1*λ ) / NA
由于电子本质上是一种带电粒子，根据德布罗意物质波理论，其波长为：λe=(1.226*109)/√V。因此电子束曝光精度与系统加速电压直接相关，加速电压越高，其对应波长越短。在100KV的加速电压下，电子的波长可达到0.1nm量级，保证了电子束曝光系统的超高分辨率。
EBL技术方案有着超高分辨率（极限尺寸＜10nm）和灵活作业（无需掩模直写加工）的优点，在纳米级光学元件制造中展现了不可替代的潜力。同时也因为电子束斑尺寸过小和控制系统复杂，导致其曝光效率低，光学邻近效应校正（Optical Proximity Correction，OPC）难度较大，通常用作高精度产品原型试制和纳米级器件科学研究，工艺复杂性和量产成本是其产业化的重要挑战。
表1：灰度光刻技术对比
在上述灰度光刻技术中，灰度掩模投影光刻（GML）与数字微镜阵列光刻（DMDL）在加工效率上具有明显优势。激光直写光刻（LDWL）则更加灵活，同时在可加工范围与加工精度上领先其他技术方案。双光子光刻（TPL）通过精准的曝光区域调控，实现了真正意义上的三维结构加工，突破了光刻技术在深宽比、景深、交叠结构上的限制。电子束光刻（EBL）拥有目前灰度光刻技术中最高的分辨率，在纳米级光学元件制造中具有不可替代的重要地位。
随着跨学科技术的融合与创新，多光束曝光、大模型仿真的应用以及材料科学的突破，灰度光刻技术也在不断提升。除文中介绍的几类之外，全息光刻、热探针光刻等先进技术同样在特定领域发挥着重要作用，鉴于文章篇幅有限，这里不再一一展开。
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