摘要
本文综述了数字无掩模光刻技术、激光直写技术、电子束光刻和激光干涉光刻技术的发展状况，并探讨了其原理、发展成果和在制造加工领域的重要性。相比传统的有掩模光刻技术，无掩模光刻技术无需掩模板，有制造周期短、更经济的优势。数字无掩模光刻技术通过数字化控制实现了高速、灵活的图案转移。激光直写技术能够实现微米级别的高精度加工，为微纳加工和光子学器件制造提供了支持。电子束光刻具有极高的分辨率，在科研领域展现了巨大潜力。激光干涉无掩模光刻技术具备更高的分辨率和高效制作周期性图案能力。未来，无掩模光刻技术在微纳加工和光子学器件制造领域有广阔的应用前景，但需解决图案形变、传输效率和加工精度以及完善相关配套工作系统等问题，进一步优化和改进技术。加强对数字无掩模光刻和激光直写技术的研究，提高图案设计算法和加工速度，满足微纳加工需求具有重要意义，将为微纳加工和光子学器件制造带来更广阔的发展空间和应用。
关键词：无掩模光刻数字光刻激光直写电子束光刻
第一章绪论
1.1研究背景
在现代微电子工业的蓬勃发展之下，芯片的制造工艺已然进步与改良。然而，在芯片制造工艺之中，光刻技术一直是不可或缺的重要工艺步骤。然而，随着半导体器件的进一步缩小，掩模光刻技术日渐显露出若干棘手问题。诸如：掩模制备难度升级，掩模寿命日益缩短，同时，光刻胶敏感度愈发提高，厚度也不断降低。这些问题严重影响了传统掩模光刻技术的推广与使用。为解决此等问题，无掩模光刻技术于是应运而生。无掩模光刻技术所指为，利用电子束或激光等光源，通过计算机程序，在光刻胶表面直接制造所需图案。与传统掩模光刻技术相较，无掩模光刻技术具备更高的分辨率、更佳的制备精度以及更短的制造周期。因此，无掩模光刻技术被广泛应用于微电子、光电子、生物芯片、纳米技术等领域。
无掩模光刻技术的研究发展和应用对于当今微电子工业的发展至为重要。首先，无掩模光刻技术能够极大地提高芯片的集成度与制造精度，从而增进芯片的性能和可靠性。其次，无掩模光刻技术具备更高的生产效率和更短的制造周期，可大大缩减芯片的制造周期，降低制造成本[1]。最后，无掩模光刻技术还可实现更加复杂的芯片结构和功能，从而满足不断增长的应用需求。
总之，无掩模光刻技术是芯片制造工艺中非常重要的一个技术领域。未来，随着微电子工业的不断发展和应用需求的不断增长，无掩模光刻技术将会得到更广泛的应用和深入的研究。
1.2国内外研究现状
无掩模光刻技术作为一种先进的微纳加工技术，已经成为微纳器件制备领域中的热点研究方向。无掩模光刻技术的分类并不是非常明确，但一般可以从工作原理、加工方式等角度进行分类。本节将从数字无掩模光刻技术、激光干涉光刻技术、激光直写技术以及电子束光刻这四个方面来介绍国内外无掩模光刻技术的研究现状及发展趋势。
1.2.1数字无掩模光刻技术
数字无掩模光刻技术是一种新型的微纳加工技术，它采用数字投影技术来控制光源的形状和位置，从而实现无掩模光刻。相比传统的掩模光刻技术，数字无掩模光刻技术具有更高的灵活性和精度，可以实现更加复杂的光刻图案和多层次的加工结构，同时也具备更加经济高效的特点[2]。
当谈到数字无掩模光刻技术时，其中一种常见的实现方法就是利用数字微镜器件（DMD）技术。DMD数字无掩模光刻技术是一种全数字化的微纳加工技术，它利用计算机控制的DMD微镜器件来控制光源的形状和位置，从而实现无掩模光刻。
DMD数字无掩模光刻技术在集成电路领域较为广泛。随着电子元件尺寸的不断缩小和对更多元件特性的需求增加，基于数字微镜器件（DMD）的无掩模光刻系统成为PCB制作中的一种高效工具，它避免了传统基于聚酯掩模的光刻工艺所导致的失真，同时也节约了大量时间和成本。为了满足未来印刷电路板制造的趋势，一家位于加利福尼亚州的PCB制版公司在2011年推出了一款基于DMD的光学系统的数字印刷机，它不仅成本低廉、打印速度快，还能够保证高精度的配准要求。该机采用多个并行的DMD光学系统来处理扫描基板，为大面积PCB制版（45.72cm×60.96cm）和特征尺寸大于50μm的PCB制版提供了极高的打印速度和套准精度。近年来，基于DMD的无掩模光刻技术在PCB制版领域得到了广泛应用，但仍然存在一些问题，例如PCB曝光面积小，曝光像素尺寸外线距，以及线宽精度低的问题。2018年，刘清源[3]提出了一种改进模型，采用扫描式曝光来满足大面积PCB的曝光需求，采用灰阶调制来满足高精度PCB的曝光需求，为PCB大面积和高精度的项目提供了可行性方案；Lee等提出了一种基于高速GPU加速路径绘制和CPU并行计算的光栅化方法，通过将图案信息与PCB对准提高曝光精度，大大提高了曝光图像的质量。
随着人们对光电子器件小型化需求的不断增加，微透镜阵列已经成为了微光学领域中备受关注的重要器件。相比于球面微透镜，非球面微透镜阵列具有更高的填充因子，同时也拥有更好的信噪比和光学性能。因此，它们构成的光学系统具有尺寸小、质量轻和成像质量好的特点。然而，传统的制造方法，如反应离子刻蚀和热回流，通常难以制造出具有高填充因子和非球面表面轮廓的微透镜阵列。飞秒激光诱导双光子聚合方法虽然可以用来制备高填充因子的非球面微透镜阵列，但它的耗时长且表面精度有限。因此，近年来，基于DMD的无掩模光刻技术已经成为了制造高填充因子非球面微透镜阵列的有效方法。
2017年，Zhong等人提出了一种基于数字无掩模光刻技术制作高填充因子非球面微透镜阵列的方法，每个微透镜周边都没有间隙，大大提高了微透镜阵列的光学性能。其原理如图1-1所示。值得一提的是，该方法的不仅成本低，产量且高。
图1-1非球面微透镜，(a)放大图像;(b)一个微透镜的三维图像.
此外，2019年，Zhu等人还介绍了一种剂量调制DMD光刻与低温热回流相结合的高性价比方法，该方法能够制备出接近100%填充因子、高形状精度和高表面质量的非球面微透镜。这种方法为快速制作高质量、高填充因子的非球面微透镜提供了一种具有发展前景的新方法。
基于DMD的数字无掩模光刻技术因其高效、低成本、高精度和灵活性而备受瞩目，已经在许多领域得到了广泛的应用。然而，目前该技术仍然存在一些问题：首先，光刻分辨率到达了光学极限，需要进一步研发满足极紫外光刻的DMD设备。其次，对于大面积三维光刻，主要依赖于系统对准精度和图形拼接精度，这大大增加了光刻系统的构建成本。第三，DMD的像素量化误差难以完全消除，现有方法只是不同程度地减弱该影响。尽管如此，随着DMD芯片和控制系统的不断升级和完善，这些问题有望得到缓解和解决。因此，基于DMD的数字光刻技术仍然具有广阔的发展前景和应用前途。未来，随着该技术在光刻分辨率、制造效率以及光刻介质等方面的不断突破和发展，相信它将进一步推动交叉学科的进步，促进国民经济的发展，提升国家的科技实力[4]。
1.2.2激光干涉光刻技术
激光干涉光刻技术作为一种先进的光刻技术，近年来在国内外微电子制造领域迅速崭露头角。利用激光光束的干涉效应，激光干涉光刻技术能够实现高精度的图案定义，因此受到了广泛的关注和研究。随着微电子行业对更小、更复杂器件的需求不断增加，激光干涉光刻技术展现出了巨大的潜力和应用前景。
在小尺度纳米结构加工方面，Johannes de Boor团队进行了关于小尺度纳米结构加工的深入研究。他们的研究不仅展示了激光干涉光刻在纳米加工领域的潜力，而且揭示了一些令人惊讶的发现。通过利用激光干涉二次曝光技术制作点阵结构，研究团队成功地实现了对点的精确控制和定位。这为进一步减小每个点的尺度奠定了坚实的基础。配合反应离子刻蚀技术，他们能够进一步调整整体结构的形态。
在该研究中，研究团队还利用lift-off（一种纳米加工工艺）和反应离子刻蚀深刻蚀技术成功制备出线宽不大于100nm的纳米线结构，如图1-2(a)所示。这一突破性的成果使得纳米线的制备更加精确和可控，为纳米电子学和光电子学等领域的应用提供了新的可能性。
同时，他们还利用一面利特罗棱镜进一步扩展了加工尺度范围，制备出了线宽不大于50nm的表面纳米结构，如图1-2(b)所示。这一技术的应用无疑将激光干涉光刻的可加工结构尺度范围扩大到传统光刻和电子束光刻之间，为纳米光子学和纳米传感器等领域的发展带来新的突破。
图1-2激光干涉光刻加工深亚微米结构。(a)使用激光干涉光刻为基础加工的硅基纳米线。(b)激光干涉光刻结合利特罗棱镜加工出线宽低于50nm的表面光栅结构。
激光干涉光刻具备无掩模即可加工广阔表面纳米结构的独特优点。根据海外研究学者的成功实践表明，运用激光干涉光刻可以制作出巨大面积的重复性纳米图案。KeDu研究小组的研究显示，激光干涉光刻技术可以实现直径超过5cm的表面纳米结构制造，这些结构不仅拥有宽广面积，而且展现出亚微米尺度下卓越的均匀性。该研究团队将这些表面结构作为工作前提，通过金属沉积法制备出品质优异的模板，如图1-3(a)所示。
值得一提的是，J.P.Spallas团队报道利用351nm氢离子激光器在50cm*50cm区域内制造重复性小于500nm的结构，如图1-3(b)所示。这一加工面积已达到16寸硅片的规模，充分展现了激光干涉光刻在工业领域的巨大潜力，远非仅限于实验室应用。总体而言，激光干涉光刻技术无需掩模即可实现大面积纳米结构的加工，为纳米科技领域带来重要突破。KeDu研究小组和J.P.Spallas团队的研究成果不仅展现了激光干涉光刻的灵活性和广泛应用价值，同时也为纳米光子学、纳米传感器等领域的发展提供了重要支持。
图1-3基于激光干涉光刻加工的大面积表面纳米结构。(a)干涉光刻加工的表面纳米结构区域直径大于5cm。(b)J.P.Spallas等人报道的超大面积表面纳米图形结构。
国外经过较长时间的研究，目前的技术已可以在硅片上制造出平方公尺量级的纳米图案，并被用于模板制造、新型微纳器件制造、光子晶体制造等。目前，我国只有几所高等院校和研究单位，如四川大学，南京大学，复旦大学等，开始了对干涉光刻技术的研究。尽管我国在干涉光刻方面起步比较晚，但是我们的干涉光刻技术却在不断地迎头赶上，有朝一日，我国的干涉光刻技术将成为国际上最先进的干涉光刻技术之一。
由于干涉光刻可实现大面积、高质量、高精度的光刻，近年来在微细制造中得到越来越多的关注，并在科学研究及某些应用方面获得了显著成果。虽然干涉光刻技术具有无需掩模、结构简单、价格低廉等优点，但是要实现其规模化应用，仍然面临着诸多问题。
现有的激光干涉光刻技术仅能对具有周期特征的光栅和点阵进行加工，不能满足实际应用中对纳米结构的复杂制造要求。同时，其它纳米制造技术也相继出现，例如，电子束光刻和纳米压印等，这些技术以其高精度，可以确保被制造的产品的品质，就算是现在的干涉光刻技术，也很难达到这种程度。
1.2.3激光直写技术
激光直写技术是一种重要的微纳加工技术，在国内外得到了广泛的研究和应用。自20世纪70年代起，激光直写技术开始逐渐发展壮大。早期的激光直写技术主要是基于光致化学反应的机制，通过激光在光敏剂上产生的化学反应来进行微米级结构加工。然而，这种技术存在的主要问题是加工速度慢、分辨率低，以及不能处理多种材料。为了克服这些问题，人们逐渐发展了多种激光直写技术。例如，利用激光直接将材料加工去除的技术，如激光烧蚀、激光消融等。这些技术在加工速度和分辨率方面有了很大的提高，但也存在一些局限性，如只能处理部分材料、存在表面质量问题等[5]。
近年来，随着激光器技术的不断发展和材料研究的深入，涌现出了许多新的激光直写技术。例如，基于涡旋光束的激光直写技术，亦涡旋光束直写光刻技术，这种技术利用具有轨道角动量的涡旋光束，可以实现微米级、纳米级的加工精度和高速度。涡旋光束具有自由度高、光强分布复杂等优点，已经在微纳加工、生物芯片制备、光子学器件制备等领域展现出了广泛的应用前景。
涡旋光束是一种具有螺旋相位结构的光束，可以通过光学元件的调控来改变其螺旋结构和波前形状。这种特殊的光场分布使涡旋光束具有一些独特的加工性能，例如可以制造一些无法通过传统激光光刻技术实现的图案结构，同时具有更高的加工效率和加工精度等优势。
涡旋光束直写光刻技术的基本原理是通过聚焦涡旋光束直接写入光刻材料，形成所需的结构。与传统激光光刻技术不同的是，涡旋光束直写光刻技术不需要掩模板，因此可以避免掩模产生的误差和复杂性。同时，涡旋光束具有高自由度的相位结构，可以通过调节相位形成更加复杂的图案结构。因此，涡旋光束直写光刻技术具有很大的潜力，在微纳加工领域得到了广泛的研究和应用。
涡旋光束由于其特殊的光场分布，无法产生独立的亚波长结构，因此研究此技术的人较少。但是，在某些非一般应用中，涡旋光束可以用于制造所必备的亚波长结构。2013年，M.S.Kim等人在“微纳光学与光电子制备”国际前沿学术研讨会上，首次提出采用直接光刻方法制备具有特定形状特征的新型纳米材料。他们利用405nm的小数字孔径光刻物镜，利用其聚焦的漩涡光束，成功地制作出了具有数百纳米以上特性的结构。其中，静态的、具有高密度、高密度和高密度等特性的涡旋光可以得到最大粒径为100-200纳米的纳米圆柱。采用线性极化器将涡旋光束分成两个波瓣的两个波瓣的分束器，使其在静态曝光时得到最佳的结果。具有大约90毫微米的间距，而在动态暴露下，可得到大约85毫微米的微米格栅。
图1-4聚焦涡旋光束及其分解的直写结果：(a)聚焦涡旋光束曝光产生的纳米柱(b)双翎
型分裂光束曝光产生的纳米间隔(c)双瓣型分裂光束动态扫描获得的纳米线条尽管涡旋光束直写技术在微纳加工领域中的应用尚不广泛，但其在制造亚波长结构方面的独特能力仍然具有极大的潜力。未来，随着该技术的不断发展和改进，涡旋光束直写技术有望成为微纳加工领域中的重要工具，为我们创造出更加精细、高效的微纳结构，推动微纳加工技术的发展[6]。
1.2.4电子束光刻技术
电子束光刻是目前已知的最精细的光刻工艺，其精细度在10nm以内，足以满足当前所有制程对精细度的需求。直写型电子束光刻机是一种利用直写型电子束光刻技术，将一束电子束直接射入到感光材料上，从而实现对感光材料的加工。由于直接写入方式无需使用光刻掩模板，所以光刻掩模的价格非常昂贵，所以无需掩模的直接写入方式能够极大地降低芯片的制作成本。然而，电子束光刻机因其较低的曝光速度，难以实现大批量、大型化的加工。目前，在集成电路生产中，电子束光刻机主要是用来生产高精度的光刻掩膜以及相移掩膜。电子束激光刻机在微纳光学、微机电系统、特殊微纳元件等微纳制造领域具有非常广阔的应用前景。相比于湿法蚀刻，干法蚀刻和电子束光刻相结合，更有可能获得更好的纳米结构。所以，电子束光刻技术在微纳器件的制造和科学研究中起着至关重要的作用。
细胞外信号分子等多种标志物的同步检测对疾病的诊断具有重要意义。在微纳尺寸范围内，准确确定抗体在生物传感、诊断和检测技术中的位置，是实现生物传感和诊断的关键。这就对芯片的特征尺寸小型化提出了新的需求。电子束光刻技术具有高精度、不需要昂贵的掩膜即可实现多种微纳米结构的制备，在生物科学研究中具有广阔的应用前景。UlandY.Lu[7]等使用电子束光刻（electrochemical spectromagnetic factor）精刻蛋白质图案，从而实现了对活细胞中复合体因子（receptor）的检测。图1-5中显示了使用电子束平版印刷系统制作蛋白抗体图案的基本流程。在硅基板上，用大约2.68±0.11纳米的PEG膜包覆层。将抗体、多聚蛋白及抗坏血酸三种成分的混合物涂覆于衬底上，用作电子束光刻胶。在基板上用电子束辐照后，与其它聚合物类似，聚合物在混合溶液中的分子链断裂，使聚合物在显影液中溶解。
图1-5电子束光刻蛋白质图形的步骤
硅光子由于表现出可以兼容成熟的微电子工艺而逐渐获得大量的关注。在集成光学领域，绝缘体上硅（SOI）中由于Si和SiO2存在着大折射率差可以成为优良的光波导。M.Gnan等人利用基于HSQ光胶工艺的电子束光刻制备出了单模SOI光子线波导和布拉格光栅，如图1-6所示。
图1-6 SOI光子线波导和布拉格光栅显微图片
随着集成电路的不断发展，高精度光刻工艺与器件也随之不断进步。高精度的直写式电子束光刻是新一代光刻工艺研究的热点。电子束曝光技术在微电子、微光学、硅基光电、生化等科学研究中有着广阔的应用前景。集成电路制造工艺的进步，也带动了其它学科的发展，产生了纳米电子学，微纳光学，硅光电子学等多个新兴的交叉领域。由于受工艺效率低下的限制，电子束光刻机被广泛应用于IC工艺中的掩模版制作。若能突破这一技术瓶颈，则有望使电子束光刻机在微纳制造、纳米器件制造等方面的应用得到进一步拓展[8]。
以上介绍的四种无掩模光刻技术各有优势，综合考虑来讲，数字无掩模光刻技术和激光直写技术，具备独特的优势和潜力。其中，基于数字微镜DMD的无掩模光刻技术可采用紫外光、深紫外光、甚至更短波长的极紫外光作为光源，具有很强的技术延伸性和工艺兼容性，满足灵活、高效、低成本的要求，更易在光刻实践中得到应用，具有广泛的应用前景。然后，激光具备非接触加工的特性，使得激光直写技术成为一种灵活且高效的加工方法。激光直写技术可以直接写入任意形状和结构，适用于个性化定制制造和快速样品制备。因此接下来将对基于DMD的数字无掩模光刻技术和激光直写技术进行一个深入介绍。
1.3本文研究内容与目标
本文旨在介绍研究无掩模光刻技术及其应用。首先介绍研究背景和国内外研究现状，包括数字无掩模光刻技术、激光干涉光刻技术、激光直写技术、电子束光刻技术。接下来重点介绍了基于DMD的数字无掩模光刻和激光直写技术的原理与应用成果，最后对未来的发展和应用进行展望。通过本文的研究，希望使读者有效了解无掩模光刻技术及其原理与相关应用，并为相关领域的学习提供参考。
第二章基于DMD的数字无掩模光刻技术及应用
2.1数字微镜无掩模光刻系统原理
DMD（数字微镜装置）是一种特殊的光场调制芯片。DMD面投影曝光技术通常采用汞灯作为光源，利用DMD芯片代替实体掩模板，将计算机中的二维图像直接投影到样品表面，进行面曝光。
DMD面投影光刻系统如图2-1所示，包括光源、光束准直与匀化系统、DMD芯片与控制系统、投影成像镜头和移动控制台五个主要部分。
图2-1 DMD无掩模面投影光刻原理图
通常，汞灯或LED被用作光源，在经过光束均匀化处理后，以一定角度照射到DMD芯片上。反射光经过成像镜头投影至样品表面，实现对计算机中二维图像的直接输入，结合大面积移动台，可以快速曝光复杂图形。
2.1.1光源
光源在全光路中提供持续稳定的光功率输入，并为最终的曝光过程提供足够的能量。常见的光源包括汞灯、LED和激光光源等。由于DMD的平面特性，在该系统中需要生成平行光束以便进行调节，并且光束在横截面上的能量分布必须均匀一致。因此，需要对光源发出的光场进行光束均匀化处理。
2.1.2光束准直与匀化系统
光源的入射光经过准直匀化系统进行调节，形成具有均匀能量分布的照明场，并朝着一个方向传播。系统的复杂性与所使用的光源有关。对于非相干光源，通常使用蝇眼透镜阵列进行处理；如果采用具有良好相干性的激光作为光源，可以通过采用针孔滤波器结合光束拦截法或直接使用光束整形器进行匀化处理。
2.1.3 DMD芯片与控制系统
DMD芯片与控制系统是数字投影光刻系统的核心组成部分。该芯片能够对每个单元像素上的光场进行开关操作，类似于传统投影光刻系统中的掩模效果，并将生成的图像直接输入到投影镜头。DMD芯片是数字控制设备，通过连接端口与计算机控制系统进行通信。DMD的可开关微镜单元如图2-6所示，通过铰链控制微镜单元的旋转，在不同的信号下具有不同的偏转状态。微镜单元的最大旋转角度θ取决于DMD的型号。当信号为“开”时，微镜旋转角度为+θ；当信号为“关”时，角度为-θ；无信号输入时，微镜角度为0。通过调节芯片上每个微镜单元，可以使其仅在特定状态下将入射光指向光学系统的下一个部分（如成像系统），从而地控制光场。
图2-2微镜结构单元的示意图
一块DMD芯片中的微镜数目已经超过400万片，因此计算机中的二维图像设计的分辨率随之提高，已经满足各种复杂微纳结构的设计精度。DMD采用位图进行调制，这种方式非常直观，并且微镜开关状态的改变非常迅速和灵活，因此它已成为最常用的数字空间光调制器之一。目前在光路中，DMD主要发挥三种作用：在光纤通信系统中，DMD作为光开关，通过切换不同镜面的旋转状态，使接收端只能在特定位置接收入射光信号；在频谱调制系统中，DMD作为可调节的编码孔阵列，对入射图像进行编码，并在特定位置使用该阵列进行调制和筛选，以调节光路中的不同频率通道和光场空间分布；在无掩模光刻系统中，DMD作为一种数字掩模置于成像系统前，通过调节芯片表面的状态，将入射的平行光束转换为可接收的图像，最终直接获得所需的图形[9]。
2.1.4投影成像镜头系统与移动控制台
投影成像物镜用于收集DMD反射的光场，并通过精确的设计确保在基底上呈现出良好的目标图案，并进行曝光。除了基本的成像功能外，投影镜头的设计还需要考虑系统可能存在的各种像差和畸变，并进行一定程度的校正。例如，Messaoudi等人在成像系统中添加了4f系统，在频谱平面上进行空间频率调制以处理和校正畸变；赵立新等人通过使用较厚的负透镜来补偿近轴和远轴点的光程差，大幅减少系统的像差、场曲和畸变等。
移动控制台用于精确控制样品台的三维坐标位置，使光场能够在指定位置对光刻胶进行曝光。经过投影镜头后的光场聚焦区域较小，对于制备大尺寸结构，需要通过多子场的拼接来实现。根据DMD微镜的尺寸和投影成像系统的参数，可以计算出单个像素在像平面上的大小，并结合单张图像的像素数量来计算子场的面积。通过周期性平移拼接，可以实现大面积的二维结构加工、三维结构曝光等。结构拼接的精度受到移动台移动精度的限制，一般来说，移动台的移动范围越大，精度越低。因此，需要考虑曝光结构的尺寸和精度，并选择合适的位移台。
2.2应用成果
(DLP)3D打印具有高精度、高通量、廉价等优点，其关键部件为DMD，可实现三维复杂形貌的三维成形，是一种从微细观到细观的制备技术。3D打印技术在生物医学、组织工程以及微型电子学等领域具有广泛的应用前景，然而，因3D打印体系自身的光学性质，其投影到印刷面上的光线往往不均匀，极易导致成型等问题。其结果是，所得到的三维结构体具有很大的粗糙度，无法达到10nm以内的光学元件的粗糙度，难以顺利地打印出高质量的微型透镜等光学元件。为了解决这个问题，Yuan等在2019年，提出了一种利用振荡辅助DLP的3D打印技术，利用在投射透镜上施加机械振荡，对离散像素进行涂抹，消除离散像素造成的光强波动，消除由离散像素造成的光强波动，并利用相邻微镜间的小缝隙形成的暗网格，从而成功地制造出了表面粗糙度为1nm的微透镜阵列，在振荡投影下制作的微透镜结构见图2-3。
图2-3非振动投影下制作的微透镜阵列
该项目的研究将为实现高精度、高精度的高精度3D打印奠定基础，为实现高精度3D打印奠定基础。在2020年，Wang等[10]。提出了一种以投影为基础的连续3D打印方法，这种方法以灰度显示为基础，充分利用DMD的低光衰减和小像素尺寸等优点，实现了更高的打印分辨率。之后，Wang等提出了一种以投影为基础的连续3D打印方法。这种方法可以通过特定的算法生成灰度掩模样本，对光的分布进行优化，提高光的均匀性，从而缓解了光过固化/欠固化带来的缺陷，将打印面积从54%提高到89%。藉由调整一系列掩膜片之曝光时间，以及提升台面之运动，消除层层印制所造成之台阶效果。该项目提出的新技术可提高光场分布，提高打印精度，扩大打印面积，提高打印效率。
传统的冷冻干燥、溶液浇铸等工艺无法实现对多孔材料的孔径、几何结构及相互连接度的精确调控。采用数字显微镜（DMD）技术，非掩模光刻（DMD）可实现微纳米尺度、高精度、高选择性的生物组织工程支架，但目前仍难以实现大面积骨缺损的修复，同时，如何在保证细胞功能、活性及力学稳定性的基础上，实现生物组织工程支架的高效构建，成为当前研究热点。Tam等人于2017年提出了一种无掩模光刻方法，可在微米尺度上实现对基底微观结构及成分的精确调控，缩短了加工时间，提高了加工效率，同时不需要任何掩模及3D打印设备，降低了加工成本。2012年，Zhang等人提出了一种新的基于数字显微镜（DMD）的3D仿生加工技术，该技术可以应用于复杂的3D微纳加工。与传统的DMD技术相比，本项目提出的新技术对于体外3D结构的构建和体内3D结构的构建都有很大的应用价值。2020年，Zhang等以DLP为基础，利用3D打印技术，成功地构建出具有多级结构的Haverian骨仿生支架。该项目提出的新思路，可通过调节哈弗骨仿生结构参数，实现对支架力学性能、多孔性的精准调控，实现针对不同病人的优化设计，为其在临床上的应用奠定基础[11]。
图2-4 3D打印得到的哈弗斯骨-模拟支架
然而，目前该技术仍然存在一些问题：光刻分辨率到达了光学极限，需要另寻方法进一步提高分辨率；DMD的像素量化有误差，需要探索方法以减小DMD数字无掩模光刻图形的边缘锯齿。
第三章基于激光直写技术的无掩模光刻及应用
3.1飞秒激光直写技术
3.1.1飞秒激光直写技术原理
（1）双光子吸收。早在1931年，Goeppert-Mayer就已经提出了这个理论，但是受限于实验条件，一直到1860年代，才被凯泽和加雷特等人发现。通常来说，单光子吸收是一种普遍现象，当一个基态的原子与一个激发态能级与一个激发态能级之差的光子相遇时，原子将会吸收这个光子，并发生跃迁。如图3-1左侧区域所示，如果光子的能量小于原子激发态与原子基态能量的差值，则该光子不能被原子所吸收，原子也会保持稳定在基态而不会跃迁到激发态。而在双光子吸收中，如果光子的能量比原子的激发态能级和基态能级之间的差值小，那么，如果光子的密度较大，就有可能被吸收。这个原子很有可能在同一时间吸收了两个光子，使得这个原子由基态进入了的激发态，见图3-1右边的部分。虚线代表了原子在基态与激发态间的一个虚能量级，它使原子实现了双光子吸收，并对其进行了分析[12,13]。
图3-1单光子/双光子吸收原理示意图
双光子吸收有一定的概率，其概率公式如下：
双光子吸收的概率公式中，
表示双光子吸收概率，为该物质的双光子吸收系数，I为入射光光强，为普朗克常数，为光子的频率。双光子吸收几率与入射光强度的平方成比例关系，所以要求入射光强度越大，双光子吸收几率越大。但是，一般的激光器输出的光强度很难达到这个强度，所以很难实现双光子吸收。然而，飞秒激光器输出的激光脉宽可以达到飞秒量级，瞬间功率可以达到TW/cm2。因此使用飞秒激光实现双光子吸收变得更加容易。
图3-2所示为在利用飞秒激光器辐照的情况下，在发光物质中出现了一种单一与两种不同的吸收现象。在研究过程中，分别采用380纳米和760纳米两种飞秒激光器对其进行了聚焦，并在同一时间对其进行了辐照。从图表可以清楚地看到，在受激光辐射的所有范围中，都存在着380nm的光，说明在所有的光路中都存在着单光子吸收。可见，与单光子吸收不同，760nm波段的光束在光程中均有发光现象不同，双光子吸收是在光程中同时出现的。上述研究表明，只有利用飞秒激光对金属表面的双光子吸收效应，才能对金属表面进行更深层次的高精度3D制造[14,15]。
图3-2荧光材料中单光子吸收和双光子吸收对比实验效果
（2）光致聚合反应。在高峰值功率激光的照射下，光引发剂可被激发并转化为活性基团，这些基团与聚合物中的单体反应，引起单体结构之间的聚合。因此通过光引发剂的作用可以在激光焦点处诱导聚合物的光致聚合反应。由于聚合物的单体结构往往是稳定的，因此掺入光引发剂有助于提高材料对激光的响应度和聚合效率。
3.1.2飞秒激光直写系统
利用飞秒激光直接书写技术，通过改变试件的三维空间位置，从而完成对试件的三维空间定位。三维相对运动由两个部分组成：一个是聚焦于平面上的扫描，另一个是沿垂直轴线的运动。利用4f光学系统和2D光学系统，实现了对试样的垂直轴向运动。图3-3所示为飞秒激光直接写入系统的光路示意图。
图3-3飞秒激光直写系统光路图
从飞秒激光器发射出的激光，在通过一个衰减器的调整之后，就会被传送到处理系统中。在全光路中，按Shutter键作为一个开关，在光刻加工时，对光路的开启和关闭进行控制。Shutter开关有自动开关和自动开关两种功能，适用于各种工艺要求。
在4f体系中，为保证光束品质的一致性，对4f体系进行了扩展，使得4f体系中的光能分布更为均匀。扩展了的光线然后被引入由一个振荡镜，两个等焦距的凸形透镜，以及一个物镜构成的4f系统。该光学谐振镜包括两个彼此正交的镜子，并可调节该两个镜子的角，从而可调节该光学谐振镜的出射角。第一个到振镜的间距为其焦点，而第一个到第二个到其焦点的间距则为其焦点的2倍，而另一个到其目标物体的间距也为其焦距。4f体系的功能在于使由振镜发射的光线在物镜后面成同一角地进入，同时维持光线的平行。在两个凹形透镜中，整个光场都是垂直于光学轴线的，而某些特殊的光学纤维则会发生聚焦或发散的现象。由第二个凹形透镜所射出的射束，其方位角与由振反射镜所射出的射束相辅相成，因而各射束仍保持平行。利用这种方法，可以使两个平行光线以一定的角度进入目标物，并使其在目标物的焦面上聚集在目标物的各个部位。调整光学反射镜后，可以使聚焦光在焦面上发生位移。由于试件支架靠近物镜的焦面，所以利用压电式支架可以准确地调节试件的高度，进而改变试件与试件在z轴上的相对位置。利用4f体系在0-xy方向上的相对运动，将其与光束进行3维的相互运动。
在试样的上端，采用纤维作为光源，通过滤色器过滤出光源中的短波分量，以避免光阻剂发生聚合。对被加工对象进行物镜成像后，将一片反向800nm的介质镜置于物镜的下方。它可以反射800纳米的激光，也可以传输其它波长的光源。在此基础上，利用该反射器将激光反射入物镜，并将被处理对象所产生的图像投影入成象系统。
该发明涉及一种新型的光学成像技术。凸透镜把由物镜拍摄的图像投影到CCD光敏板上，再由电脑显示器显示出来。该光路类似于传统的光学显微镜，可对加工过程进行实时监测。另外，由于激光光路与监控光路的交叠，使得光路的调节变得较为复杂。这种旋转将会被转换成光束在焦面内的位置变化，然后由压电台来控制试样沿光轴的方向运动。利用微机编程技术，可使光栅与光栅之间的相对运动，并可使光栅与光栅之间产生三维空间的相对运动。
通过对试样进行逐点运动的方法，使被照射部位产生了双光子聚合，并产生了粘接结构。然后，将试样浸渍在有机溶剂中，而没有被激光照射到的部分，仍然是很容易被去除的小分子单体。只留下了被激光照射到的部位。因为激光焦点在物质中的运动具有随机性，因此留下的结构也具有随机性[16]。
3.2应用成果
由于飞秒激光具有高精度、高设计性、高精度等优点，可以用于任何需要处理的材料，因此，飞秒激光在微纳光学、微型激光、生物医学、人工智能、微纳电子器件、微流体装置领域有着广泛的应用。微光学元件的结构通常具有真3D特征，并且需要元件的表面平整无缺陷。例如，高等使用紫外线飞秒雷射制作的钻石光漩涡产生器，可以产生漩涡光束，见图3-4。Hua等使用飞秒激光直接写法制造出了硅基微尺度阵列透镜，并通过热退火使其表面粗糙度减小至3nm（见图3-5）
除了以上硬质材料外，飞秒激光加工技术同样可以应用在聚合物材料上。例如，Ma等人制备可调节的智能复眼，由于膨胀和收缩特性，通过更改PH值实现了视野从35度-80度的调节，如图3-6所示。在液态介质上，飞秒激光加工技术依然有所应用，如Dai等人研究的用Pd-WO3•XH2O纳米颗粒可控制备单微丝，通过氨传感器快速响应室内温度，且最终达到大幅提升响应速率的目的，如图3-7所示。
在真三维的微型谐振腔激光器领域中，飞秒激光依然被广泛的应用。例如，Zhan等人以掺杂激光染料罗丹明B的SU-8光刻胶为加工材料，利用飞秒激光直写技术，制备了具备出射端口的变形微型谐振腔，并且实现利用独有的出射端口控制激射光出射方向[17]，如图3-8。
Hou等人采用飞秒激光直写技术，制作出了高Q值的回旋振荡模，并对制作出的多个不同大小的回旋振荡模进行了对比，得出了如下的结论：随着回旋振荡模的减小，激光波会出现蓝移，并从多模逐渐变成单模如图3-9。Huang等人以PEG-DA水凝胶为基质，采用飞秒激光直写工艺，以罗丹明B为增益介质，在微腔中实现了微米量级的回音壁模态。在此基础上，利用水凝胶微谐振腔对水分的敏感特性，利用激光波长的改变，实现了对水分的敏感，如图3-10所示错误!未找到引用源。。
飞秒激光直写技术在生物医学工程方面应用同样十分广泛，如：Ma等人利用飞秒激光直写技术制备程序化人工肌肉骨骼系统；Wang等人制备了磁力驱动的微型三维涡轮，并在加工基底中掺入磁性纳米粒子，这一器件可应用在心脑血管疾病领域，利用其旋转特性有效清除血管中的血栓。同时在微米纳米级别电子器件、微流控器件等领域飞秒激光直写技术都有不错的建树。
第四章总结与展望
本文介绍了数字无掩模光刻技术、激光直写技术以及激光干涉光刻技术和电子束光刻技术的发展状况，并系统地探讨了数字无掩模光刻技术、激光直写技术的原理以及相关成果和在制造和加工领域的重要性和潜力。
总的来说，无掩模光刻技术作为一种先进的光刻技术，其重要的特点是相对于传统的光刻技术不需掩模版，所以成本较低。数字无掩模光刻技术的出现，通过数字化的图案信息控制光源和光学系统，实现了高速、灵活的图案转移。激光直写技术作为无掩模光刻技术的重要组成部分，能够实现微米甚至亚微米级别的高精度加工，为微纳加工和光子学器件制造提供了重要支持。而电子束光刻以其超高的精度独具一格。的而激光干涉无掩模光刻技术则具备更高的分辨率和更精细的图案转移能力。
然而，无掩模光刻技术仍面临一些挑战，如图案形变、图案传输效率和材料选择等方面的问题。解决这些挑战需要进一步深入的研究和合作，包括改进图案设计算法、优化光学系统以及开发新型材料等。只有不断创新和突破，无掩模光刻技术才能不断演进和适应不断变化的制造需求。
在未来的研究中，需要加强对数字无掩模光刻技术的优化和改进。这包括开发更高效、精确的图案设计算法，提高图案转移的速度和精度，以及进一步优化光学系统和光源的控制。此外，还需要深入研究激光直写技术的分辨率、加工速度和器件质量等方面的改进。电子束光刻亟需突破生产率低的瓶颈，以满足更高级别的微纳加工需求。
无掩模光刻技术在微纳加工和光子学器件制造领域仍有广阔的应用前景。数字无掩模光刻技术有望在工业界得到更广泛的应用，推动制造工艺的快速发展。随着数字化技术的不断进步，数字无掩模光刻技术将实现更高效、精准的图案转移，提高制造效率和精度。同时，激光直写技术通过改进激光系统和优化光学系统，将不断突破其分辨率和加工速度的限制，有望实现其更高级别的器件制造和功能集成，为微纳加工领域带来更多的创新和发展机会，
综上所述，无掩模光刻技术在数字无掩模光刻、激光直写、电子束光刻和激光干涉光刻方面的研究和应用具有重要意义。展望未来，随着技术的不断进步和创新，无掩模光刻技术将为微纳加工和光子学器件制造带来更广阔的发展空间，并在各个领域实现更多的应用。
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致谢
学的生活已经接近了尾声，在校这四年的学习和生活经历，学到了知识，开阔了视野。在应用物理学专业这四年的学习生涯里，衷心的感谢各位老师对我的谆谆教诲，使我学到了很多知识，也非常感谢各位同学们对我学习和生活中的帮助，在这四年的学习生活中，认识了很多优秀的老师和同学，这是我人生中一笔丰厚的财富。在论文的写作中，非常感谢老师对我的细心指导，不断的给我提出改进意见，在论文的选题、构思和资料等方面都给予我悉心的教导，使我的论文能够不断的完善。同时，在论文的写作中，也得到了很多同学的宝贵意见，在此深表谢意。最后感谢家人对我在学习上的支持，因为家人的支持使我能够有更大的学习动力。
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