在微纳制造与光学器件领域，灰度光刻（Grayscale Lithography, GSL）作为一种先进的图形化技术，正逐渐成为高精度、多功能微结构加工的核心手段。与传统的二元光刻只能制造“有/无”结构的限制不同，灰度光刻通过调控曝光剂量，实现光刻胶中连续或阶梯状的三维形貌，广泛应用于微光学元件、微流控芯片、MEMS和生物传感器等领域。

一、什么是灰度光刻？
灰度光刻是一种能够在单次曝光中形成具有不同深度或高度微结构的光刻技术。其核心在于通过控制不同区域的曝光强度，使得光刻胶在显影后保留不同厚度，从而形成复杂的三维形貌。

工作原理简述：
使用具有不同透光率的灰度掩模（masked GSL）或直接调控光源强度（maskless GSL）；
光通过掩模或调制系统后，在光刻胶层形成强度分布；显影后，曝光区域的光刻胶被部分或全部去除，形成三维结构。 传统光刻（左）仅能形成垂直侧壁结构，而灰度光刻（右）可制造具有平滑梯度或阶梯状的三维形态。

二、灰度光刻的主要实现方式
灰度光刻可分为掩模法与无掩模法两大类：
1. 掩模灰度光刻
使用具有灰度等级的物理掩模，通过控制不同区域的透光率实现曝光调制。该方法适用于批量生产，但掩模制作成本高、周期长，且设计一旦固定难以修改。

2. 无掩模灰度光刻
无掩模技术通过数字控制实现灰度曝光，具有极高的灵活性和快速原型制作能力。主要包括：灰度电子束光刻（GS-EBL）、直接写入激光灰度光刻（DWL-GSL）、基于数字微镜器件（DMD）的灰度光刻。
三、典型应用案例：
案例一：高精度微透镜阵列
微透镜阵列是成像系统、激光光束整形和集成光子器件的核心元件。传统方法制造此类元件通常需要复杂的多步工艺或昂贵的机械加工。

技术实现：研究人员利用DMD灰度光刻技术，将微透镜表面的三维轮廓信息转换为一系列灰度图像。这些图像被实时加载到DMD上，通过控制每个像素点的曝光剂量，在光刻胶层上一次性“打印”出整个微透镜阵列的连续三维形貌。

成果展示：如下图所示，该技术成功制造出了表面光滑的凹面球形微透镜阵列。值得一提的是，该光刻胶结构可作为母模，通过倒模工艺轻松地复制到聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性材料上，从而得到凸面的微透镜阵列。这种快速的“设计-制造-复制”流程，极大地降低了微光学元件的开发周期和成本。 (a)光刻胶中凹面球形微透镜阵列的光学显微镜图像。(b)光刻胶中凹面球形微透镜阵列的SEM图像。(c)聚二甲基硅氧烷中凸面球形微透镜阵列的SEM图像。(d)凸面球形微透镜阵列的测量轮廓与设计轮廓的对比

应用价值：该方法非常适用于定制化光学元件的小批量生产，如VR/AR设备中的匀光片、手机摄像头中的微透镜阵列等。

参考文献：《Fabrication of Micro-Optics Elements with Arbitrary Surface Profiles Based on One-Step Maskless Grayscale Lithography》
 
案例二：自动优化灰度光刻工艺制造3D微结构
三维微结构在MEMS、微光学和微流控等领域具有重要应用。传统的灰度光刻工艺设计依赖试错法，过程繁琐且精度有限。

技术实现：本研究开发了一套全自动工艺优化工具，通过计算模拟、灵敏度分析和优化算法，自动确定实现目标3D形貌所需的两个关键工艺参数——曝光剂量分布和最佳显影时间。该方法基于正性厚膜光刻胶的溶解速率模型，采用快速行进法模拟显影过程，并通过伴随法高效计算灵敏度，从而自动补偿由横向溶解导致的侧壁倾斜等非线性效应。

成果展示：如下图所示，该系统成功设计并制造了球形微透镜和三角锥体两种3D结构。与传统查表法相比，优化后的工艺参数使结构高度误差降低了约50%，在微透镜中心关键区域平均误差仅为0.4 µm，并实现了更尖锐的尖端和更平整的斜面。

 
（a）球形微透镜的优化后的曝光剂量分布；（b）制备出的微透镜SEM图像；（c）沿（a）中蓝线的截面轮廓对比（蓝色为优化结果，红色为目标轮廓）；（d）优化法（蓝）与传统法（绿）的轮廓误差对比。
 
（a）三角锥体的优化后的曝光剂量分布；（b）制备出的三角锥体SEM图像（含顶部特写）；（c）截面轮廓对比；（d）优化法与传统法的误差对比。

应用价值：该自动优化方法极大简化了3D微结构的工艺开发流程，特别适用于定制化微透镜、微棱镜、微针阵列等复杂三维器件的快速、高精度原型制造，在集成光子学、生物MEMS和微传感器领域具有广泛应用前景。
参考文献：《AUTOMATIC PROCESS DESIGN FOR 3D THICK-FILM GRAYSCALE PHOTOLITHOGRAPHY》
 
案例三：专用灰度光刻胶实现高精度2.5D微结构制造与复制
2.5D及自由曲面微结构在微光学、MEMS和微流控等领域需求日益增长。传统的二元光刻结合热回流工艺难以实现高密度、多高度或复杂曲面结构。

技术实现：本研究采用专为灰度光刻设计的正性光刻胶系列 ma-P 1200G。该系列基于DNQ/酚醛树脂体系，通过精确调控光活性化合物（PAC）的分子结构和树脂基质组成，实现了线性的剂量-膜厚响应曲线、较低的对比度、高效的光漂白特性以及减少的曝光产气问题。其覆盖从500 nm超薄膜到80 μm超厚膜的宽膜厚范围，并支持激光直写和灰度掩模两种曝光方式。

成果展示：如下图所示，利用ma-P 1200G光刻胶，成功制造了从纳米级台阶到80 μm深的三维金字塔、凹面微透镜阵列等多种2.5D结构。并通过UV模塑技术，将光刻胶母模上的结构精确复制到混合聚合物（OrmoComp®）中，得到可用于永久性应用的聚合物微光学器件。

 
ma-P 1200G系列灰度光刻示例。（a）在58 μm厚胶上激光直写制备的金字塔孔洞的共聚焦显微镜图像与轮廓扫描；（b）通过灰度掩模在57 μm厚胶上曝光获得的斜面结构与凹面微透镜阵列；（c）在130 μm厚胶上激光直写制备的直径800 μm、高80 μm的微透镜；（d）100 μm厚胶的二元光刻结构，深宽比达3:1

应用价值：该ma-P 1200G光刻胶系列及其配套工艺为制造高精度、高深宽比的连续三维微结构提供了可靠的材料基础，非常适用于定制化微透镜、衍射光学元件、微流道、生物芯片等产品的快速原型开发与小批量复制生产，极大地推动了高端MEMS/MOEMS和微光学元件的技术进步与成本控制。

参考文献：《Advancing greyscale lithography and pattern transfer of 2.5D structures using ma-P 1200G resist series》
 
无掩模版紫外光刻机 托托科技研发的无掩模版紫外光刻机基于空间光调制技术，实现了数字掩模光刻。设备加工精度最高可达300nm，加工速度可达1200mm²/min，灰度光刻可达4096阶，能够快速精准地在光刻材料上构建复杂且多层次变化的微观结构和图案。

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灰度光刻技术，特别是基于DMD的无掩模灰度光刻，正在成为微纳制造领域的关键工具。它不仅突破了传统光刻的二维限制，实现了真正的三维结构加工，还以其高灵活性、低成本和小批量快速生产能力，在科研、医疗、光学和电子等领域展现出广阔前景。

随着DMD器件性能的提升和工艺算法的优化，灰度光刻将在下一代微光学、穿戴设备、生物芯片和集成光子电路中发挥更加重要的作用。