长光辰芯光图像传感器芯片（灰度光刻制造3D微纳光学器件）

随着光学研究发展向更小尺度的微纳光学，微纳光学器件在我们日常的电子消费品、防伪、安防以及照明灯产品中的应用日益普遍，微纳光学结构的设计和加工以及批量生产进入了一个空前繁荣期。本文我们将介绍3D微纳图形制作过程中一个重要手段-利用灰度光刻。

灰度光刻相对于我们常见的接触式光刻其不同点就是利用掩膜板或者直写手段在同一片光刻胶膜上不同位置获得不同的曝光剂量，通过不同曝光剂量曝光后的光刻胶，在显影液中完全或者部分显影而获得的光刻胶结构会呈现出3D轮廓结构，我们就叫这种曝光方式为灰度光刻，其掩膜板叫灰度掩膜板。但是需要注意，这里获得的3D轮廓并不是任意3D轮廓，比如说套球等结构就无法通过这种灰度光刻的方式实现。所以我们可以看成是一种表面3D结构图案，如微透镜阵列、DOE、闪耀光栅、菲涅尔透镜、V形光栅、扩散结构等，如下图1所示几种常见表面3D结构。

图1 几种常见表面3D微结构

我们在前面的文章“回流工艺做微透镜阵列结构”中我们介绍过利用热回流的方法可以获得微透镜阵列结构，但是基于热回流的微透镜结构由于利用的是弹性体的表面张力获得的，所以无法获得非球面透镜，而本文介绍的利用灰度光刻获得的微透镜阵列结构可以根据设计获得非球面透镜或者菲涅尔透镜阵列结构，下图2是常见的利用灰度光刻制作微透镜阵列结构以及模板复制的一般过程。

图2 利用灰度光刻制作微透镜光刻胶模板以及复制工作模板的过程（来源Miroresist）

如上所述，灰度光刻可以使用灰度掩膜板与接触式光刻机、激光直写或者电子束直写等方式实现，但是这些都是基于紫外光刻胶或者电子束光刻胶实现的，光刻胶的灵敏度以及对工艺的稳定性要求非常苛刻，所以我们通常的做法是获得很好的光刻胶模板后使用纳米压印或者倒模等方式复制出模板，提高生产效率。

除此之外，市场上还有激光直写玻璃的产品，可以通过激光直写获得灰度掩膜板，也可以直写玻璃，然后配合湿法腐蚀的方法获得玻璃的3D结构。这种方案优点是可直接获得玻璃的微结构。

图3 一种常见的DOE结构

最后，上面的介绍我们不难发现，现在微纳光学结构大多数是基于光刻胶或者压印胶等树脂结构，在一些光强不是很强的应用领域中，材料可能不是问题，但是在一些电子产品应用中，长时间的温度和光照条件下，甚至在一些高功率光照下，材料对器件来说将会成为最大的挑战，当然我可以使用刻蚀等手段将聚合物的结构转移至透明的硬材料（如石英、蓝宝石等）上，但是刻蚀转移也是微纳光学中另一个亟待解决的挑战之一。