打破平面限制：超长焦深光刻技术助力曲面微环芯片制造

研究团队提出了一种名为“像差会聚环形光刻（ACAL）”的方法，其示意图如图 1 所示。 高斯光束经过两个轴棱锥后被转换为平行环形光束。随后，环形光束入射到凸透镜组。第二个凸透镜中的像差对于减小环形光束在径向上的宽度至关重要。通过调整轴棱锥与凸透镜之间的间距，可以改变环形光斑的直径。研究团队构建了一个实验装置，并进行了相应的性能测试。

图1：ACAL 系统的光学设置

图2：a. 通过使用照相机捕获的调制环形图案及其变化。b. 800、400、100、50和24 µm 的环形图案。

图 2a 展示了 ACAL 光刻系统在像平面捕获的光斑，其中环形光斑的直径和结构均可调节，以满足不同的应用需求。图 2b 表明，通过切换凸透镜组，ACAL 系统可以修改环形直径的可调范围。与近期典型的环形光刻实验结果相比，最小环形结构宽度（特征尺寸）提高了10 倍以上，最小环形结构的平均线宽达到 1.79 微米。此外，环形直径的可调范围比例远超对比结果。

图3： ACAL 和 DLWL 系统聚焦深度的对比实验。

与传统的直接激光写入光刻（DLWL）不同，自适应连续调焦激光写入（ACAL）系统对离焦具有出色的鲁棒性。图3展示了等效焦深范围实验的实验过程和结果，证实了即使在离焦距离达到 DLWL 的约 10 倍时，ACAL 方法也能产生具有可比线宽和边缘质量的微环结构。 

图4：在弯曲基底上曝光环形图案。

ACAL方法在涂有光阻的曲面基板上也表现出优异的性能。使用图4a所示的基板进行验证，在曝光过程中仅对曲面基板进行横向移动，而不调整垂直 ACAL 光路。图 4b 中的曝光结果表明，尽管环 1 具有显著的基板倾斜角和较大的离焦量，但其轮廓仍然清晰可见。靠近曲面基板顶点的环 3（图 4c）表现出最佳的曝光质量，其线宽和边缘质量可与平面曝光结果相媲美。这些发现证实，由于 ACAL 方法具有扩展焦深的优势，离焦和位置误差对实际曝光结果的影响极小。

本研究提出了一种高度可行的光刻方法（ACAL）用于制造微环形结构，解决了曲面基板光刻中的关键挑战，如定位调整困难、空间冲突和制造效率低。该方法利用球面透镜的像差特性，实现了诸如扩展景深、长工作距离和单次曝光生成完整环等优势，有效克服了曲面基板光刻的障碍。该方法的简单性和高效性使其特别适合曲面超表面单元的光刻制造。此外，作为一种环束会聚技术，它可以与其他方法（如双光子聚合光刻、增材制造、激光钻孔和激光蚀刻）相结合。我们相信，这项创新技术在未来具有广阔的应用前景。

文章来源：期刊 《光：先进制造》

原标题：Ultra-long focal depth annular lithography for fabricating micro ring-shaped metasurface unit cells on highly curved substrates