1965 年，Intel公司創(chuàng)始人之一Gordon Moore 在整理數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)了一個驚人的趨勢：芯片集成的晶體管的數(shù)量每年增加一倍。他把這一現(xiàn)象發(fā)表在題為“Gramming More Compnents Onto Integrated Circuits”的報告中，這就是著名的摩爾定律。后來根據(jù)集成電路的實際發(fā)展情況，在1975年IEEE電子組件大會上，Moore把“每年增加一倍”修改為“每兩年增加一倍”。在此基礎上，Intel 首席執(zhí)行官David House又將時間周期改為18個月?，F(xiàn)在一般把摩爾定律表述為“集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，大約每隔18 個月便增加一倍”。

雖然摩爾定律最初是對集成電路發(fā)展趨勢的歸納總結，但自其提出后，隨著其預言不斷的獲得驗證，它反過來開始牽引整個集成電路行業(yè)的發(fā)展，引導著半導體產(chǎn)業(yè)長期規(guī)劃和目標設定。

在信息技術飛速發(fā)展的今天，如果期望在固定空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，就需要各種功能的微型化和集成化器件。

隨著微納制造技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)了很多種微光學器件的制備方法，主要有紫外曝光技術、電子束曝光技術、納米壓印技術和聚焦離子束刻蝕技術等等。

這些微納制造技術在加工效率，加工精度，加工流程的復雜程度等方面存在比較大的差異。本部分將簡單介紹目前主流的微納加工技術的加工能力以及各自的特點。

（1）紫外曝光技術

紫外曝光技術通常被稱為光刻技術，是目前制造大規(guī)模集成電路和半導體器件的核心技術。其基本組成包括了光源系統(tǒng)，掩模板系統(tǒng)，樣品工作臺和控制系統(tǒng)等。

其中光源系統(tǒng)是紫外曝光設備中最重要的組成部分，決定了紫外曝光的精度。通過特定的紫外波段曝光、顯影和刻蝕等工藝流程，將掩模板上制定的集成電路圖案刻寫在硅基片上。

集成電路的結構通常是多層的，后續(xù)曝光的圖形需要和前面已經(jīng)刻蝕的圖形對齊，這要求非常高的套刻精度。紫外曝光技術具有大面積加工、易操作、重復性好等優(yōu)點，半導體工藝和科學研究中有著廣泛的應用。

然而紫外曝光技術難以制備任意復雜的三維微結構，需要多次曝光和刻蝕，并且掩模板制作過程繁瑣，導致加工周期變長，加工成本急劇上升。

（2）電子束曝光技術

電子束曝光技術是用電子束加工精細化結構的技術。電子束質(zhì)量大，波長很小，因此電子束曝光技術具有非常高的加工精度，加工分辨率通常為1nm到10 nm。

電子束曝光技術有著超高的精度并且無需掩模板，微光學器件加工中具有不可替代的作用。

但因其高昂的價格和較慢的加工速度，無法大規(guī)模制造微光學器件。此外，在曝光過程中存在電子散射，鄰近效應等復雜現(xiàn)象，這對設備前期調(diào)試和人員的操作培訓有相對高的要求。

（3）納米壓印技術

前面介紹的紫外曝光技術和電子束曝光技術能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的加工，在小批量的生產(chǎn)中和科學研究中被廣泛應用。然而由于其設備昂貴復雜，加工效率低，使其無法應用在大批量生產(chǎn)中。

而納米壓印技術的出現(xiàn)正是為解決大規(guī)模制造問題，并且憑借其高效率、低成本和大面積制備的優(yōu)勢彌補了曝光技術的缺點。

納米壓印技術的原理是將制備好的模板放置在聚合物材料上，然后通過紫外光或者熱固化等方式，形成和模板一樣的結構，加工精度可達5 nm，被廣泛應用于微光學器件，生物芯片，傳感器和超密度存儲等領域。

納米壓印的不足之處在于只能在大而平整的表面制造二維結構，無法制作復雜三維結構，并且只能加工熱塑料和光刻膠等有機聚合物材料，無法對硬質(zhì)材料進行加工。

（4）聚焦離子束刻蝕技術

聚焦離子束刻蝕技術是在裝有液態(tài)離子源的離子柱頂端加上一個強電場，導引出帶有正電荷的離子，通過離子柱中可控的偏轉(zhuǎn)裝置，將高能離子束聚焦到目標樣品的表面，通過精確控制離子束的掃描，能實現(xiàn)微納結構的高精度加工。聚焦離子束具有非常高的精確度和靈敏度，并且?guī)缀鯖]有鄰近效應，可以加工復雜的微納結構。

但是聚焦離子束刻蝕技術制備微結構的尺寸受到加工時間的限制，同時刻蝕深度和離子源的使用壽命，也是非常重要的影響因素。

（5）飛秒激光直寫技術

飛秒激光直寫光刻技術是一種利用曝光強度可控的激光束對抗蝕劑施加變劑量曝光，并在顯影后得到具有期望形貌微結構的 3D 光刻技術。該技術可以通過計算機對激光的曝光位置與曝光強度進行數(shù)字化控制，實現(xiàn)對光刻膠的變劑量曝光，因此具有很高的制造靈活性。下圖為傳統(tǒng)的激光直寫光刻設備的工作原理示意圖。

激光器出射激光，經(jīng)由光學系統(tǒng)對光束的光強和通光量進行調(diào)控。最后，物鏡將光斑匯聚到光刻膠上表面。計算機同時對激光器的出射激光功率以及二維移動平臺的運動進行控制，從而控制激光束的曝光能量和位置。最后，對經(jīng)過數(shù)字化曝光的光刻膠顯影，即可得到具有期望形貌的3D微結構。

由于微納器件功能越來越多樣化，結構越來越復雜，市場需求量大，迫切需要一種能同時滿足低成本、高效率，可以大規(guī)模生產(chǎn)的三維微納制造技術。

而由上面介紹的幾種常見的微納制造技術可知，納米壓印技術以其高效率、低成本的特點，可以用于大規(guī)模的生產(chǎn)中，但是只適用于二維微納結構的制備，對于制備三維微納結構無能為力。

紫外曝光技術、電子束曝光技術以及聚焦離子束刻蝕技術雖然可以通過多次曝光和刻蝕的方法制造三維微納結構，但是這會導致工藝復雜，耗費時間過長，導致成本過高。而飛秒激光直寫技術具有低成本，高精度，高效率的優(yōu)勢，并且可以輕松實現(xiàn)三維微納結構的制備，恰好同時滿足了目前微光學器件所需要的制備條件，這極大的促進了微光學器件的發(fā)展和應用場景。

參考文獻：

(1)黃軼 飛秒激光直寫微光學器件及其光學特性研究[D].

(2)欒世奕 基于3D光刻技術的多功能微透鏡陣列制造及研究[D].

(3)陳力 基于激光誘導法的玻璃通孔制備技術及無源器件集成研究[D].