基于热模光刻的灰度曝光优化

相变材料以其卓越的光热稳定性和可擦写特性，展现出了极大的应用潜力。在相变过程中，这些材料的光学参数会发生变化。通过调整激光功率，我们能够实现对相变材料晶化状态的精准控制。膜系设计软件Macleod仿真也验证了这一特性。但由于材料自身的限制，可以得到的参数变化数量十分有限，在曝光时不能完全保留图片的灰度信息。因此提出利用模拟灰度曝光，只用一个激光功率实现多个灰度级的图片曝光。在GS薄膜上曝光了十七级灰度图片，并对其进行显影以增加灰度对比度。最后曝光了“罗小黑战记”图片，实现了该图片的高保真曝光。

在我们的日常生活中，我们周围充满了各式各样的物品，它们展现着五彩斑斓的色彩和形态。我们常常采用图像这一形式捕捉并保留这些物品的信息。而图像的格式选择，实际上影响着我们所保留信息的完整性和精确度。灰度图片介于彩色和黑白之间，它只包含不同级别的灰色调。这种图片类型常用于表示图像的亮度信息，特别是在需要强调图像的明暗对比时。它虽然没有彩色图片那么鲜艳，也没有黑白图片那么简洁，但却能够以一种独特的方式展现出图像的细节和层次感。

在制造半导体芯片的过程中， 光刻是一项至关重要的步骤。

传统的掩模光刻使用掩模版来转移图形， 但这种方法制作过程复杂，成本高昂，并且难以精确对准进行多次操作。为了实现更灵活的光刻过程， 无掩膜光刻技术应运而生[1] [2]。其中，激光直写光刻技术在常规环境下能够快速加工大面积任意图形， 具有高分辨率和低制造成本的特点[3]。激光直写光刻技术主要利用激光束对薄膜材料进行热处理[4]来完成曝光，并通过后续的干法或湿法显影技术制备图案。

GeSb 作为一种二元相变合金材料，历来以其独特的性质在科研与应用领域受到广泛关注[5] [6]。其构成元素简单，使得其在制备和加工过程中具有更高的可控性和稳定性[7]。相变过程迅速[8]，同时相变温度的阈值适中， 这些特点使得它在高密度光信息存储以及相变存储器(PCRAM) [9] [10] [11]等领域有着深入的应用与研究。基于GeSb 的卓越相变特性，本文中我们决定选用它作为热模光刻的材料，并借助激光热模光刻技术，开展了对其图形化的深入研究。通过本研究的开展，我们期望能够进一步挖掘GeSb在热模光刻领域的应用潜力，为其在高密度光信息存储、相变存储器等领域的应用，提供更加坚实的理论支持和技术保障。

灰度光刻技术在制造三维(3D)微结构、微流体装置以及衍射和折射微透镜阵列有广泛应用。但这些技术和设备成本高昂，对光刻胶的灵敏度以及工艺的稳定性要求也非常苛刻。因此，创建低成本的灰度模式具有重要意义。2009 年Chuan Fei Guo 通过激光直接写入锡纳米膜，显示出取决于写入功率的连续色调灰度水平。产生灰阶的机制是由于金属和在激光诱导热过程中形成的氧化物共存[12]。2014 年，王睿等人在硫系相变薄膜Sb2Te3上利用激光脉冲诱导凹凸结构的形成，通过改变激光能量来精确控制凹凸的高度和大小。不同高度和大小的凸起具有不同的光学反射和透射光谱，从而导致不同的灰度[13]。2016 年，Wei 等人使用Ge2Sb2Te5 薄膜作为多层次灰度图像记录材料， 利用激光诱导的结构演化特性， 在Ge2Sb2Te5 薄膜上记录了高分辨率的灰度图像[14]。

这些都是基于不同剂量的激光作用在材料上时， 材料自身的变化性质。