从掩模版到量子点：新型激光直写在半导体与微纳加工中的十个真实应用场景

激光直写（LDW）常被贴上"只能做光刻胶曝光"的标签。但基于激光与物质非线性相互作用的新型纳秒激光直写系统出现后，情况发生了变化：受体材料不再局限于有机光刻胶，加工分辨率突破了衍射极限，应用边界也随之大幅扩展。

以下内容整理自《中国激光》等期刊公开发表的综述与研究论文，所有案例均基于华维纳 HWN-LDW 系列设备（P1500、P100、L4 等型号）完成，并注明了完成单位与数据来源。如果您所在的团队正在开展相关方向的工作，这些真实案例或许能帮助您判断这类设备能为您手头和未来的工作带来什么。

十个场景背后的国产装备支撑

需要特别说明的是：本文列举的十个应用场景，全部可以由国产设备完成。华维纳新型激光直写系统是在国家仪器与设备重大研发项目支持下实现商业化的本土成果，拥有自主核心知识产权，建立了我国激光直写领域的工业标准体系。

过去，国内团队做超衍射尺度的加工，往往要排队借用进口电子束设备或远赴公共平台；如今，从灰度掩模、微透镜阵列到 5 nm 级纳米电极，这些工作都可以在一台国产激光直写设备上完成。在国家号召优先采购国产科学仪器的背景下，这种设备的意义不止于"能用"——它证明了国产仪器在刻写分辨率这样的硬核指标上可以站到国际前沿水平，是名副其实的国产激光直写刻写分辨率之光。

场景一：灰度掩模制造——绕开电子束与zhuan利材料的新路线

行业痛点：灰度掩模是微光学器件制造的环节，传统方案依赖zhuan利技术材料高能束玻璃（HEBS）配合电子束刻写。电子束设备昂贵、需要真空环境，HEBS 材料成分复杂且受zhuan利限制，导致灰度掩模制造成本居高不下。

直写方案：南方科技大学研究团队利用新型 LDW 系统开发了金属-透明金属氧化物（MTMO）灰度掩模路线——用激光照射 Sn、In、Sb 等金属薄膜，使其发生可控热氧化。金属不透明而其氧化物透明，氧化程度由激光能量精确控制，从而实现任意灰度分布的掩模版制造。该方法已获得美国、日本和中国的发明zhuan利，具有高性价比、材料易获取、可在空气环境中加工，掩模版表面覆盖二氧化硅保护层后可长期稳定使用等优点。

实际效果：利用该灰度掩模可转移加工出三维台阶、斜坡、立体光栅及均一微透镜阵列，并已在玻璃上制造出可清晰成像的微光学元件。

图 1 由灰度光栅掩模转移到光刻胶上的均匀立体化图案（灰度掩模加工应用实例）

场景二：微透镜阵列与微光学元件

微透镜阵列是光通信、成像传感、激光匀化等领域的常用元件。早在 1983 年，Gale 等人就用激光直写加工出微透镜阵列，这一方向至今仍是 LDW 的经典应用。新型 LDW 系统可直接读取 TIFF/BMP 等格式的设计图形，通过灰度刻写控制光刻胶或掩模的曝光剂量分布，制备出口径、曲率可设计的微透镜阵列、菲涅尔透镜等浮雕型光学元件。配合不同数值孔径的物镜，既可用大数值孔径物镜追求精细面形，也可用小数值孔径物镜实现大面积快速加工。

图 2 微透镜阵列灰度掩模、所制备的均一微透镜阵列及其焦点成像效果

场景三：纳米浮雕结构——把一张图片"写"进金属薄膜

利用新型 LDW 对金属薄膜的可控氧化作用，可以把任意图片直接转化为纳米浮雕结构：氧化程度不同带来光学透过率与厚度的差异，从而形成灰度图像。公开报道的案例包括二值的中国科学院院标、8 个灰度等级的 2008 年北京ao运会标志，以及一幅细节丰富的超分辨狼头图像——胡须、眼睛、体毛均清晰可辨。这类能力可用于防伪标识、灰度光刻母版、表面功能结构等方向。

场景四：半导体表面纳米结构——在 GaAs 上直接刻出 32 nm 光栅

行业痛点：半导体材料表面的微纳米结构通常由电子束刻写完成，设备昂贵、需真空环境、效率低。

直写方案：苏州大学研究团队采用新型激光直写在 GaAs 半导体表面直接制备出纳米光栅结构，狭缝半峰全宽达 32 nm，约为该光学系统衍射极限的 1/7，成果发表于半导体加工领域期刊。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所也在 Ⅲ-Ⅴ 族半导体上制作了多种超分辨纳米结构。对于化合物半导体器件研发而言，这意味着在空气环境中即可快速完成纳米结构验证，并大幅降低了实验成本。

图 3 激光直写制备的灰度刻写示例：(a) 层次分明的灰阶条；(b) 连续可调灰阶；(c) 透镜阵列灰度掩模；(d)(e) 高分辨浮雕透射像与反射像

图 4 激光直写加工的环状立体光栅结构（SEM 图）

场景五：纳米间隙电极阵列——次 5 nm 间隙，每小时可制作约 10 万个

纳米间隙电极是纳米电子学、分子电子学、生物传感等领域的关键结构。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所利用 HWN-LDW-P1500，在 GaAs 衬底上以 GSBT 为光刻胶，通过 n+1 工艺制备出间隙达次 5 nm 的金电极阵列——约为光学衍射极限的 1/40，成果发表于 Nano Letters。值得关注的是，这类纳米电极的加工效率可达每小时约 10 万个，展现出从实验室走向批量制造的可行性。

图 5 大面积5纳米间隙金电极阵列

场景六：微流控芯片——三层膜中一步"写"出 170 nm 通道

行业痛点：微流控器件通常先加工沟道、再封盖板材形成封闭流道，工艺流程长，易于污染。

直写方案：国家纳米科学中心研究团队发展出一种一步成型方法：在 ZnS-SiO₂/Sn/ZnS-SiO₂ 三层膜结构中，用激光直接作用于中间 Sn 金属层，一步形成各种封闭流道。所得拱形纳米通道宽度约 170 nm、高度约 50 nm，远小于光学系统的衍射极限。该方法简单、可设计，为微纳流体通道加工，特别是多层通道的制备提供了更简便的途径。

图 6 一步法制备纳流控隧道

场景七：二维材料的应变调控与激光掺杂

二维材料（石墨烯、MoS₂、MoTe₂ 等）在转移过程中不可避免产生随机褶皱，而褶皱（应变）会改变材料带隙、影响光电性能。北京化工大学研究团队利用新型激光直写，把"不可避免"变为"可设计"——在少层 MoS₂、单层石墨烯上制备有序图案化应变结构，实现二维材料光电特性的主动调控。江苏大学研究团队进一步提出精细激光掺杂策略，对多层 MoTe₂ 进行梯度掺杂与图案化掺杂，实现了半导体类型（极性）的转变，为二维材料的带隙工程提供了新工具。

图 7 可控2D材料的可设计图形化应变调控。左图，少层MoS2； 右图，单层石墨烯）

场景八：SERS 传感芯片——激光"驯化"金属晶粒

有趣发现：激光作用于纳米厚度金属薄膜时，通常会出现晶粒粗化；但青岛科技大学研究团队使用新型激光直写扫描 Ag（Au，Cu） 薄膜后，观察到反常细化效应——大晶粒在纳米尺度激光作用下熔化并破碎成均匀紧密排列的约 10 nm 超小晶粒，形成类似"表面超晶格"的单层单晶颗粒分布。纳米光斑产生的大热梯度有效抑制了颗粒熟化，这一现象被称为自局域骤冷效应。

应用价值：这种高均匀性颗粒表面可用作表面增强拉曼（SERS）芯片，拉曼检测信号空间均匀性优异，检测能力可达单分子水平，在生化传感、痕量检测方向具有应用潜力，同时也为20纳米以下的金属颗粒的制备提供了新的途径。

图 8 激光直写加工的可控尺度均匀分布纳米金属颗粒薄膜

场景九：纳米孔与可设计纳米带阵列

l  TiO₂ 纳米带阵列：通过激光诱导热氧化在 Ti 薄膜中加工可设计图案，再经稀氢fu酸选择性刻蚀，可在 TiO₂ 与玻璃基底界面形成自支撑纳米带。纳米带宽度可在 150 nm 至微米范围调控，长度和纵横比均可控，克服了纳米带易卷曲的难题，可用于微纳米尺度光电器件及阵列以及MEMS的制造。

图 9 激光直写加工的多种纳米带结构（SEM 图组）

l  纳米孔阵列：中国航天科工第三研究院研究团队使用 HWN-LDW-P100（532 nm 波长，数值孔径 0.9）在 40 nm 厚 Ti 薄膜上制备纳米孔洞阵列，孔洞直径随激光功率线性可调，可达 50 nm 量级；国家纳米科学中心研究人员进一步在岛状铟薄膜上加工出直径约 3 nm 的超精细纳米孔，且整个过程在空气环境中完成。

图 10 Ti 金属薄膜上的纳米孔洞刻写结果（SEM 图，孔径约 100 nm 标尺）

场景十：前沿新方向——量子点、结构色、碳纳米管、褶皱工程

新型 LDW 的应用边界仍在不断拓展：

l  钙钛矿量子点图案化：利用 HWN-LDW-L4 原位直写加工出 γ 相 CsPbI₃ 量子点图案，光致发光强，量子产率达 92%，可用于 LED 显示、防伪、纳米激光器等光子学方向；

l  纳米腔结构色：在三层膜结构中加工出高 70 nm、宽 200 nm 的高分辨纳米腔，产生稳定的结构色，具有抗污染、抗氧化、易清洁特点；

l  碳纳米管桥：用激光扫描沟槽上的碳纳米管薄膜，可制备方向可控、易于图案化的悬浮碳纳米管桥（约 50 nm），在全碳器件、微纳机电系统、高灵敏传感器中具有潜力；

l  褶皱工程与"万花筒掩模版"：国家纳米科学中心提出路径诱导褶皱方法，在 Au/PS 双层膜中实现可设计的表面应变结构；南京航空航天大学进一步制备出同轴嵌套的凹凸复合微透镜阵列，将其用作掩模版时，在不同投影距离可形成 300 多种不同图案，为降低掩模版制作成本提供了新思路，相关成果发表于 Nature Communications。

l  表面微纳电路直写：可一步直写出微纳电路等功能图形，如下图所示。

图 11 激光直写加工的微纳电路图形（SEM 图）

场景与设备选型对照

注：以上为公开发表案例中所用的设备型号，具体选型需结合加工尺寸、材料体系与产能需求确定，欢迎咨询获取选型建议。

写在最后

以上十个场景的共同特点是：加工对象各不相同，但都不需要掩模版，都在空气环境中完成，都在同一类设备上实现。对于科研机构和工艺开发团队而言，一台具备超衍射与多受体能力的激光直写系统，相当于把"掩模厂 + 电子束机时 + 多台专用设备"的部分功能整合进了一台桌面级装备中。

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苏州华维纳纳米科技有限公司

声明：本文案例与数据整理自《中国激光》《光学学报》及 Nano Letters、Nature Communications、Nanoscale 等期刊公开发表的论文，仅用于技术交流与产品应用说明；涉及第三方研究机构的研究成果，其权利归原作者所有。设备技术参数因配置不同可能存在差异，最终以正式技术协议为准。如有转稿，请提前沟通。