172nm紫外光刻技术在微机电系统（MEMS）中的创新应用

微机电系统（MEMS）作为融合微电子与机械结构的前沿技术，在传感器、执行器、生物医疗等领域展现了广阔的应用前景。然而，随着器件复杂度的提升，传统紫外光刻技术在高深宽比结构、三维微纳加工等方面逐渐面临分辨率不足和工艺复杂度高的瓶颈。近年来，172nm紫外光刻技术凭借其高能量光子特性与工艺灵活性，成为推动MEMS制造革新的关键技术之一。

一、172nm紫外光刻的技术特性与MEMS需求适配性

172nm紫外光属于真空紫外（VUV）波段，其光子能量高达7.23 eV，远超传统i线（365nm）和KrF（248nm）光源。这一特性使其能够直接打断有机物的化学键（如C-C、C-H键），显著提升光刻胶的曝光效率，并支持无掩模直接写入和复杂三维结构的制备。例如，在MEMS制造中广泛使用的SU-8光刻胶，通过172nm光源曝光可实现深宽比达20:1的微结构，且侧壁垂直度误差小于0.5°。

此外，172nm光刻技术无需依赖传统光刻胶的化学反应机制，可直接对聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等聚合物进行图案化，为柔性MEMS器件的开发提供了新路径。

二、MEMS制造中的核心应用场景

1. 高深宽比微结构的精密加工

MEMS器件中的惯性开关、微流控芯片等常需高深宽比结构。传统光刻工艺在SU-8胶膜制备时易因侧蚀导致图形失真。通过优化172nm光源的曝光剂量和后烘时间，可显著抑制侧蚀现象。

2. 三维复杂结构的快速成型

172nm紫外光的高穿透能力支持厚层光敏树脂（如500μm）的单次曝光固化，较传统UV-LED效率提升4倍。该特性在MEMS封装中的底部填充胶固化和三维微弹簧阵列制造中具有显著优势10。

3. 低温工艺与柔性基底兼容性

柔性MEMS器件的制造需避免高温对基底（如PET、PI）的损伤。172nm光刻技术采用冷光源设计，工作温度可控制在40°C以下，避免热应力导致的基底翘曲。

三、工艺优势与技术创新

流程简化与成本降低

传统MEMS光刻需涂胶、显影、刻蚀等多步骤，而172nm技术可直接通过光化学反应实现材料去除或交联，省去显影环节。例如，在微流控芯片模具制造中，该技术将工艺周期从12小时缩短至4小时，良率提升至95%。

环境适应性提升

内置净化系统的172nm光刻设备可在普通实验室环境中运行，降低对超净室的依赖。广明源开发的模块化光源支持200mm晶圆的大面积拼接，拼接精度达100nm，适用于多品种小批量研发。

材料适配性扩展

针对新型光刻胶的研发（如武汉太紫微T150A胶），通过双非离子型光酸技术将分辨率提升至120nm，同时实现原材料国产化，助力MEMS产业链自主可控。

四、挑战与未来发展方向及多重挑战

光源寿命与功率限制：现有准分子灯寿命约2000小时，需通过阴极材料优化和气体配比控制延长至3000小时以上；

光学系统损耗：高能紫外光易被常规透镜吸收，需开发低损耗氟化钙（CaF₂）反射镜，目前国产化率不足20%；

工艺标准化不足：需建立MEMS专用光刻胶与设备的协同开发体系，如中科院与广明源合作制定的《172nm光刻胶-设备接口标准》。

未来，随着宽禁带半导体材料（如Ga2O3）与智能控制算法的融合，172nm技术有望在MEMS生物传感器、光机电集成器件等领域实现突破。预计到2028年，全球172nm MEMS光刻设备市场规模将突破15亿美元，推动微纳制造向更高精度、更低成本方向演进。

结语

172nm紫外光刻技术通过高能量光子与工艺创新，为MEMS制造提供了高分辨率、低损伤的解决方案。其在复杂三维结构、柔性器件等领域的应用，不仅突破了传统技术瓶颈，更推动了MEMS从实验室走向规模化生产。随着国产核心设备与材料的持续突破，这一技术将成为中国高端制造业实现“非对称超越”的重要引擎。