低成本无掩膜光刻技术：基于LCD-3D打印机的微电子器件制造新策略

本文介绍了一种利用商用液晶显示器（LCD）掩膜立体光刻（MSLA）3D打印机实现低成本、灵活无掩膜光刻的创新方法。该方法无需传统光刻掩膜版，即可在光刻胶涂覆硅片上实现快速图案化，并能制造大面积晶圆级电极阵列，为微器件制造提供了高度可及的替代方案。该技术空间分辨率接近20微米，成功应用于二维（2D）材料晶体管金电极制作，并集成MoS2制备出性能媲美传统光刻的场效应晶体管与光电探测器。

　　

低成本无掩膜光刻技术：基于LCD-3D打印机的微电子器件制造

摘要

光刻是微加工领域的核心技术，但传统技术如紫外（UV）光刻和电子束光刻（EBL）依赖洁净室、掩膜对准器和昂贵设备，成本高昂。本文提出了一种利用商用液晶显示器（LCD）掩膜立体光刻（MSLA）3D打印机实现低成本、灵活无掩膜光刻的方法。该方法通过将数字掩膜文件上传至打印机，利用LCD面板作为可编程掩膜，选择性曝光光刻胶涂层硅片，无需光学修改或物理掩膜版。实验表明，该技术空间分辨率接近20微米，适用于大面积晶圆级电极阵列制作，并成功用于二维（2D）材料晶体管金电极的制备与MoS₂集成，器件性能与传统光刻相当。

1 引言

光刻技术是微电子、光电子和微流体器件制造的关键。然而，传统光刻技术成本高、设备复杂，限制了其在研究和教育领域的应用。无掩膜光刻技术应运而生，其中显微镜投影光刻（MPP）和数字微镜器件（DMD）投影光刻虽具高分辨率，但需要复杂的光学调试和校准。深紫外（DUV）微LED阵列和阴影掩膜光刻虽成本较低，但分别存在校准复杂或分辨率低（>50微米）的问题。本文提出的LCD-MSLA 3D打印机光刻技术，直接利用打印机内置LCD面板作为数字掩膜，实现了低成本（打印机价格低于200欧元）、易操作（无需改装）和灵活图案化的优势，填补了高分辨率与低成本之间的空白。

2 结果与讨论

2.1 基于LCD的无掩膜光刻电极制作

制作流程包括硅衬底（p⁺⁺-Si/SiO₂）准备、双层光刻胶（LOR-2A和AZ1505）旋涂、LCD紫外曝光（405纳米波长）、显影、金属（Ti/Au）蒸发和剥离。双层光刻胶设计确保了剥离过程的可靠性，通过形成可控的底切结构避免金属桥接。曝光时间优化为9秒，分辨率达20微米。整个过程在普通实验室环境下完成，仅需在光刻胶处理步骤使用红光照明。

2.2 图案化电极的显微镜分析

数字掩膜设计通过LCD像素（约18微米）实现图案投影。光学显微镜显示，显影后的光刻胶图案边缘清晰，金属电极宽度分别为29微米和22微米，与原设计一致。原子力显微镜（AFM）进一步证实了电极边缘的锐利度。曝光和显影时间优化实验表明，过度曝光或显影会导致图案失真或丢失。

2.3 MoS₂场效应晶体管的制作

通过干法确定性转移技术将双层MoS₂ flakes转移到电极上，制备背栅场效应晶体管（FET）。电学表征显示，器件场效应迁移率（μ_FE）达30 cm² V^?1 s^?1，开关比（ON/OFF）约5×10⁴，亚阈值摆幅（SS）为4.47 V/dec，与传统光刻制作的器件性能相当。光电测量在400-900纳米波长范围内观察到A和B激子峰，证实了MoS₂的光电特性。

2.4 电极原型的设计灵活性展示

该方法支持快速定制电极图案，如霍尔棒结构和微带电极，展示了其在各向异性材料测试和迭代原型设计中的灵活性。

2.5 大面积晶圆级电极阵列

利用6英寸LCD面板，成功在2英寸晶圆上制作了电极阵列。热图分析显示电极宽度分布集中在40-60微米，边缘不均匀性主要源于旋涂厚度变化和照明不均。在较小衬底（2×1.5厘米）上实验时，均匀性显著提高，证实了方法的可重复性。此外，技术在聚丙烯（PP）柔性衬底上也成功应用，拓展了其在柔性电子领域的潜力。

3 结论

LCD-MSLA无掩膜光刻技术以低成本实现了约20微米的分辨率和晶圆级制造能力，适用于二维材料集成、传感器和微电子器件制作。其数字掩膜的灵活性和设备的普及性使其成为资源有限环境的理想选择。未来通过改进衬底固定方式，有望实现多层对准光刻，进一步拓展应用范围。

4 实验部分

衬底为p⁺⁺-Si/SiO₂（290纳米氧化层），光刻胶为LOR-2A（150纳米）和AZ1505（600纳米）双层结构，使用Elegoo Mars 4 9K打印机（405纳米UV）曝光。金属电极为Ti（5纳米）/Au（45纳米），通过热蒸发沉积。MoS₂通过干法转移，器件在200°C真空退火3小时后进行电学测试。