无掩模光刻新突破：双金属架构电刻技术实现环保高效光掩模直写

为解决传统光掩模制备工艺复杂、成本高且不环保的问题，研究人员开展基于扫描探针电刻技术（ELG）的无掩模光刻研究，通过双金属（Cr/Al）堆叠结构实现线宽<10μm的可靠图案化，成功完成图案转移验证。该技术摒弃光刻胶层，大幅降低碳足迹，为微纳器件制造提供绿色新方案。

　　

在微纳器件制造领域，光刻技术始终扮演着核心角色，而光掩模作为光刻工艺的"底片"，其制备质量直接决定最终器件的精度。传统光掩模制备依赖紫外激光直写或电子束光刻技术，不仅需要复杂的光刻胶处理流程，还涉及高能耗设备和有机溶剂的使用，存在成本高、工艺繁琐、环境污染等问题。随着扫描探针光刻（Scanning Probe Lithography, SPL）技术的兴起，新型直写式光掩模制备方法逐渐成为研究热点。其中，电刻技术（Electrolithography, ELG）作为一种特殊的SPL技术，通过电化学氧化反应直接对铬（Cr）薄膜进行减法加工，无需光刻胶层，展现出绿色制造的潜力。然而，ELG技术在应用于标准光掩模制备时面临重大挑战：为保证紫外遮挡效果，光掩模通常需要80-100纳米厚铬层，但ELG的最佳加工厚度仅为10-30纳米，过厚的铬层会导致图案不连续和透明度不均。这一矛盾制约了ELG技术在光掩模制造领域的实际应用。

为解决这一技术瓶颈，印度科学教育与研究学院博帕尔分校电气工程与计算机科学系的S.N. Ghosh和S. Talukder研究团队在《Micro and Nanostructures》期刊上发表了一项创新研究。他们设计了一种双金属堆叠结构，将传统厚铬层分解为顶层薄铬（25纳米）和底层铝牺牲层（45纳米）的组合，既满足ELG加工要求，又通过铝层的高反射特性保障紫外遮挡性能。研究人员采用物理气相沉积（PVD）制备双金属薄膜，通过紫外-可见光谱分析证实该结构在405纳米波长处的透光率仅为1%，完全符合光掩模要求。在图案化过程中，使用2-10微米钨探针，在恒流模式下进行ELG直写，通过控制探针运动轨迹实现特征图案加工。后续采用去离子水去除氧化铬区域，再利用磷酸-硝酸-醋酸混合溶液选择性刻蚀暴露的铝层，最终获得完整的光掩模图案。

研究结果部分通过多组实验数据展现了该技术的可行性。在"图案化可靠性分析"中，研究团队发现传统100纳米厚铬膜上加工的线条存在严重不连续问题（图1），而双金属结构成功解决了这一难题。"双金属光掩模制备"章节详细阐述了Cr/Al堆叠的设计理念和加工流程（图2），通过光学显微镜图像展示了各工艺阶段的形态变化。"图案化性能验证"部分呈现了矩阵点阵、三角形点阵和同心圆阵列的加工效果（图3），特征尺寸控制在5-40微米范围，虽然存在一定尺寸波动，但证明了工艺的重复性。"图案转移实证"通过光学和扫描电镜图像对比（图4-5），证实了光掩模图案可成功转移到硅基金薄膜上，实现了微纳器件的实际加工应用。在"高精度线条加工"章节中，研究团队展示了最佳线宽可达1.8微米（图6），尽管图案转移后线宽略有增加至3.2微米，但仍满足桌面式紫外光刻系统的分辨率要求。

研究结论表明，电刻技术结合双金属架构的创新方案，成功突破了ELG技术在光掩模制备领域的应用限制。通过将传统厚铬层替换为Cr/Al双层结构，既满足了ELG对薄铬层的加工要求，又通过铝层的紫外遮挡特性保障了光掩模的功能性。该方法实现了线宽小于10微米的可靠图案化，最佳案例达到2微米以下，并成功完成图案转移验证。该技术摒弃了光刻胶使用，大幅减少了有机溶剂消耗和工艺步骤，显著降低了制备成本和环境足迹。这种无掩模、低碳高效的光掩模直写技术为微纳制造领域提供了新的解决方案，特别适用于研究机构和中小型企业的快速原型开发，对推动绿色微纳制造技术的发展具有重要意义。研究人员指出，未来通过引入自动化探针控制系统和优化工艺参数，有望进一步提升加工精度和一致性，拓展其在更精密器件制造中的应用潜力。