通过无机分子光刻介质实现对敏感电子材料的通用全干微加工方法

改进我们制造微小电子器件的方式

当今的智能手机、传感器和柔性屏幕都依赖于刻画在原子级厚度材料上的复杂图案。然而，用于雕刻这些图案的液体和化学品会悄然破坏它们要加工的材料，尤其是最脆弱的新型半导体。此研究提出了一种干式、无溶剂的图案化方法，使用一层薄薄的硒薄膜，为未来电子器件提供了更清洁的路径。

为何脆弱材料需要更温和的工具

现代芯片制造依赖光刻技术，光或电子束在特殊的“光刻胶”层上绘制图案，随后通过显影剂、去除剂和清洗剂清洗。这些步骤涉及水、强碱和有机溶剂。对于下一代材料如钙钛矿、卤化物以及原子层厚的黑磷或二硫化钼等，这种化学浴非常苛刻。液体会与它们发生反应、使表面变粗糙、留下残留物，甚至改变其成分，从而削弱电学性能。石墨烯等保护涂层能提供帮助，但它们增加了工艺复杂性，并不容易平滑地融入标准工厂流程。

一种自我成型的干式保护膜

研究人员转而使用元素硒，这是一种可以通过温和蒸镀方式在晶圆上形成平滑均匀薄膜的无机材料。以这种形式存在时，硒由小的分子环与链通过弱相互作用组成。当激光束在表面扫描时，局部加热会断裂这些弱键，受光照区域的硒直接升华为气体消失。这在硒层中直接形成干净、清晰的沟槽和形状，无需任何液相显影步骤。通过调节激光的波长、功率和扫描速度，团队实现了微米尺度的线条和复杂曲线，暴露出的区域几乎原子平整，并且在基底上检测不到可见的硒残留。

剥离代替溶洗

为了将这些硒图案转化为功能器件，团队在有图案的硒层和暴露的开口上沉积金属或敏感半导体。传统上，随后会用溶剂溶解光刻胶，去除不需要的区域。在这里，作者利用了一个简单的机械技巧：他们将一层柔软的硅胶（PDMS）压在表面上然后剥离。由于硒与晶圆之间的粘结有意设计得比器件材料与晶圆之间的粘结弱，PDMS 会带走硒及其上面的材料，而所需的图案则稳固地留在基底上。测量表明，被剥离后的表面和未触及的晶圆一样光滑且干净，并且可以制备出大面积、尺寸均匀且边缘清晰的卤化物晶体阵列，且整个过程中没有接触一滴显影剂或去除剂。

保持脆弱晶体和二维薄片的完整

真正的考验是这些敏感电子材料能否在这一新工艺下幸存下来。团队将基于硒的图案化方法与常规聚合物光刻胶对几种脆弱化合物进行了比较，包括铅卤化物、层状钙钛矿、硫磷酸锂、磷化镁硫化物以及黑磷。采用干式硒方法时，这些材料的形状和表面基本保持不变，其特征的光致发光和振动光谱信号保持稳定——表明其晶体结构完好。而在传统光刻下，表面变得更粗糙，光学信号减弱或发生位移，显示了溶剂引起的化学损伤和缺陷。

更好的晶体管，隐性损伤更少

最后，作者构建了实际电子器件以检验这些隐性损伤在实际中的影响。利用硒作为临时屏蔽层，他们在硅片上制造了由黑磷和单层二硫化钼制成的场效应晶体管。器件表现出干净、近乎理想的电学特性，具有非常高的开关电流比，并在大面积阵列中性能一致。当用常规有机光刻胶制造类似器件时，晶体管特性明显较差且均匀性较低。性能的提升表明，载流子在原子薄通道中可以更自由地移动，因为它们未被化学处理所留下的划伤或污染破坏。

通向未来微芯片的更清洁道路

通俗地说，这项工作用一种由简单硒分子构成的干式、可剥离模板取代了混乱的湿法刻蚀工具包。通过用光绘制图案，然后机械剥离保护层而不是用液体洗掉，该方法在保持与现有芯片制造线兼容的同时，保护了脆弱材料免受有害液体的侵害。随着电子器件越来越依赖超薄且化学敏感的材料，这种全干、硒介导的方法有助于工业制造更快、更可靠、能效更高的器件，而不必牺牲使这些器件独特的脆弱结构。

引用: Zeng, C., Xu, Y., Wei, X. et al. A universal all-dry microfabrication method for sensitive electronic materials via an inorganic molecular lithographic mediator. Nat Commun 17, 2098 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68593-z

关键词: 干法光刻, 硒介质, 敏感半导体, 二维材料, 微加工