颠覆传统光刻！新型3D打印技术让半导体微纳制造从“数天”缩短至“几分钟”

研究人员开发出一种打印3D纳米结构的方法，该方法可应用于医疗、量子计算以及新型材料领域。

作为一项旨在提高生产速度、降低现代电子产品核心——半导体制造资本的研究项目的一部分，科克雷尔工程学院（Cockrell School of Engineering）的教职人员开发出了一款罕见的打印机。

目前，半导体制造的准入门槛极高，全球仅有少数几家公司能够实现商业化规模生产。极紫外（EUV）光刻技术利用机器，通过一系列复杂的反射镜、锡和掩膜版，将电路“打印”到硅衬底上，进而制成手机、笔记本电脑和其他设备中的电脑芯片。

一台EUV光刻机通常会让普通买家花费超过2亿美元，并且要占用一整间屋子的空间。德克萨斯大学的工程师及其合作伙伴通过将传统打印机拆解至仅剩最基础的组件，打造出了一款桌面级的EUV光刻设备。对于研究人员而言，该系统更加多功能、更具模块化，且成本更低。

不仅如此，他们还将这款新设备与一种名为“体积3D图案化”（volumetric 3D patterning）的打印技术相结合，从而攻克了现有工艺中的一个关键瓶颈。商业化的EUV光刻技术只能通过2D步骤、逐层打印3D纳米结构。

“实际的打印过程可能花不了多少时间，”最新发表在《纳米快报》（Nano Letters）上的论文主要作者之一张志豪表示，“但后续的处理过程可能会耗费数天。”

作为沃克机械工程系（Walker Department of Mechanical Engineering）的教授，张志豪与其他研究人员合作开发出了一种可以并行打印3D纳米结构的技术：即一次性打印多个“层”。曝光过程仅需几分钟，而不是几天。

这项研究源于美国国家科学基金会“半导体的未来”（NSF FuSe2）竞赛，该竞赛致力于降低这一关键科学领域的研究成本。

目前该工作仍在持续推进中。科克雷尔团队刚刚测试了一种由研究合作伙伴德克萨斯大学达拉斯分校（UT Dallas）和约翰斯·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）设计的EUV材料，后续还将有更多成果。在这台小型打印机的帮助下，研究进程有望大幅加快。

目前，该工艺只能图案化周期性结构，这在存储芯片以及光子学领域更具实用价值。其终极目标（尽管仍需数年时间来实现）是制造出速度更快、特征更复杂的打印机，以用于半导体内部更小的开关，从而赋予每颗芯片更强的算力。

“除了半导体制造之外，这种图案化3D纳米结构的能力还可以应用在纳米药物、量子计算或合成新型材料等医疗领域，”该研究的第一作者、该团队刚毕业的博士生索拉夫·莫汉蒂（Saurav Mohanty）说道。