传统光刻工艺链与金刚石类超宽禁带半导体的冲突：无掩模激光直写的对比分析与可解决的问题

引言：以硅的工艺框架对照第四代半导体

现代半导体制造的光刻体系是围绕硅建立的：硅单晶坚硬、化学稳定、耐高温，一条包含涂胶、烘焙、显影、去胶与刻蚀的工艺链可以稳定运行数十年。Quirk 与 Serda 所著《半导体制造技术》（中译本，全书 600 页）是这套体系的经典教材，其第 13 至 16 章给出了光刻与刻蚀的完整框架[1]。

但当对象换成以金刚石、氧化镓、氮化铝为代表的第四代（超宽禁带）半导体时，这条工艺链的多个隐含前提开始失效。本文以该框架为参照系，逐环节分析冲突所在，并说明无掩模激光直写（Laser Direct Writing, LDW）能够解决的具体问题。

需要说明的是本文定位：激光直写并非要替代量产线上的投影式光刻，而是为研究与开发阶段提供互补路径——"混合和匹配"（mix-and-match）本就是光刻中的常规策略[1，第 14 章 14.4 节]，在同流程中组合不同图形化工具是业界常态。

适用域说明：本文讨论的是研发与器件级的图形化环节——刻蚀掩模制备、终端结构形貌定义、电极与光子结构图形；材料的烧蚀去除、石墨化改性与抛光修整属于高功率激光加工范畴，由专用激光加工设备完成，两者在工艺链上前后衔接、互不替代。

一、传统光刻的工艺链条

《半导体制造技术》第 13 章 13.3 节给出"光刻工艺的 8 个基本步骤"[1]，可与第 13–15 章目录条目逐条对应，其后接入第 16 章刻蚀与 16.8 节去胶：

二、前提失效分析

2.1 掩模版经济性失效：小尺寸与非标衬底

第 4 步依赖掩模版，图形一旦制版即被固定。而第四代半导体衬底的尺寸目前仍然有限：氮化铝单晶的商用尺寸主要停留在 2 英寸水平，且将自支撑 AlN 单晶从大型异质衬底中精确分离仍具挑战[2]；金刚石衬底的尺寸与形状也常随生长工艺而异。为小尺寸、非标准形状的样品定制掩模版，成本效益不理想，且会拖慢多组参数的对照实验。

2.2 二值图形失效：终端结构需要连续三维形貌

常规光刻本质是二值的：图形有无由掩模版决定，转移到光刻胶上得到垂直侧壁的二维轮廓。教材第 16 章 16.2 节讨论的刻蚀参数（选择比、速率、均匀性与剖面控制）[1]，也主要围绕二维图形转移展开。

但部分器件结构恰恰需要连续变化的三维形貌。典型例子是金刚石肖特基势垒二极管（SBD）的边缘终端：通过刻蚀形成 MESA 并做成斜面或曲面形状可改善电场分布，正斜角终端的表面空间电荷区较宽，采用 30°–80° 正斜角可使击穿电压接近体材料水平[3]。文献报道采用斜角 MESA 后击穿电压由 188 V 提升至 229 V，进一步沉积 HfO₂ 场板后由 291 V 提升至 380 V，表面二极管内部击穿电场达到 8.9 MV/cm[3]。已报道的实现方式是光刻胶热回流形成半球形掩模再干法刻蚀[3]——形貌由回流条件决定，可控性与复现性受限。

2.3 刻蚀前提失效：硬度与惰性使刻蚀低效

一项在法国 Institut Néel（CNRS）完成的专题研究指出，金刚石很强的碳—碳键虽赋予其优异性质，却使刻蚀工艺低效或难以适配；传统刻蚀受限于表面与亚表面损伤而降低器件性能，低效导致深刻蚀无法实现，刻蚀产生的缺陷与粗糙侧壁构成垂直结构器件发展的显著障碍[4]。

掩模环节同样关键：有研究指出金属掩模会在金刚石图形化中诱发微掩模（micromask），并采用 Ar/O₂–Ar/Cl₂/BCl₃ 两步循环 ICP 刻蚀实现近零 micromask [5]；另一项面向金刚石功率 MOSFET 的研究系统比较了金属（铝）掩模与介质（SiO₂）掩模的影响，目标是避免侧壁底部过刻并提高选择比[6]。这说明掩模的材料与形貌直接决定刻蚀结果。

2.4 导电性与真空条件失效：薄膜与惰性表面

若转向电子束直写，则遇到新前提。超薄剥离金刚石薄膜直接进行电子束光刻会遭遇电荷积累、邻近效应与光刻胶涂覆不均，导致掩模畸变[7]。六方氮化硼（h-BN）等层状材料表面化学惰性，同样给光刻胶的润湿与附着带来困难（教材附录 E"光刻胶化学的概要"[1]涉及胶与表面相互作用）。

2.5 接触与热前提失效：脆性与低热导率

氧化镓禁带约 4.8–4.9 eV、临界击穿电场约 8 MV/cm、巴利加优值约 3444，可用熔体法制备 native 衬底[2][8]，但其热导率很低，是应用中的主要瓶颈之一[8]；综述亦指出氧化镓存在大尺寸单晶易开裂、低热导率导致的强自热效应、p 型掺杂困难等问题[2]。光刻链条中的多次烘焙与等离子体刻蚀，会向这样的体系引入额外热与应力输入。

三、逐材料对照与激光直写的对应价值

3.1 金刚石

补充一点：激光本身也是金刚石改性的手段。亚带隙脉冲激光辐照可使键合杂化由 sp³ 转变为 sp²、提高导电性，脉冲激光石墨化可用于制作导电柱与导电通道，实现三维金刚石探测器内电极、微电极阵列与光学微腔[10]；山东大学晶体材料国家重点实验室的综述亦系统梳理了金刚石激光加工的两步机制与不同脉冲宽度下的损伤差异[9]。

这里需要明确工艺分工。 上述石墨化、烧蚀去除、脉冲串修整等属于高功率激光加工范畴，目标是材料的去除、改性与表面平整化，由专用高功率脉冲激光加工系统承担；本文讨论的无掩模激光直写覆盖的是光刻级精细图形化环节——刻蚀掩模的高精度制备、终端结构的灰度三维形貌定义、金属电极与光子结构的亚微米图形。两者能量密度、加工尺度与工艺目标均不相同，在真实工艺链中前后衔接而非相互替代。

3.2 氧化镓（Ga₂O₃）

l  传统路径困难：多次烘焙与等离子体刻蚀向本就存在自热效应与开裂风险的体系引入额外热与应力；脆性衬底在接触式工序中有损伤风险[2][8]。

l  激光直写路径：室温、非接触的图形定义，不引入烘焙热预算与机械接触；便于在同一衬底上快速制备多组终端与电极图形作对照。

3.3 氮化铝（AlN）与铝镓氮（AlGaN）

l  传统路径困难：AlN 禁带约 6.2 eV、击穿电场可达 15.4 MV/cm、热导率约 340 W/(m·K)[8]，但商用尺寸主要停留约 2 英寸、自支撑单晶分离困难[2]；AlGaN 带隙可在约 3.4–6.2 eV 调节[8]，组分实验同样需要频繁改版。

l  激光直写路径：无掩模图形适配小尺寸与非标样品；数字化对准便于同片多参数对照。

3.4 六方氮化硼（h-BN）

l  传统路径困难：h-BN 带隙约 6.0 eV，主要作为二维异质结构介质封装层与衬底，其原子级平整表面与化学惰性对范德瓦尔斯器件架构关键[8]，但惰性表面导致涂胶润湿、附着与去胶困难。

l  激光直写路径：可直接定义图形而不依赖胶与表面的相互作用。

四、华维纳激光直写的技术实现

支撑上述路径的技术基础包括：405 nm 激光光源；压电定位平台定位精度可达 1 nm；刻写网格间隔可达 75 nm；聚焦光斑约 275 nm；实测可实现 18.4 nm 孔洞结构，并可在 Ti 金属薄膜上实现 50 nm 孔洞；设备支持灰阶剂量调制与灰度掩模刻写，可实现立体图案转移，并支持多种微纳结构与周期性结构制备。

对于金刚石刻蚀所需的掩模而言，金属与无机薄膜上的图形化能力尤为相关。在学术研究中的应用记录包括：Nano Letters 2020 报道的次 5 nm 量级电极结构（华维纳为署名单位），以及 Nature Communications 2023（PUF 防伪结构）、Matter（单光子源）、Nano Research 2023（次 20 nm 颗粒）、Nanoscale 2023（MoTe₂）、Nature Communications 2016（万花筒掩模版）等工作[11]。

五、可解决的问题汇总

六、验证路径与联系

1.        界定待解决工序——刻蚀掩模制备、终端形貌控制、电极图形化，或微纳/光子结构加工。

2.        以实际样品试写——金刚石的晶面取向与表面终止、氧化镓的解理特性都会影响工艺窗口。

3.        明确分辨与幅面平衡——亚 100 nm 结构需评估写入模式与介质体系；较大幅面关注拼接精度与效率。

4.        规划与后续工序衔接——明确直写结果如何接入干法/湿法刻蚀（教材第 16 章体系[1]）与金属沉积剥离工序。

如果您的课题组或企业正在开展金刚石、氧化镓、氮化铝或其他超宽禁带半导体材料的器件工艺研究，欢迎携带实际样品与工艺需求与我们联系，我们将协助评估工艺可行性并提供试写验证。

本文涉及的设备技术参数以技术协议为准；文中引用的第三方研究成果均已标注出处，其结论归属原作者。

参考文献

[1] Quirk M., Serda J. 半导体制造技术（中译本，全书 600 页）。第 13 章"光刻：气相成底膜到软烘"（13.3 光刻工艺的 8 个基本步骤、13.4 气相成底膜处理、13.5 旋转涂胶、13.6 软烘）；第 14 章"光刻：对准和曝光"（14.2 光学光刻、14.3 光刻设备、14.4 混合和匹配）；第 15 章"光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术"（15.2 曝光后烘焙、15.3 显影、15.4 坚膜、15.5 显影检查）；第 16 章"刻蚀"（16.2 刻蚀参数、16.3 干法刻蚀、16.6 湿法腐蚀、16.8 去除光刻胶）；附录 E"光刻胶化学的概要".

[2] 超宽禁带半导体材料发展现状与展望. 2025. DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.003.

[3] Recent developments and challenges of edge termination techniques for vertical diamond Schottky barrier diodes.（含 Li et al., 2022 斜角 PN 结终端仿真；Li et al., 2024 光刻胶热回流半球形掩模 + 干法刻蚀制备曲面斜面 MESA，击穿电压 188→229 V，HfO₂ 场板后 291→380 V，表面击穿电场 8.9 MV/cm）

[4] Tran D. D. Advanced etching techniques for diamond electronic and optical devices. Institut Néel, CNRS, 2024-12-18（学位论文答辩）.

[5] Wang X., Fang S., Wang B., Qiu M., Nishimura K., Jiang N., Yi J. Diamond etching with near-zero micromasking. Journal of Materials Research and Technology, 2024, 33: 6559–6564. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.11.011.

[6] Gourad R., Makhoul R., Isoird K., Tasselli J., Cazarré A., et al. Improvement of O₂ plasma etching for diamond power MOSFET fabrication. LAAS-CNRS, 2024. HAL Id: hal-04682037.

[7] Wang Y., Jing J., Luo Y., Ma L., Wang Z., Wang Q., Li K. H., Chu Z. A versatile method for nano-fabrication on diamond film: flexible diamond metasurfaces as a demonstration. arXiv:2412.13406, 2024.

[8] Ultra-wide bandgap semiconductor materials landscape 2026（AlN 6.2 eV、h-BN 6.0 eV、diamond 5.5 eV、Ga₂O₃ 4.9 eV、AlGaN 3.4–6.2 eV 可调）；第四代半导体材料理化性质综述（氧化镓 4.8–4.9 eV、临界击穿电场 8 MV/cm、巴利加优值 3444；金刚石 5.45 eV、热导率 2200 W/(m·K)、击穿电场 >10 MV/cm；氮化铝 6.2 eV、15.4 MV/cm、热导率约 340 W/(m·K)）；A review of diamond materials and applications in power semiconductor devices. Materials, 2024, 17(14): 3437. DOI: 10.3390/ma17143437.

[9] Zhang X., Wang Z., Hu X., Ge L., Wang Y., Han S., Peng Y., Xu M., Xu X. Methods and research progress for high-quality laser processing of diamond materials. 硅酸盐学报. DOI: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250078.（山东大学晶体材料国家重点实验室）

[10] Microbeam and pulsed laser beam techniques for the micro-fabrication of diamond surface and bulk structures. arXiv:1608.07122.（INFN/LABEC/LENS, Florence）

[11] 华维纳激光直写设备相关研究成果：Nano Letters, 2020（次 5 nm 量级电极，华维纳为署名单位）；Nature Communications, 2023（PUF 结构）；Matter（单光子源）；Nano Research, 2023（次 20 nm 颗粒）；Nanoscale, 2023（MoTe₂）；Nature Communications, 2016（万花筒掩模版）.