В процессе познания микромира человечество неизменно опирается на технологии микро‑ и нанообработки. Начиная с первых интегральных схем и вплоть до современных быстро развивающихся микроэлектромеханических систем, микрожидкостных чипов и устройств на основе двумерных материалов, многие, казалось бы, абстрактные научные концепции в конечном счёте требуют преобразования в реальные, функциональные устройства лишь благодаря точной микро‑ и наноструктурной обработке; при этом литография остаётся одним из ключевых методов этого процесса.

Традиционная литография опирается на заранее изготовленные маски: с их помощью ультрафиолетовым излучением проецируется рисунок на подложку, покрытую фоторезистом, после чего посредством проявки, травления и других операций формируются микроструктуры. По мере того как научные и прикладные задачи становятся всё более разнообразными, исследователям нередко приходится часто корректировать проектные структуры; такой подход, основанный на использовании фиксированных масок, постепенно демонстрирует определённые ограничения в плане гибкости. В последние годы получила развитие технология безмасочной литографии, которая в определённой степени предлагает новые решения этой проблемы.

Основная идея безмасочного литографирования несложна. В отличие от традиционной литографии, она больше не опирается на физическую маску; вместо этого экспозиционный рисунок формируется непосредственно с помощью программируемых оптических модуляторов. Одним из наиболее распространённых способов реализации является использование цифрового микрозеркального устройства — так называемого DMD. DMD состоит из множества крошечных зеркал, способных независимо поворачиваться; каждое из них может управлять тем, попадает ли свет в проекционный оптический тракт.

Когда эти микрозеркала располагаются по определённой схеме, на поверхности образца формируется соответствующее распределение интенсивности света, что позволяет осуществлять экспозицию рисунка. Такой подход обеспечивает возможность в реальном времени изменять литографические структуры с помощью программного обеспечения, что придаёт методу высокую гибкость в научно‑исследовательских условиях.

В практической научной работе DMD‑проекторы безмасочного литографирования компании Zeyou Technology нередко применяются для проверки новых конструктивных решений или изготовления малогабаритных устройств. Например, в экспериментах по градиентной литографии исследователи не ограничиваются простым воздействием света на отдельные участки — они регулируют локальную интенсивность излучения, добиваясь различной степени экспозиции фоторезиста; после проявки таким образом формируется трёхмерная структура с плавно изменяющейся высотой.

Таким образом создаётся микроструктура с непрерывно изменяющимися ступенями; на поперечных изображениях, полученных при сканирующей электронной микроскопии, наблюдается постепенное изменение высоты структуры. Подобные методы обладают определённым потенциалом применения в области микрооптики, например для изготовления линз Френеля и других подобных структур. Такие линзы за счёт ступенчатой структуры аппроксимируют традиционные выпуклые линзы, позволяя реализовать фокусирующую функцию в весьма тонких конструкциях; вследствие этого они привлекают внимание в сфере оптических датчиков и миниатюрных систем визуализации.

Литографический аппарат DMD без маски компании ZEPTOOLS также может использоваться для исследования пределов разрешающей способности литографии. В ходе ряда экспериментов, благодаря оптимизации оптической системы и условий работы с фоторезистом, в экспериментальных структурах удалось получить линии шириной около 200 нанометров при межлинейном расстоянии порядка нескольких сотен нанометров; на микроскопических изображениях после проявки видны регулярно расположенные тонкие линии.

Помимо тестов на разрешение, DMD‑проектор без маски компании «ZEPTOOLS» также обладает определённой ценностью в исследованиях устройств на основе новых материалов. В последние годы двумерные материалы стали одним из ключевых направлений исследований в области физики конденсированных сред и наноэлектроники; толщина таких материалов обычно составляет всего несколько атомных слоёв, а при создании на них электродных структур требуется высокая точность позиционирования.

С помощью литографии формируют электродные структуры, после чего осуществляют металлизацию методом испарения и последующее снятие резистивного слоя, что позволяет создать металлические контакты для электрических измерений. В соответствующих экспериментах исследователи сначала изготовляют электродные структуры на двумерных материалах, а затем, пройдя процессы испарения и снятия, получают полностью функциональные устройства. Преимущество данного подхода заключается в возможности быстро корректировать дизайн структур, что существенно облегчает поиск различных вариантов устройственных конфигураций.

В области микроэлектромеханических систем литография также является одним из базовых технологических этапов. Микроэлектромеханические устройства обычно включают консольные балки, емкостные структуры или сложные микромеханические компоненты; их изготовление требует многократной литографии и травления. Литография без маски на этапе апробации прототипов позволяет сократить время на создание фотомасок, что даёт исследователям возможность быстрее проверять конструктивные решения. Например, в некоторых экспериментах после формирования микроструктурных рисунков с помощью DMD‑литографического аппарата компании Zeyou Technology, а затем совместно с последующими процессами осаждения материалов и травления, удается получить структуры МЭМС‑устройств, предназначенные для сенсорных или микромеханических исследований.

Обработка микрожидкостных чипов представляет собой ещё одно типичное направление применения. Микрожидкостные технологии позволяют управлять жидкостями в каналах микрометрового масштаба, реализуя такие функции, как химические реакции, биологический анализ или исследование образцов. В лабораторных исследованиях распространённым методом изготовления является предварительное создание на подложке микроструктурного положительного шаблона с помощью фотолитографии; затем эластичный материал, например PDMS, заливают на этот шаблон, а после отверждения извлекают получившуюся структуру с микроканалами. Такой подход обладает высокой гибкостью на ранних этапах экспериментов, поскольку проекты микроканалов можно быстро корректировать в компьютере и повторно проэкспонировать.

В более сложных экспериментальных условиях различные литографические технологии могут дополнять друг друга, что позволяет реализовать гибридную литографию. Например, электронно‑лучевая литографическая система компании Zeyou Technology обычно обладает более высоким разрешением, однако её скорость экспозиции относительно невелика; в то же время DMD‑литография без маски имеет определённые преимущества при обработке больших площадей. Сочетание этих двух технологий позволяет на одном и том же устройстве выполнить структурную обработку различных масштабов; такой подход обеспечивает баланс между производительностью и разрешением.

С более широкой перспективы развитие технологий микро‑ и нанопроизводства постепенно снижает порог входа в экспериментальную работу. Раньше многие процессы изготовления микроструктур требовали использования крупных чистых помещений и сложного производственного оборудования; однако с появлением компактных устройств и новых технологий некоторые лаборатории уже способны осуществлять базовую микро‑ и нанообработку в гораздо более скромных условиях. Это изменение не только ускоряет цикл научных исследований, но и открывает новые возможности для междисциплинарных исследований. Например, такие области, как материаловедение, биомедицина и микроэлектроника, могут теперь проводить проектирование и экспериментальную верификацию структур на одной и той же платформе.

В перспективе развития микро‑ и нанотехнологий безмасочная литография по‑прежнему будет играть важную роль. По мере постоянного совершенствования оптических систем, управляющих алгоритмов и технологий обработки материалов её разрешение, стабильность и область применения, как ожидается, будут постепенно повышаться. На этапе научных исследований такие технологии позволяют учёным быстрее превращать свои идеи в наблюдаемые структуры и на основе экспериментов последовательно корректировать проектные концепции. Именно эти, на первый взгляд незначительные, технические достижения постепенно продвигают наше понимание микромира на всё более глубокий уровень.

Справочные материалы 
1. Шарма, Бхарат и Шарма, Ашутош. (2021). Микрофлюидика: последние достижения в направлении применения лабораторий на чипе в биоанализе. Advanced Engineering Materials. Т. 24. DOI: 10.1002/adem.202100738. 
2. Чжэн, Ци; Чжоу, Цзиньюнь; Чэнь, Цимин; Лэй, Лян; Вэнь, Куньхуа; Ху, Имин. (2019). Быстрое прототипирование решётки Даммана в маско‑безмасочном литографическом процессе на основе DMD‑проекторов. IEEE Photonics Journal. Т. 11. С. 1–1. DOI: 10.1109/JPHOT.2019.2950281. 
3. Аспиотис, Николаос; Морган, Катрина; Марц, Бенджамин; Мюллер-Каспари, Кнут; Эберт, Мартин; Уэзерби, Эд; Лайт, Марк; Хуан, Кевин Чунг-Че; Хевак, Даниэль; Маджумдар, Саяни; Зеймпекис, Иоаннис. (2023). Синтез MoS2 с высокими электрическими характеристиками на больших площадях с использованием коммерчески масштабируемого процесса атомно‑слойного осаждения. npj 2D Materials and Applications. Т. 7. DOI: 10.1038/s41699-023-00379-z.