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華科大朱明強教授聯(lián)合湖北九峰山實驗室柳俊教授/向詩力博士團隊 CEJ:二元協(xié)同增強型化學放大膠助力半導(dǎo)體光刻制造
2024-02-22  來源:高分子科技

  中國正進入芯片高速發(fā)展期,光刻膠作為半導(dǎo)體制造不可或缺的材料,技術(shù)門檻高,而國內(nèi)光刻膠整體技術(shù)水平遠遠落后國際先進水平,自給率較低,且集中在低端產(chǎn)品。該行業(yè)目前主要被美日企業(yè)把持,國內(nèi)市場正面臨“卡脖子”困局。此外,市場上制程穩(wěn)定性高、工藝寬容度大且普適性強的光刻膠產(chǎn)品屈指可數(shù),當半導(dǎo)體制造節(jié)點進入sub-100 nm,甚至是sub-10 nm,如何產(chǎn)生分辨率高且截面形貌優(yōu)良、線邊緣粗糙度(LER)低的光刻圖形,成為光刻制造的共性主題。半導(dǎo)體市場持續(xù)擴大,如何進一步降本增效,也是大家共同努力的方向。而具備二元協(xié)同光響應(yīng)機制的光刻膠有望上述問題提供明確的方向同時為EUV光刻膠的著力開發(fā)做技術(shù)儲備。


  近日,華中科技大學武漢光電國家研究中心朱明強教授團隊,聯(lián)合湖北九峰山實驗室,分別以光敏單元:4,5-二甲氧基-2-硝基芐基甲基丙烯酸酯MONMA)與光致產(chǎn)酸劑(PAG4,5-二甲氧基-2-硝基苯對甲苯磺酸MONS構(gòu)建雙非離子型光酸協(xié)同增強響應(yīng)的化學放大光刻膠(CAR)。光照下,聚合物基質(zhì)中自由分散的MONS光解成游離的磺酸小分子強酸,而聚合物鏈上的MONMA形成局域化羧酸單元,兩種酸通過二元同步協(xié)同催化叔丁基甲基丙烯酸酯(TBMA)保護基團轉(zhuǎn)化為可溶解于2.38% TMAH水基顯影液的羧酸(1)。TBMA生成的羧酸反過來可催化TBMA產(chǎn)生更多的羧酸,顯著加快酸單元的擴散增殖,可明顯降低光刻膠對曝光系統(tǒng)光照強度的要求。 


1. 雙非離子型光酸協(xié)同增強響應(yīng)化學放大光刻膠的合成及其光刻工藝示意圖。


  該體系中,因MONMAMONS分子結(jié)構(gòu)的高度相似性,MONS分子可完全分散溶解于三元聚合物P(MONMA-HEMA-TBMA)體系中,而不會出現(xiàn)相分離,以確保最終的光刻效果。此外,研究已表明HEMA的引入顯著提高了光刻膠膜的完整性及其Si襯底的附著力,并同步降低涂膠過程中defect的產(chǎn)生,而不會明顯降低聚合物整體的光敏性。更為重要的是,MONS的光解速率遠大于MONMA基團。紫外吸收光譜顯示,相同輻照條件下,MONMA的轉(zhuǎn)化率約44%,MONS的轉(zhuǎn)化率高達61%2);光酸轉(zhuǎn)化率太低或太高都不利于分辨率的提升,還會惡化LER。而MONS/MONMA二元配合體系,互相調(diào)制,將最終生成的光酸濃度控制在最佳范圍,因此該體系光刻膠的LER低且分辨率高。 


2. 幾種不同光刻膠體系在紫外光輻照下膜層的紫外吸收光譜動態(tài)變化(a) P(MONMA-TBMA); (b) P(MONMA-HEMA-TBMA); (c) MONS/PMMA; (d) MONS/PTBMA; (e) MONS/P(MONMA-TBMA); (f) MONS/P(MONMA-HEMA-TBMA)。


  該工作通過對PAG含量、前烘工藝、曝光后烘PEB溫度與時間的大量探究實驗,確定體系中各單元的最佳微含量,最終將顯影時間降低至30 s,其PEB溫度與時間分別低至90 ℃min,完全符合半導(dǎo)體量產(chǎn)制造中對吞吐量和生產(chǎn)效率的需求,且性能比大多數(shù)商用光刻膠更優(yōu)良。在光學顯微鏡和掃描電鏡的多重驗證下,最終得到的光刻圖像形貌與線邊緣粗糙度優(yōu)良,space圖案寬度值正態(tài)分布的標準差(SD)極小,約0.053)。 


3.a)光刻顯影后P(MONMA-HEMA-TBMA)化學放大膠的光學顯微鏡效果圖;(b)光刻膠十字圖案表面形貌的掃描電鏡圖像;(c)光刻膠溝道圖案表面形貌的掃描電鏡圖像;(d)光刻膠溝道圖案寬度正態(tài)分布。


  以上相關(guān)成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal (IF=15.1)Dual nonionic photoacids synergistically enhanced photosensitivity for chemical amplified resists。項目由國家自然科學基金、973計劃共同資助,論文第一作者為華中科技大學光電國家研究中心碩士生彭玲艷,主要作者為華中科技大學光電國家研究中心朱明強教授(通訊),湖北九峰山實驗室工藝中心柳俊教授向詩力博士(通訊)。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148810


通訊作者簡介

朱明強教授,2001年畢業(yè)于北京大學,獲理學博士學位,F(xiàn)任職華中科技大學武漢光電國家研究中心教授。在JACS、Nano energy、Nat. Commun.與Adv. Mater.等國際頂刊上發(fā)表了100多篇論文,獲2017年北京市自然科學二等獎和2023年湖北省自然科學二等獎,于2018年入選英國皇家化學學會會士。目前的研究重點集中于光刻制造、有機納米光電子學和超分辨率成像。


柳俊教授,2014年畢業(yè)于香港城市大學,獲理學博士學位。曾先后獲湖北省“百人計劃”,“3551光谷”,深圳市“海外高層人才孔雀計劃”,深圳市龍崗區(qū) “龍崗區(qū)高層次人才” 等人才稱號。于2021年加入湖北九峰山實驗室,任工藝中心主管。在Nanomaterials、ACS APM、Appl. Phys. Lett.和Solid-State Electronics等國際頂刊上發(fā)表多篇論文。目前主要負責化合物半導(dǎo)體的制造、加工和表征。



向詩力博士,2021年畢業(yè)于華中科技大學武漢光電國家實驗室,獲理學博士學位。在Nano energy、ACS APM、Chem. Eng. J. 與Chem. Mater.等國際頂刊上發(fā)表多篇論文。曾獲“3551光谷優(yōu)秀青年人才” 稱號。2022年加入湖北九峰山實驗室,目前主要負責半導(dǎo)體光刻制造的前端研發(fā)。

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(責任編輯:xu)
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