美国国家实验室：新型混合极紫外光刻技术，助力下一代微电子器件制造

为了提升微电子技术的性能，半导体行业正致力于缩减器件尺寸，目前已将特征尺寸降至10 nm以下。随着半导体尺寸的极限缩小，相关技术挑战日益突显，这催生了一种高效的半导体制造新技术——极紫外（EUV）光刻技术。

在EUV光刻领域，对光刻胶的要求极为严苛，它必须具备高灵敏度、高分辨率以及优异的蚀刻选择性。为满足这些技术需求，美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室功能纳米材料中心（CFN）的研究团队，设计了一种新型的有机-无机混合EUV光刻胶。这款光刻胶不仅具有光敏感性，还能在纳米尺度上高效地制作极微小的半导体图案，在制造微观级别的高性能半导体器件中发挥着至关重要的作用，非常适合大批量制造。该研究成果发表在Advanced Materials Interfaces（www.doi.org/10.1002/admi.202300420）上。

研究团队开发的有机-无机混合EUV光刻胶，不仅能够在EVU光刻和电子束（EB）光刻中用于制作高分辨率图案，还具有灵敏度高、耐蚀刻性强和所需曝光剂量低等特点。这些特性使得采用渗透合成方法生产的混合薄膜成为可靠的EUV光刻材料，从而为下一代半导体器件及微电子学领域的发展提供了坚实的技术支撑。

该团队采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）浸润氧化铟（InOx）制成了光刻胶。PMMA-InOx混合光刻胶利用了InOx的高极紫外线吸收和优异的抗蚀刻特性。通过有机金属铟前驱体与PMMA基体之间的微弱相互作用，实现了在气相渗透过程中InOx在PMMA中的均匀分布，这一关键步骤确保了光刻胶的良好的图案化性能。

项目负责人Chang-Yong Nam解释道：“在合成的新型混合光刻胶材料过程中，我们采用了一种名为气相渗透（VPI）的专业技术。这项技术源于原子层沉积，专用于材料的杂化处理。上述合成方法使得金属氧化物能够深入浸润至有机聚合物中，从而实现两种材料的紧密结合。与传统化学合成相比，此法更便于制造多样的混合材料。通过将气态无机前体注入固态有机基质，我们可以精确控制最终材料的特性。”

研究团队利用气态铟前驱体与羰基的微弱结合作用，实现了无机组分在光刻胶中的均匀分布，从而提高了EUV和EB光刻的灵敏度。这种混合光刻胶在EUV光刻中展现出高分辨率和正色调的图案效果，能够制造出半间距仅为40 nm的线间距和直径约50 nm的接触孔图案。它在临界尺寸上展现了优异的均匀性，并具有高硅（Si）蚀刻选择性，可有效将图案转移至硅衬底，生产出高长宽比的硅纳米结构。

团队成员Nikhil Tiwale表示：“我们最新的论文中使用了一种新成分，提高了EUV吸收率和图案化性能。”混合材料对EUV光更为灵敏，减少了曝光需求，缩短了处理时间。此外，这种新材料具有卓越的机械强度和化学耐受性，使其成为高分辨率蚀刻工艺中的理想模板。

图1 镜子聚焦EUV光，在被含铟气态分子渗透的聚合物薄膜中形成潜像

当团队初次尝试制造这种混合材料时，他们面临的一个主要挑战是确保有机聚合物中无机成分的均匀分布，并同时保证这些注入的无机成分不会与有机基质结合得过于紧密。研究人员Ashwanth Subramanian解释说，为了达到这一目标，团队精心挑选了适用于金属或无机成分的不同前体材料。

由于这些措施，所产生的混合材料不仅成分均匀，而且其有机和无机组件之间的结合力适中。研究团队还发现，使用铟替代铝作为无机成分不仅提高了材料的灵敏度，还实现了更均匀的材料组成。

此外，该团队正在积极开发和测试其他混合材料成分，并且还在研究制造材料所涉及的工艺，为更小、更高效的半导体器件的图案化铺平道路。

Chang-Yong Nam将加入DOE的“加速新兴技术创新”（Accelerate Innovations in Emerging Technologies）计划。这是一个跨多个研究机构的项目，旨在探索新型混合光刻胶的开发。他表示：“目前，进行EUV图案化的过程非常困难且成本高昂，市场上可用的图案化设备价格高达两亿美元以上，全球只有三到四家公司能够用它们进行实际的芯片制造。很多研究人员都渴望开发新的光刻胶材料，却因为无法进行EUV图案化而受限。这正是我们希望解决的关键挑战之一。”