50 多年来，半导体行业一直在努力开发先进技术，从而使计算能力和能效得到了惊人的提高，改善了我们的生活。半导体行业实现这些显著性能提升的主要途径是设法缩小微芯片中半导体器件的尺寸。然而，由于半导体的特征尺寸目前仅接近几纳米，也就是几百个原子，要保持器件的持续微型化已变得越来越具有挑战性。
为了应对制造更小的微芯片元件所带来的挑战，半导体行业目前正在向一种功能更强大的制造方法--极紫外（EUV）光刻过渡。极紫外光刻利用波长仅为 13.5 纳米的光在光刻胶（光刻工艺中不可或缺的光敏材料）上形成微小的电路图案。
光刻胶（Photoresist）又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料，可以用来在纳米级的芯片上蚀刻线路图。随着EUV光刻开始为未来铺平道路，科学家们需要为纳米制造新时代寻找最有效的抗蚀剂材料。
为了满足这一需求，功能纳米材料中心(CFN)（美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室）的一组科学家设计了一种新型光敏有机材料-无机混合材料，可通过EUV光刻实现高性能图案化。他们的研究结果最近发表在《先进材料界面》上。
用于制造这些新型光刻胶的混合材料由有机材料（主要含有碳原子和氧原子）和无机材料（通常以金属元素为基础）组成。由于其独特的化学性质和结构，混合材料的两部分都具有各自独特的化学、机械、光学和电学特性。通过结合这些不同的成分，新的有机-无机混合材料就会出现，并具有各自有趣的特性。
就有机光刻胶而言，添加无机分子可以大大改进 EUV 材料。混合材料对 EUV 光的敏感性更高，这意味着它们在图案化过程中不需要暴露在那么多的 EUV 光下，从而减少了所需的工艺时间。混合材料还具有改进的机械和化学耐受性，使它们更适合作为高分辨率蚀刻的模板。
为了合成新型混合抗蚀剂材料，有机聚合物材料通过一种称为气相浸润的专门技术与无机金属氧化物进行浸润。这种方法是 CFN 材料合成技术的关键领域之一。与传统的化学合成相比，通过将气态无机前体注入固态有机基体，可以很容易地生成各种成分的混合材料，并控制其材料特性。
随着该团队对材料的实验和改进，性能得到改善的抗蚀剂正在出现。任何开创性的领域都会面临挑战。
“我们在最初制造这些混合物时遇到的主要问题之一是无机成分需要均匀分布在有机聚合物内部，同时确保注入的无机成分不会与有机基质结合太牢固，”Ashwanth Subramanian说，该论文的主要作者。Subramanian 是石溪大学材料科学与化学工程系前 CFN 附属博士生，目前在Lam Research担任工艺工程师。“在之前的研究中实现这一目标有点困难。然而，在这项工作中，我们能够为金属（无机源）选择不同的前体，这使我们能够制造出具有均匀成分以及有机和无机成分之间弱结合的混合物。”
在目前的研究中，该团队注意到，与之前的工作中使用的铝相比，使用铟作为无机成分后取得了巨大的进步。科学家们使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）有机薄膜作为有机成分制成了新型抗蚀剂，并用无机氧化铟渗透其中。这种新的混合材料表现出更高的灵敏度和更均匀的材料组成，从而提高了后续图案形成的均匀性。
“在我们之前的工作中，我们演示了这一概念，并使用已确定的抗蚀剂成分作为概念证明，” CFN 材料科学家Nikhil Tiwale解释说：“在这篇新论文中，我们使用了一种尚未在抗蚀剂界研究过的组合物，从而产生更好的 EUV 吸收和改进的图案化性能。”
CFN 的科学家多年来一直在研究混合光刻胶材料，为最终设计新型高功能材料奠定了坚实的工作基础。Nam 领导这项研究计划，目标是开发更多新材料和功能。2022 年，他被巴特尔纪念研究所评为年度发明家。
Nam 的混合光刻胶显示出这样的前景，以至于他获得了大量资金，通过美国能源部加速新兴技术创新计划来实现这一概念。这个多机构项目将探索新型混合光刻胶的开发，并利用机器学习通过使材料验证变得更容易、更容易来加速 EUV 研究。
“目前进行 EUV 图案化确实很困难，”Nam 解释道。“业界实际使用的图案机非常非常昂贵——当前版本每台售价超过 2 亿美元！全球能够将其用于实际芯片制造的公司只有三到四家。有很多研究人员想要研究和开发新的光刻胶材料，但无法进行 EUV 图案化来评估它们。这是我们希望解决的关键挑战之一。”
该团队目前正在研究其他混合材料成分，并测试它们的性能以及制造它们的工艺，为图案化更小、更高效的半导体器件铺平道路。
参考链接：A Bright Future for Extreme UV Lithography at Brookhaven Lab；Demi Xia编译
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