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作为半导体制造不可或缺的材料，光刻胶质量和性能是影响集成电路电性、成品率及可靠性的关键因素。但光刻胶技术门槛高，市场上制程稳定性高、工艺宽容度大、普适性强的光刻胶产品屈指可数。当半导体制造节点进入到100 nm甚至是10 nm以下，如何产生分辨率高且截面形貌优良、线边缘粗糙度低的光刻图形，成为光刻制造的共性难题。
针对上述瓶颈问题，九峰山实验室、华中科技大学组成联合研究团队，支持华中科技大学团队突破“双非离子型光酸协同增强响应的化学放大光刻胶”技术。该研究通过巧妙的化学结构设计，以两种光敏单元构建“双非离子型光酸协同增强响应的化学放大光刻胶”，最终得到光刻图像形貌与线边缘粗糙度优良、space图案宽度值正态分布标准差（SD）极小（约为0.05）、性能优于大多数商用光刻胶。且光刻显影各步骤所需时间完全符合半导体量产制造中对吞吐量和生产效率的需求。该研究成果有望为光刻制造的共性难题提供明确的方向，同时为EUV光刻胶的着力开发做技术储备。相关成果以“Dual nonionic photoacids synergistically enhanced photosensitivity for chemical amplified resists”为题，于2024年2月15日在国际顶级刊物Chemical Engineering Journal (IF=15.1)发表。该项目由国家自然科学基金、973计划共同资助，主要作者为华中科技大学光电国家研究中心朱明强教授，湖北九峰山实验室工艺中心柳俊教授和向诗力博士。
光刻胶全自主知识产权技术开发
光刻胶线边缘粗糙度与分辨率通常难以协同调控，应对上述瓶颈问题，九峰山实验室与华中科技大学研发人员共同设计新结构体系和光响应机制寻求解决策略。
此项研究分别将光敏单元：4,5-二甲氧基-2-硝基苄基甲基丙烯酸酯（MONMA）和光致产酸剂（PAG）：4,5-二甲氧基-2-硝基苯对甲苯磺酸酯（MONS）引入基质中，光照下，基质中自由分散的MONS光解成游离的小分子强酸，而聚合物主链上的MONMA则形成局域化羧酸，两种酸同步协同催化叔丁基甲基丙烯酸酯（TBMA）保护基团转化为可溶解于2.38% TMAH水基显影液的羧酸（图1）。TBMA生成的羧酸反过来可催化TBMA产生更多的羧酸，显著加快酸单元的扩散增殖，可明显降低光刻胶对曝光系统光照强度的要求。
图1. 几种不同光刻胶体系在紫外光辐照下膜层的紫外吸收光谱动态变化：(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)。
MONS/MONMA二元配合体系互相调制，将最终生成的光酸浓度控制在最佳范围，因此该体系光刻胶的线边缘粗糙度低且分辨率高。同时因MONMA与MONS分子结构的高度相似性，MONS分子可完全分散溶解于三元聚合物P(MONMA-HEMA-TBMA)体系中，而不会出现相分离，确保了最终的光刻效果。在光学显微镜和扫描电镜的多重验证下，最终得到的光刻图像形貌与线边缘粗糙度优良，space图案宽度值正态分布的标准差（SD）极小，约为0.05（图2）。
图3.（a）光刻显影后P(MONMA-HEMA-TBMA)化学放大胶的光学显微镜效果图；（b）光刻胶十字图案表面形貌的扫描电镜图像；（c）光刻胶沟道图案表面形貌的扫描电镜图像；（d）光刻胶沟道图案宽度正态分布。
“用”为导向，产学研用深度融合
依托九峰山实验室工艺平台，上述具有自主知识产权的光刻胶体系在产线上完整了初步工艺验证，并同步完成了各项技术指标的检测优化，实现了从技术开发到成果转化的全链条打通。
九峰山实验室面向国家重大战略和产业共性技术需求，将继续坚持以“用”为导向，与高校及研究机构积极开展共同研究，推进产学研用深度融合，为学术成果加速产业化提供先进的工艺开发平台，发挥产业技术“灯塔”作用。
