布鲁克海文国家实验室的阿丽亚娜·曼格拉维蒂 示意图显示了通过渗透合成产生混合有机-无机抗蚀剂、通过电子束光刻图案化抗蚀剂以及通过用六氟化硫(SF6)离子轰击硅表面将图案蚀刻到硅中的过程
学分:布鲁克海文国家实验室 为了提高电子器件的处理速度和降低功耗，微电子工业继续推动越来越小的特征尺寸
当今手机中的晶体管通常为10纳米(nm)，相当于大约50个硅原子宽，或者更小
以更高的精度将晶体管缩小到这些尺寸以下，需要先进的光刻材料——在硅片上印刷电路元件以制造电子芯片的主要技术
一个挑战是开发坚固的“抗蚀剂”，即用作将电路图案转移到硅等器件有用衬底中的模板的材料
现在，来自CFN功能纳米材料中心的科学家
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位于布鲁克海文国家实验室的能源部科学用户设备办公室——已经使用最近开发的渗透合成技术来产生将有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸甲酯与无机氧化铝结合的电阻
由于其低成本和高分辨率，聚甲基丙烯酸甲酯是电子束光刻(EBL)中最广泛使用的抗蚀剂，电子束光刻是一种使用电子来创建图案模板的光刻
然而，在产生超小特征尺寸所必需的抗蚀剂厚度下，当图案被蚀刻到硅中时，图案通常开始退化，不能产生所需的高纵横比(高度对宽度)
正如7月8日在线发表在《材料化学杂志》上的一篇论文所报道的那样，这些“混合”有机-无机抗蚀剂显示出高光刻对比度，并且能够以高纵横比图案化高分辨率硅纳米结构
通过改变渗透到聚甲基丙烯酸甲酯中的氧化铝(或不同的无机元素)的量，科学家可以为特定的应用调整这些参数
例如，下一代存储设备，如闪存驱动器，将基于三维堆叠结构来增加存储密度，因此需要极高的纵横比；另一方面，非常高的分辨率是未来处理器芯片最重要的特征
“我们没有采用全新的合成路线，而是使用了现有的抗蚀剂、廉价的金属氧化物和几乎所有纳米制造设施中常见的设备，”第一作者、CFN电子纳米材料集团的博士后研究助理尼基尔·蒂瓦尔说
尽管已经提出了其他混合抗蚀剂，但是它们中的大多数需要高电子剂量(强度)，涉及复杂的化学合成方法，或者具有昂贵的专有成分
因此，这些抗蚀剂对于下一代电子产品的高速、大批量制造来说并不是最佳的
左图:具有不同特征尺寸(线宽)的硅肘形纳米图案的扫描电子显微镜图像
右图:高分辨率、高纵横比硅纳米结构的高放大扫描电镜图像，以500纳米的节距分辨率(线宽加间距，或线间距)进行构图
学分:布鲁克海文国家实验室 面向大规模制造的先进纳米光刻技术 传统上，微电子工业依赖于光刻技术，光刻技术的分辨率受到光刻胶曝光的光波长的限制
然而，EBL和其他纳米光刻技术，如极紫外光刻(EUVL)可以推动这一限制，因为电子和高能紫外光的波长非常小
这两种技术的主要区别是曝光过程
“在EBL，你需要一行一行地写下你需要曝光的所有区域，就像用铅笔画素描一样，”提沃尔说
“相比之下，在EUVL，你可以一次曝光整个区域，就像拍照一样
从这个角度来看，EBL非常适合研究，而EUVL更适合大规模制造
我们相信，我们为EBL展示的方法可以直接应用于EUVL，包括三星在内的公司最近已经开始使用该方法来开发其7纳米技术节点的制造流程
" 在这项研究中，科学家们使用原子层沉积(ALD)系统——一种用于在表面沉积超薄薄膜的标准纳米制造设备——来结合聚甲基丙烯酸甲酯和氧化铝
将涂有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的基底放入ALD反应室后，他们引入铝前体蒸汽，通过聚甲基丙烯酸甲酯基质内的小分子孔扩散，与聚合物链内的化学物质结合
然后，他们引入另一种前体(如水)，与第一种前体反应，在聚甲基丙烯酸甲酯基体中形成氧化铝
这些步骤一起构成一个处理周期
该团队随后用混合抗蚀剂进行了EBL测试，该抗蚀剂有多达八个处理周期
为了表征不同电子剂量下抗蚀剂的对比度，科学家们测量了曝光区域内抗蚀剂厚度的变化
用原子力显微镜(一种具有用于跟踪表面形貌的原子级尖端的显微镜)生成的表面高度图和通过椭偏法(一种基于从表面反射的光的偏振变化来确定薄膜厚度的技术)获得的光学测量结果表明，厚度随着少量的处理循环而逐渐变化，但是随着额外的循环而迅速变化，即
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更高的氧化铝含量
在两个处理周期之后，混合抗蚀剂的蚀刻选择性超过了昂贵的抗蚀剂ZEP的蚀刻选择性
四次循环后，混合抗蚀剂的蚀刻选择性比二氧化硅高40%
学分:布鲁克海文国家实验室 CFN电子纳米材料集团的材料科学家张永南解释说:“这种反差是指暴露在电子束下后，抗蚀剂的变化有多快。”张永南是该项目的负责人，他与达拉斯德克萨斯大学材料科学与工程系的教授金智英合作构思了这个想法
“曝光区域高度的突然变化表明，对于更高次数的渗透循环，抗蚀剂对比度有所提高，几乎是最初的聚甲基丙烯酸甲酯抗蚀剂的四倍
" 科学家们还使用混合抗蚀剂在硅衬底上形成周期性的直线和“弯”(交叉线)，并比较了抗蚀剂和衬底的蚀刻速率
“你希望硅比抗蚀剂蚀刻得更快；否则抗蚀剂开始降解，”南说
“我们发现我们的混合抗蚀剂的蚀刻选择性高于昂贵的专有抗蚀剂(例如
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ZEP)和使用诸如二氧化硅的中间“硬”掩模层来防止图案退化的技术，但是这需要额外的处理步骤
" 展望未来，该团队将研究杂交抗蚀剂如何应对EUV暴露
他们已经开始在布鲁克海文的国家同步加速器光源二号(NSLS二号)上使用软X射线(能量范围相当于EUV光的波长)，并希望与工业伙伴合作，使用劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源的X射线光学中心操作的专用EUV光束线
“EUVL有机层的能量吸收非常弱，”南说
添加无机元素，如锡或锆，可以使它们对EUV光更敏感
我们期待探索我们的方法如何满足EUVL的抗蚀剂性能要求
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