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  電子束光刻是下一代光刻技術中的有力競爭者，曝光光源電子束突破了紫外光衍射效應的局限，具有極高的分辨率，在微納加工，尤其是光刻掩膜制造上有著廣泛的應用。目前，市場上常用的電子束光刻膠主要包括PMMA-950k、ZEP520、HSQ等膠種，當下均被日美等半導體廠商壟斷。開發具有自主知識產權的高性能光刻膠，實現進口替代，成為我國集成電路產業自主可控的共識性研究課題。

  近年來，浙江大學高分子系伍廣朋課題組通過多學科交叉，將二氧化碳基聚碳酸酯（二氧化碳和環氧烷烴的交替共聚物）材料拓展到微電子產業中電子束光刻膠和導向光刻膠材料。2017年，他們設計了聚苯乙烯-聚碳酸丙撐酯嵌段共聚物，利用工業界青睞的熱退火工藝在化學圖案上快速實現導向光刻，適用于7 nm節點處理器的制作（Nano Lett., 2017, 17, 1233–1239）。2020年，他們進一步設計合成了半節距6納米的ABA型聚碳酸丙撐酯嵌段共聚物，實現了集成電路常用基本圖形的蝕刻(Nat. Commun., 2020, 11, 4151)。在此基礎上，他們與國內外的多位研究者合作，開發出了具有高靈敏度的正性和負性二氧化碳基聚碳酸酯電子束光刻膠（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007417)。

  眾所周知，顯影是光刻工藝流程中最為關鍵的步驟之一，在不同的顯影條件下，靈敏度、分辨率和粗糙度等參數會顯示出巨大差異，甚至出現正負性的反轉，從而對光刻結果和芯片良品率產生至關重要的影響。雖然在之前的工作中，他們利用不同結構的二氧化碳基聚碳酸酯得到了具有不同蝕刻性能光刻膠材料，但對于此類新型光刻膠材料的顯影條件和工藝優化尚未全面深入。

  針對這一問題，浙江大學伍廣朋課題組與光電科學與工程學院李強教授課題組再度合作，對聚碳酸環己撐酯電子束光刻膠的顯影工藝首次進行了系統的探究，優化篩選出了最優顯影劑正己烷，最佳顯影溫度0度，最佳顯影時間30 s。在該條件下，PCHC的靈敏度和對比度分別為208 μC/cm²和3.06，并實現了53 nm的分辨率，超過了廣泛使用的PMMA-950k電子束光刻膠，具有實用化前景。

圖1 聚碳酸環己撐酯(PCHC)的合成方法及其表征

  研究者首先通過他們課題組近年開發的高活性無金屬催化劑合成了高分子量PCHC（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 12245），無金屬催化劑的使用從源頭上避免了金屬離子對光刻膠品質的影響，而制備的高分子量聚碳酸環己撐酯又進一步提升了PCHC的光刻性能。

圖2 不同顯影條件下PCHC的對比度曲線及靈敏度、對比度參數

  研究者對顯影劑、顯影溫度、顯影時間三個工藝參數進行了詳細地優化對比：

• 1、篩選了六種良溶劑（甲基異丁基酮、乙酸戊酯、甲苯、氯苯、丙二醇單甲醚醋酸酯、乙腈）、四種不良溶劑（異丙醇、甲醇、正己烷、甲基叔丁基醚）以及四種不同的體積比，得到了最優顯影劑正己烷（靈敏度157 μC/cm²、對比度2.51）；

  
  

• 2、篩選了六組顯影溫度（0-50 °C），發現PCHC的靈敏度隨溫度下降而有所降低，但對比度顯著提高，在0 °C時達到最大；

  
  

• 3、篩選了四組顯影時間（15-120 s），發現顯影時間對光刻性能影響較小，顯影時間越長，靈敏度越高，對比度越低，可以對光刻膠性能進行精細調控。

圖3 PCHC和PMMA-950k的分辨率表征結果

  最后，在相同光刻條件下對PCHC和商業化PMMA-950k電子束光刻膠進行分辨率性能對比，結果顯示PCHC的分辨率為53 nm，高于PMMA-950k（62 nm），綜合性能Z（包含靈敏度、分辨率、線邊緣粗糙度的經驗參數）為1.89×10^-5 μC·nm³，比PMMA-950k小72%，證明PCHC具有更優的電子束光刻性能，成為新一代電子束光刻膠材料的有力競爭者并替代當下廣泛使用的PMMA-950K膠。

  上述研究以《聚碳酸環己撐酯電子束光刻膠顯影工藝優化》為題受邀發表于《應用化學》，并作為本期的封面論文。博士生陸新宇為論文第一作者，伍廣朋研究員為論文通訊作者。該研究得到了浙江省自然科學基金和國家自然科學基金的支持。

  論文信息：陸新宇, 馬彬澤, 羅皓, 齊歡, 李強, 伍廣朋. 二氧化碳基聚碳酸環己撐酯電子束光刻膠顯影工藝優化[J]. 應用化學, 2021, 38(9): 0-0. Optimization of Development Process for Carbon Dioxide-Based Poly(cyclohexene carbonate) Electron Beam Resist, Chinese Journal of Applied Chemistry, 2021, 38(9): 0-0. 

  http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/Y2021/V38/I9/0