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華科大朱明強教授聯合湖北九峰山實驗室柳俊教授/向詩力博士團隊 CEJ:二元協同增強型化學放大膠助力半導體光刻制造
2024-02-22  來源:高分子科技

  中國正進入芯片高速發展期,光刻膠作為半導體制造不可或缺的材料,技術門檻高,而國內光刻膠整體技術水平遠遠落后國際先進水平,自給率較低,且集中在低端產品。該行業目前主要被美日企業把持,國內市場正面臨“卡脖子”困局。此外,市場上制程穩定性高、工藝寬容度大且普適性強的光刻膠產品屈指可數,當半導體制造節點進入sub-100 nm,甚至是sub-10 nm,如何產生分辨率高且截面形貌優良、線邊緣粗糙度(LER)低的光刻圖形,成為光刻制造的共性主題。半導體市場持續擴大,如何進一步降本增效,也是大家共同努力的方向。而具備二元協同光響應機制的光刻膠有望上述問題提供明確的方向同時為EUV光刻膠的著力開發做技術儲備。


  近日,華中科技大學武漢光電國家研究中心朱明強教授團隊,聯合湖北九峰山實驗室,分別以光敏單元:4,5-二甲氧基-2-硝基芐基甲基丙烯酸酯MONMA)與光致產酸劑(PAG4,5-二甲氧基-2-硝基苯對甲苯磺酸MONS構建雙非離子型光酸協同增強響應的化學放大光刻膠(CAR)。光照下,聚合物基質中自由分散的MONS光解成游離的磺酸小分子強酸,而聚合物鏈上的MONMA形成局域化羧酸單元,兩種酸通過二元同步協同催化叔丁基甲基丙烯酸酯(TBMA)保護基團轉化為可溶解于2.38% TMAH水基顯影液的羧酸(1)。TBMA生成的羧酸反過來可催化TBMA產生更多的羧酸,顯著加快酸單元的擴散增殖,可明顯降低光刻膠對曝光系統光照強度的要求 


1. 雙非離子型光酸協同增強響應化學放大光刻膠的合成及其光刻工藝示意圖。


  該體系中,因MONMAMONS分子結構的高度相似性,MONS分子可完全分散溶解于三元聚合物P(MONMA-HEMA-TBMA)體系中,而不會出現相分離,以確保最終的光刻效果。此外,研究已表明HEMA的引入顯著提高了光刻膠膜的完整性及其Si襯底的附著力,并同步降低涂膠過程中defect的產生,而不會明顯降低聚合物整體的光敏性。更為重要的是,MONS的光解速率遠大于MONMA基團。紫外吸收光譜顯示,相同輻照條件下,MONMA的轉化率約44%MONS的轉化率高達61%2);光酸轉化率太低或太高都不利于分辨率的提升,還會惡化LER。而MONS/MONMA二元配合體系,互相調制,將最終生成的光酸濃度控制在最佳范圍,因此該體系光刻膠的LER低且分辨率高。 


2. 幾種不同光刻膠體系在紫外光輻照下膜層的紫外吸收光譜動態變化(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)


  該工作通過對PAG含量、前烘工藝、曝光后烘PEB溫度與時間的大量探究實驗,確定體系中各單元的最佳微含量,最終將顯影時間降低至30 s,其PEB溫度與時間分別低至90 ℃min,完全符合半導體量產制造中對吞吐量和生產效率的需求,且性能比大多數商用光刻膠更優良。在光學顯微鏡和掃描電鏡的多重驗證下,最終得到的光刻圖像形貌與線邊緣粗糙度優良,space圖案寬度值正態分布的標準差(SD)極小,約0.053)。 


3.a)光刻顯影后P(MONMA-HEMA-TBMA)化學放大膠的光學顯微鏡效果圖;(b)光刻膠十字圖案表面形貌的掃描電鏡圖像;(c)光刻膠溝道圖案表面形貌的掃描電鏡圖像;(d)光刻膠溝道圖案寬度正態分布。


  以上相關成果發表在Chemical Engineering Journal (IF=15.1)Dual nonionic photoacids synergistically enhanced photosensitivity for chemical amplified resists。項目由國家自然科學基金、973計劃共同資助,論文第一作者為華中科技大學光電國家研究中心碩士生彭玲艷,主要作者為華中科技大學光電國家研究中心朱明強教授(通訊),湖北九峰山實驗室工藝中心柳俊教授向詩力博士(通訊)。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148810


通訊作者簡介

朱明強教授,2001年畢業于北京大學,獲理學博士學位。現任職華中科技大學武漢光電國家研究中心教授。在JACS、Nano energy、Nat. Commun.與Adv. Mater.等國際頂刊上發表了100多篇論文,獲2017年北京市自然科學二等獎和2023年湖北省自然科學二等獎,于2018年入選英國皇家化學學會會士。目前的研究重點集中于光刻制造、有機納米光電子學和超分辨率成像。


柳俊教授,2014年畢業于香港城市大學,獲理學博士學位。曾先后獲湖北省“百人計劃”,“3551光谷”,深圳市“海外高層人才孔雀計劃”,深圳市龍崗區 “龍崗區高層次人才” 等人才稱號。于2021年加入湖北九峰山實驗室,任工藝中心主管。在Nanomaterials、ACS APM、Appl. Phys. Lett.和Solid-State Electronics等國際頂刊上發表多篇論文。目前主要負責化合物半導體的制造、加工和表征。



向詩力博士,2021年畢業于華中科技大學武漢光電國家實驗室,獲理學博士學位。在Nano energy、ACS APM、Chem. Eng. J. 與Chem. Mater.等國際頂刊上發表多篇論文。曾獲“3551光谷優秀青年人才” 稱號。2022年加入湖北九峰山實驗室,目前主要負責半導體光刻制造的前端研發。

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(責任編輯:xu)
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