近日，美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室，即功能纳米材料研究中心（CFN）的科学家们采用最新开发的渗透合成技术，创造出有机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与无机氧化铝结合而成的光刻胶。由于低成本和高分辨率，PMMA是电子束光刻技术（EBL）中最广泛使用的光刻胶。在这种光刻技术中，电子被用于创造图案模板。然而，对于生成超小特征尺寸所必要的光刻胶厚度来说，当图案被蚀刻到硅中时，通常会开始降解，无法产生所需的大“高宽比”（高度与宽度之间的比例）。
为了提高电子器件的处理速度并降低其功耗，微电子工业持续不懈地努力争取让特征尺寸越变越小。在现今的手机中，晶体管通常是10纳米（nm）的宽度，相当于50个硅原子的宽度，甚至更小。
1纳米晶体管示意图。(图片来源: Sujay Desai/加州大学伯克利分校)
以较高的精度将晶体管缩小至这种尺寸以下，需要采用先进的材料来进行光刻。光刻技术，是指在硅晶圆上印刷电路元件以生产电子芯片的主要技术。其中一项挑战就是开发耐用的“光刻胶”，或者说是用作模板的材料，将电路图案转移到对器件有用的衬底（例如硅）中。
下图（从左到右）：Ashwanth Subramanian、Ming Lu、Kim Kisslinger、Chang-Yong Nam、Nikhil Tiwale 在布鲁克海文国家实验室功能纳米材料研究中心。科学家们采用扫描电子显微镜拍摄采用“杂化”有机-无机光刻胶蚀刻的高分辨、大高宽比的硅纳米结构图像。
（图片来源：布鲁克海文国家实验室）
正如7月8日在线发表在《Journal of Materials Chemistry C》期刊上的一篇论文所报告的，这些“杂化”有机-无机光刻胶具有较高的光刻对比度，并实现了大高宽比的高分辨率硅纳米结构图案。科学家们通过改变渗入PMMA的氧化铝（或者一种不同的无机元素）的量，可以针对特定应用来调整这些参数。例如，新一代的存储器件（例如闪存驱动器）将基于三维堆叠结构来增加存储密度，因此需要极大的高宽比；另一方面，很高的分辨率是未来处理器芯片最重要的特征。
功能纳米材料研究中心电子纳米材料小组的博士后研究员、论文第一作者 Nikhil Tiwale 表示：“我们并不是采用全新的合成方案，而是采用了一种现存的光刻胶，一种廉价的金属氧化物，以及几乎每个纳米制造设施中都可以找到的普通设备。”
尽管科学家们之前提出过其他的杂化光刻胶，但是它们大多需要高电子剂量（强度），涉及复杂的化学合成方案，或者需要昂贵的专有成分。因此，这些光刻胶不适合高速、批量地生产新一代电子器件。
传统意义上说，微电子工业依赖于光学光刻技术，但是它的分辨率受到照射光刻胶的光线波长的限制。然而，电子束光刻技术及其他纳米光刻技术，例如极紫外光刻技术（EUVL），可以突破这一限制，因为电子和高能紫外光的波长非常短。两项技术之间的主要差别就是曝光过程。
Tiwale 表示：“在电子束光刻技术中，你需要逐行地写入你需要曝光的所有区域，有点像用铅笔进行素描。相比而言，在极紫外光刻技术中，你可以一次曝光所有的区域，类似于拍照。从这个角度来说，电子束光刻技术非常适合研究用途，而极紫外光刻技术更适合批量生产。我们相信，我们为电子束光刻技术所演示的方案，可直接应用于极紫外光刻技术，近期包括三星在内的多家公司正开始采用极紫外光刻技术，为他们的7纳米技术节点开发制造工艺。”
在这项研究中，科学家们采用原子层沉积（ALD）系统，一种在表面上沉积超薄薄膜的标准纳米制造设备，将PMMA与氧化铝结合起来。他们在将涂有PMMA薄膜的衬底放到ALD反应室中之后，引入了铝前驱物蒸汽。这个蒸汽通过PMMA母体内部的微小分子孔扩散，与聚合物链内部的化学物质结合到一起。然后，他们引入了另一种前驱物（例如水），与第一个前驱物反应形成PMMA母体内部的氧化铝。这些步骤一起构成了一个处理周期。
下面的示意图展示了创造杂化有机-无机光刻胶的过程，这个过程包括渗透合成、采用电子束光刻技术蚀刻光刻胶、采用六氟化硫（SF6）离子轰击硅表面将图案蚀刻到硅中。
（图片来源：布鲁克海文国家实验室）
然后，团队采用经过达8个处理周期的杂化光刻胶进行电子束光刻。为了描述不同电子剂量下的光刻胶的对比度，科学家们测量了曝光区域中的光刻胶厚度的变化。原子力显微镜（一种用原子线度的极细针尖追踪表面地形的显微镜）生成的表面高度地图，以及通过椭圆偏振技术（一种基于从表面反射的偏振光的变化判断薄膜厚度的技术）获得的光学测量值表明，厚度在少量的处理周期中逐渐变化，但却在附加的周期（例如较高的氧化铝含量）中迅速变化。
功能纳米材料研究中心电子纳米材料小组的科学家 Chang-Yong Nam 监督了这个项目，并与德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程系教授 Jiyoung Kim 一起构思了这个想法。他解释道：“这个对比度是指光刻胶在受到电子束照射后变化得有多快。曝光区域高度的陡变表明，对于更大数量的渗透周期来说，光刻胶的对比度增加了，大约是原始PMMA光刻胶的6倍以上。”
科学家们也采用杂化光刻胶在硅衬底中蚀刻周期性的直线和“弯头”（交叉线）图案，并将光刻胶的蚀刻速率与衬底进行比较。
下图左：不同特征尺寸（线宽）的硅弯头形纳米图案的扫描电子显微镜（SEM）图像。右：以高分辨率、大高宽比光刻的纳米图案的高倍放大SEM图像，间距分辨率（线宽加上空隙宽度，或者说是线之间的空隙）为500纳米。
（图片来源：布鲁克海文国家实验室）
Nam 表示：“你需要让硅蚀刻得比光刻胶更快；否则光刻胶就会开始降解。我们发现，我们的杂化光刻胶的蚀刻选择比，比昂贵的专有光刻胶（例如ZEP）和采用中度‘坚硬’的掩膜层（例如二氧化硅）防止图案退化的技术的蚀刻选择比要更高，但是需要附加的处理步骤。”
如下图所示，在两个处理周期之后，杂化光刻胶的蚀刻选择比超过了ZEP（一种昂贵的光刻胶）。在四个周期之后，杂化光刻胶比二氧化硅（SiO2）的蚀刻选择比高40%。
（图片来源：布鲁克海文国家实验室）
团队将研究杂化光刻胶是如何响应极紫外线照射的。他们已经开始采用布鲁克海文国家实验室国家同步辐射光源II（NSLS-II）的软X射线（与极紫外线波长相对应的能量范围），并希望与工业伙伴合作采用劳伦斯柏克利国家实验室先进光源（ALS）X射线光学中心的专用极紫外线光束。
Nam 表示：“极紫外光刻技术光刻胶的有机层吸收的能量非常微弱。添加无机元素，例如锡或锆，可以使得它们对于极紫外线更加敏感。我们希望探索我们的方案如何才能满足极紫外光刻技术的光刻胶性能要求。”
