“我們搭建了能在大尺寸晶圓上均勻沉積 10 余種下一代先進(jìn)光刻膠的技術(shù)平臺(tái)體系，這也是目前全球最早報(bào)道的在溶液體系沉積咪唑類金屬有機(jī)光刻膠的研究之一，并且具備晶圓級(jí)規(guī)模和納米級(jí)的厚度精度。”近日，華東理工大學(xué)“計(jì)算傳遞與原子級(jí)制造研究室”莊黎偉教授告訴 DeepTech。

圖 | 莊黎偉（來(lái)源：莊黎偉）

在這一研究中，他和團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真交叉對(duì)比來(lái)獲得旋涂化學(xué)液相沉積動(dòng)力學(xué)特征，并實(shí)現(xiàn)了光刻膠的可控制備、全面表征和光刻驗(yàn)證。他們通過(guò)一臺(tái) 3D 打印型流動(dòng)化學(xué)液相沉積裝置，構(gòu)建一個(gè)確定的流體力學(xué)環(huán)境，然后在這一前提條件之下，去量化化學(xué)液相沉積薄膜沉積的本征動(dòng)力學(xué)特征，以及提出反應(yīng)速率的表達(dá)式，進(jìn)而在大面積光刻膠制備中，為構(gòu)造新的流體力學(xué)環(huán)境提供指導(dǎo)。

這種非晶態(tài)沸石咪唑酯骨架薄膜及其制備工藝，有望在超越極紫外的下一代光刻中得到應(yīng)用。但是，由于光刻硬件配套、集成電路整條產(chǎn)線的同步更新等一系列因素，要想真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。另外，本次成果中的相關(guān)材料和工藝也可用于膜分離——這也是論文合作團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)研究方向。

（來(lái)源：課題組）

用更短波長(zhǎng)之光源，在光刻膠刻出更精密之圖案

制造更小、更快且更加具備性價(jià)比的先進(jìn)芯片，需要采用更短波長(zhǎng)的光源在光刻膠上雕刻出更精密的圖案。此前，莊黎偉和美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)邁克爾·薩帕希斯（Michael Tsapatsis）教授團(tuán)隊(duì)、霍華德·費(fèi)爾布羅斯（Howard Fairbrother）教授團(tuán)隊(duì)合作，在硅片上制備了幾十納米厚的金屬有機(jī)物薄膜，并發(fā)現(xiàn)該薄膜可以作為正型和負(fù)型電子束光刻膠，同時(shí)也可以吸收 6.5-6.7 納米波長(zhǎng)的短波輻射，能夠滿足超越極紫外光刻（B-EUV，beyond-Extreme Ultraviolet Lithography）工藝。

然而，工業(yè)級(jí)芯片制造的光刻工藝需要在 20-30 厘米直徑的晶圓表面，涂覆厚度均勻、成分均勻的光刻膠。并且，為了滿足先進(jìn)光刻工藝要求，光刻膠厚度需要處于幾十到上百納米的數(shù)量級(jí)。因此，如何在大面積晶圓上沉積納米級(jí)厚度且均勻的光刻膠，成為亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

研究初期，莊黎偉和合作者采用原子層沉積（ALD，Atomic Layer Deposition）/分子層沉積（MLD，Molecular Layer Deposition）方法實(shí)現(xiàn)了金屬有機(jī)光刻膠的制備。由于原子層沉積/分子層沉積方法在理論上具有單原子層/分子層鍍膜的精度并且非常均勻，因此就像刷墻一樣，一次刷 0.1-1 納米厚度的薄膜，只需多刷幾次就能達(dá)到指定厚度，頗具實(shí)用優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。然而，這種光刻膠制備方法與現(xiàn)有光刻機(jī)臺(tái)及其配套工藝兼容度不高，主要是因?yàn)槟壳爸髁骷夹g(shù)依然是采用旋涂法。

在更早之前的合作中，薩帕希斯教授團(tuán)隊(duì)與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院庫(kù)馬爾·瓦隆·阿格拉瓦爾（Kumar Varoon Agrawal）教授、劉琦教授（現(xiàn)蘇州大學(xué)）針對(duì)旋涂化學(xué)液相沉積（CLD，Chemical Liquid Deposition）制備非晶態(tài)沸石咪唑酯骨架（aZIF，amorphous Zeolitic Imidazolate Framework）薄膜開(kāi)展了一項(xiàng)初步探索。

薩帕希斯教授團(tuán)隊(duì)在確認(rèn)使用旋涂化學(xué)液相沉積方法制備非晶態(tài)沸石咪唑酯骨架的可行性之后，該團(tuán)隊(duì)的繆宇潤(rùn)博士開(kāi)始正式探索薄膜沉積工藝。光刻膠配方和小面積的制備只是第一步，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的光刻膠制備和應(yīng)用才是最終目標(biāo)。然而，薄膜沉積工藝的探索并非易事，它涉及到流體力學(xué)、傳遞過(guò)程和薄膜沉積過(guò)程的多尺度耦合。因此，薄膜沉積工藝的探索，需要制定合理的方案。

與此同時(shí)，莊黎偉于 2019-2020 年在薩帕希斯教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了原子層沉積反應(yīng)器和薄膜沉積工藝的多尺度模擬研究。回國(guó)之后，莊黎偉受邀參與薩帕希斯教授主持的美國(guó)能源部項(xiàng)目，雙方在原子層沉積、分子層沉積等薄膜沉積方面一直保持著“中方仿真、美方實(shí)驗(yàn)”的遠(yuǎn)程科研合作模式，先后聯(lián)合發(fā)表了一系列論文 [1-3]。另外，在莊黎偉更早期的研究中，他曾研究過(guò)各類化工反應(yīng)器以及膜分離裝置的計(jì)算流體力學(xué)，這為后續(xù)開(kāi)展的光刻膠聯(lián)合研究以及提出合理的薄膜沉積工藝探索方案奠定了基礎(chǔ)。

（來(lái)源：資料圖）

當(dāng)一位工程院院士在半夜推導(dǎo)公式

談及化學(xué)液相沉積工藝的探索過(guò)程，莊黎偉表示大約在兩年前他和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：在流動(dòng)化學(xué)模式之下，薄膜沉積厚度會(huì)沿流動(dòng)方向呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，這種薄膜分布趨勢(shì)也符合定性判斷，但是他和團(tuán)隊(duì)無(wú)法確認(rèn)在整條硅片上，質(zhì)量傳遞邊界層是否已經(jīng)得到充分發(fā)展。而對(duì)于這一問(wèn)題的確定，決定著他們到底該用哪種解析公式去獲得前驅(qū)體的擴(kuò)散系數(shù)。在研究這一問(wèn)題時(shí)，讓莊黎偉印象極其深刻的是，年近 60 歲的察帕蒂斯教授在美東時(shí)間半夜 2 點(diǎn) 30 分左右，給莊黎偉團(tuán)隊(duì)發(fā)了含有 7 頁(yè)手稿內(nèi)容的照片，上面是密密麻麻的傳遞過(guò)程偏微分方程及其推導(dǎo)過(guò)程，旨在用于獲得質(zhì)量傳遞邊界層的厚度以及前驅(qū)體的濃度分布，進(jìn)而可以解釋薄膜厚度不均勻分布的原因?！斑@件事給我?guī)?lái)了不小的震撼！一位美國(guó)國(guó)家工程院院士，竟然會(huì)半夜花幾個(gè)小時(shí)去推導(dǎo)公式?！鼻f黎偉表示。

最終，相關(guān)論文以《非晶態(tài)沸石咪唑酯骨架薄膜的旋涂沉積用于光刻應(yīng)用》（Spin-on deposition of amorphous zeolitic imidazolate framework films for lithography applications）為題發(fā)在Nature Chemical Engineering[4]。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Chemical Engineering）

據(jù)介紹，莊黎偉課題組長(zhǎng)期從事原子層沉積、分子層沉積、原子層刻蝕、化學(xué)液相沉積模型/模擬方法和工藝裝備開(kāi)發(fā)技術(shù)，以及其在芯片制造、光刻膠制備、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能強(qiáng)化等方面的應(yīng)用研究。未來(lái)，他和團(tuán)隊(duì)會(huì)針對(duì)更詳細(xì)的薄膜沉積動(dòng)力學(xué)、大面積晶圓/三維立體基底的均勻鍍膜等問(wèn)題，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和仿真的協(xié)同研究，同時(shí)也會(huì)面向光刻、膜分離以及其他領(lǐng)域開(kāi)展研究。

莊黎偉補(bǔ)充稱：“我還想談?wù)劵谙乱淮饪痰募呻娐分圃斓南到y(tǒng)性變革問(wèn)題?！?strong>如能實(shí)現(xiàn)超越極紫外光刻工藝，將能讓集成電路實(shí)現(xiàn)更小的形貌絕對(duì)尺寸。首先集成電路制造是一個(gè)系統(tǒng)整體，而先進(jìn)光刻必然需要更先進(jìn)的薄膜沉積工藝和刻蝕工藝，因此會(huì)對(duì)整個(gè)制造流程提出更加嚴(yán)苛的精度要求和可靠性要求。作為一支深耕原子層沉積、原子層刻蝕工藝與機(jī)臺(tái)仿真技術(shù)的課題組，莊黎偉團(tuán)隊(duì)未來(lái)也將同步開(kāi)展更小尺寸深孔內(nèi)薄膜沉積、刻蝕的多尺度仿真研究，力爭(zhēng)與先進(jìn)光刻工藝發(fā)展實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。

參考資料：

1.Liwei Zhuang#*, Peter Corkery#, Dennis T. Lee#, Seungjoon Lee, Mahdi Kooshkbaghi, Zhen-liang Xu, Gance Dai, Ioannis G. Kevrekidis, Michael Tsapatsis*. Numerical simulation of atomic layer deposition for thin deposit formation in a mesoporous substrate.AIChE Journal, 2021. 67(8): e17305.

2.Hao Gu#, Dennis T. Lee#, Peter Corkery#, Yurun Miao, Jung-Sik Kim, Yuchen Yuan, Zhen-liang Xu, Gance Dai, Gregory N. Parsons, Ioannis G. Kevrekidis, Liwei Zhuang*, Michael Tsapatsis*. Modeling of deposit formation in mesoporous substrates via atomic layer deposition: Insights from pore-scale simulation.AIChE Journal, 2022. 68(12): e17889.

3.Yuchen Yuan#, Huihui Ping#, Dennis T. Lee, Peter Corkery, Zhen Zhang, Cui Liu, Shuang-Mei Xue, Liwei Zhuang*, Michael Tsapatsis. CFD Simulation of the Dosing Behavior within the Atomic Layer Deposition Feeding System.Industrial & Engineering Chemistry Research, 2023. 62, 23: 9335-9347.

4.Yurun Miao, Shunyi Zheng, Kayley E. Waltz, Mueed Ahmad, Xinpei Zhou, Yegui Zhou, Heting Wang, J. Anibal Boscoboinik, Qi Liu, Kumar Varoon Agrawal, Oleg Kostko, Liwei Zhuang*, Michael Tsapatsis*.Nature Chemical Engineering, 2025, 2(9): 594–607.

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍