刻蚀高性能微芯片的新型工艺

日前，约翰・霍普金斯大学的研究人员发现了新型材料与全新工艺，有望推动微芯片技术的研发进程。当前行业正不断追求制造出更小、运算速度更快且成本更低的微芯片，这类芯片广泛应用于现代电子设备中，从手机到汽车、从家用电器到飞机，几乎无处不在。

该科研团队研发出一种既能保证制造精度、又具备成本效益的工艺，可用于生产尺寸极小、肉眼无法直接观测的电路。相关研究成果已发表在《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering）期刊上。

约翰・霍普金斯大学化学与生物分子工程学教授Michael Tsapatsis表示：“各大企业都制定了未来10年、20年乃至更长期的发展路线图。目前行业面临的一大障碍是，如何在生产线中找到一种工艺，既能快速辐照材料，又能实现绝对精准的控制，从而在制造更小尺寸元件的同时兼顾经济性。”Tsapatsis补充道，用于在极小尺寸基底上刻印电路的先进激光技术已实际存在，但研究人员仍需新型材料与工艺，以满足微芯片不断向更小尺寸发展的需求。

微芯片是一种印有电路的扁平硅片，可执行基础运算功能。在生产过程中，制造商首先会在硅晶圆表面涂抹一层对辐射敏感的材料，形成一层极薄的涂层，这种涂层被称为 “光刻胶”（resist）。当辐射束照射到光刻胶上时，会触发化学反应，在晶圆表面刻蚀出精细图案，进而形成电路结构。

然而，要在芯片上刻蚀出更小尺寸的精细结构，就需要使用更高功率的辐射束，但传统光刻胶与这类高功率辐射束的相互作用强度不足，无法满足需求。

此前，Tsapatsis实验室与约翰・霍普金斯大学Fairbrother研究组的研究人员已发现，由新型金属有机化合物制成的光刻胶，能够适配一种名为B-EUV的高功率辐射工艺。该工艺有望将芯片元件的尺寸缩小至现有10纳米标准尺寸以下。锌等金属可吸收B-EUV光并产生电子，这些电子能引发化学反应，从而在一种名为咪唑（imidazole）的有机材料上刻印电路图案。

此次研究的突破之处在于，科研人员首次实现了在硅晶圆尺度上，通过溶液法沉积这种咪唑基金属有机光刻胶，并能以纳米级精度控制涂层厚度。为研发出将金属有机材料涂覆到硅晶圆表面所需的化学方法，该团队整合了来自约翰・霍普金斯大学、华东理工大学、瑞士洛桑联邦理工学院、苏州大学、美国布鲁克海文国家实验室以及劳伦斯伯克利国家实验室的实验数据与模型。他们将这种新方法命名为 “化学液相沉积法”（简称 CLD），该方法具备精确设计的可能性，且能让研究人员快速测试金属与咪唑的多种组合方案。

Tsapatsis指出：“通过调整金属与咪唑这两种组分，我们可以改变材料的吸光效率以及后续化学反应的特性，这为开发新型金属-有机组合方案开辟了空间。令人振奋的是，至少有10种不同的金属可用于该化学反应，而适用的有机化合物更是多达数百种。”

目前，研究人员已开始测试不同的金属-有机组合，旨在开发出专门适配B-EUV辐射工艺的光刻胶。他们表示，B-EUV工艺有望在未来10年内应用于芯片量产。

Tsapatsis解释道：“不同波长的辐射与不同元素的相互作用方式存在差异，某种金属可能在某一波长下效果不佳，但在另一波长下却能表现出色。例如，锌在极紫外辐射（EUV）中表现平平，但在B-EUV辐射中却是性能最佳的金属之一。”