隨著集成電路制程已接近物理極限，其加工成本飆升。以2 nm節(jié)點(diǎn)為例，單片晶圓加工成本已突破三萬(wàn)美元，嚴(yán)重?cái)D壓先進(jìn)制程的盈利空間。在集成電路制造流程中，光刻圖案化環(huán)節(jié)占據(jù)總成本的60%，因此開(kāi)發(fā)兼具高精度與低成本的新一代圖案化技術(shù)成為IC產(chǎn)業(yè)的迫切需求。自組裝（DSA）、納米壓?。∟IL）等替代方案因其各自?xún)?yōu)勢(shì)而受到業(yè)界青睞，并已獲得數(shù)十億美元研發(fā)投入，但由于種種技術(shù)瓶頸，至今仍未能全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化替代。

近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馮繼成課題組成功開(kāi)發(fā)出一種新型圖案化加工方案，可與IC制程無(wú)縫銜接。相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nano Letters。

馮繼成課題組使用自研的法拉第3D打印技術(shù)（Faraday 3D printing），利用其電場(chǎng)本征的聚焦能力，將原圖案特征尺寸縮小至少十倍，然后將所打印的金屬納米結(jié)構(gòu)作為硬掩膜進(jìn)一步刻蝕，獲得了基于硅片和石英基底的高質(zhì)量圖案（圖1）。因該技術(shù)首先通過(guò)法拉第3D打印進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的硬掩模制造，然后通過(guò)刻蝕基底材料獲得圖案，故延續(xù)了法拉第3D打印的命名方式，將該加工方式命名為Faraday lithography（FL，法拉第轉(zhuǎn)?。?/span>，該工作中展示了35 nm的加工精度（注：目前主流光刻手段分辨率：DUVL–38 nm, EUVL–8 nm, EBL–8 nm）。

圖1. FL工藝流程以及所制備的圖案。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)FL制備的50 nm線(xiàn)寬圖案，其邊緣粗糙度（LER, 3σ）僅為亞納米級(jí)（0.9 nm，圖2）。

圖2. FL圖案的質(zhì)量表征。

此外，研究還證實(shí)了FL的良好工藝兼容性：在處理復(fù)雜圖案方面的可靠能力，及不受基底限制的加工能力（圖3）。例如，由于光刻采用光來(lái)寫(xiě)圖案，所以基底透明度對(duì)于其參數(shù)選擇有重要影響。對(duì)于FL，雖然首先通過(guò)預(yù)設(shè)的電場(chǎng)拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行打印納米結(jié)構(gòu)，但基底的導(dǎo)電性與否以及透明與否并不影響用戶(hù)獲得高質(zhì)量的圖案。

圖3. FL對(duì)于不同圖案以及基底的適配度。

除二維圖案外，F(xiàn)L具備獨(dú)特的三維圖案化加工能力（圖4）。這源于法拉第3D打印對(duì)于納米級(jí)精度結(jié)構(gòu)的高空間自由度。所打印的復(fù)雜的三維納米結(jié)構(gòu)定義了金屬腐蝕液可以通過(guò)的路徑，從而制備出傳統(tǒng)光刻技術(shù)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的納米級(jí)三維孔洞結(jié)構(gòu)。除在IC制程中的應(yīng)用外，此類(lèi)結(jié)構(gòu)在超構(gòu)材料、微流控、光子晶體等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

圖4. 通過(guò)FL加工三維圖案。

馮繼成課題組自研的FL設(shè)備不僅在制造成本有顯著優(yōu)勢(shì)，其功耗甚至低于滿(mǎn)載狀態(tài)下的RTX 5090顯卡。這不僅為FL在IC產(chǎn)線(xiàn)中的部署奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為構(gòu)建下一代綠色半導(dǎo)體工廠(chǎng)的低碳工藝流程提供了切實(shí)可行的解決方案。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2024級(jí)博士生殷鈺祥為本文第一作者，通訊作者為馮繼成教授。本工作由上?？萍即髮W(xué)與聯(lián)合微電子中心合作完成，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

論文標(biāo)題：Faraday Lithography

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00563