华理团队联合打造晶圆级光刻胶沉积技术，成功通过下一代光刻验证

“我们搭建了能在大尺寸晶圆上均匀沉积 10 余种下一代先进光刻胶的技术平台体系，这也是目前全球最早报道的在溶液体系沉积咪唑类金属有机光刻胶的研究之一，并且具备晶圆级规模和纳米级的厚度精度。”近日，华东理工大学“计算传递与原子级制造研究室”庄黎伟教授告诉 DeepTech。

在这一研究中，他和团队通过实验和仿真交叉对比来获得旋涂化学液相沉积动力学特征，并实现了光刻胶的可控制备、全面表征和光刻验证。他们通过一台 3D 打印型流动化学液相沉积装置，构建一个确定的流体力学环境，然后在这一前提条件之下，去量化化学液相沉积薄膜沉积的本征动力学特征，以及提出反应速率的表达式，进而在大面积光刻胶制备中，为构造新的流体力学环境提供指导。

这种非晶态沸石咪唑酯骨架薄膜及其制备工艺，有望在超越极紫外的下一代光刻中得到应用。但是，由于光刻硬件配套、集成电路整条产线的同步更新等一系列因素，要想真正实现工业应用还需要一定的时间。另外，本次成果中的相关材料和工艺也可用于膜分离——这也是论文合作团队的另一个研究方向。

用更短波长之光源，在光刻胶刻出更精密之图案

制造更小、更快且更加具备性价比的先进芯片，需要采用更短波长的光源在光刻胶上雕刻出更精密的图案。此前，庄黎伟和美国约翰霍普金斯大学迈克尔·萨帕希斯（Michael Tsapatsis）教授团队、霍华德·费尔布罗斯（Howard Fairbrother）教授团队合作，在硅片上制备了几十纳米厚的金属有机物薄膜，并发现该薄膜可以作为正型和负型电子束光刻胶，同时也可以吸收 6.5-6.7 纳米波长的短波辐射，能够满足超越极紫外光刻（B-EUV，beyond-Extreme Ultraviolet Lithography）工艺。

然而，工业级芯片制造的光刻工艺需要在 20-30 厘米直径的晶圆表面，涂覆厚度均匀、成分均匀的光刻胶。并且，为了满足先进光刻工艺要求，光刻胶厚度需要处于几十到上百纳米的数量级。因此，如何在大面积晶圆上沉积纳米级厚度且均匀的光刻胶，成为亟需解决的技术问题。

研究初期，庄黎伟和合作者采用原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition）/分子层沉积（MLD，Molecular Layer Deposition）方法实现了金属有机光刻胶的制备。由于原子层沉积/分子层沉积方法在理论上具有单原子层/分子层镀膜的精度并且非常均匀，因此就像刷墙一样，一次刷 0.1-1 纳米厚度的薄膜，只需多刷几次就能达到指定厚度，颇具实用优势和应用前景。然而，这种光刻胶制备方法与现有光刻机台及其配套工艺兼容度不高，主要是因为目前主流技术依然是采用旋涂法。

在更早之前的合作中，萨帕希斯教授团队与瑞士洛桑联邦理工学院库马尔·瓦隆·阿格拉瓦尔（Kumar Varoon Agrawal）教授、刘琦教授（现苏州大学）针对旋涂化学液相沉积（CLD，Chemical Liquid Deposition）制备非晶态沸石咪唑酯骨架（aZIF，amorphous Zeolitic Imidazolate Framework）薄膜开展了一项初步探索。

萨帕希斯教授团队在确认使用旋涂化学液相沉积方法制备非晶态沸石咪唑酯骨架的可行性之后，该团队的缪宇润博士开始正式探索薄膜沉积工艺。光刻胶配方和小面积的制备只是第一步，实现工业级的光刻胶制备和应用才是最终目标。然而，薄膜沉积工艺的探索并非易事，它涉及到流体力学、传递过程和薄膜沉积过程的多尺度耦合。因此，薄膜沉积工艺的探索，需要制定合理的方案。

与此同时，庄黎伟于 2019-2020 年在萨帕希斯教授团队开展了原子层沉积反应器和薄膜沉积工艺的多尺度模拟研究。回国之后，庄黎伟受邀参与萨帕希斯教授主持的美国能源部项目，双方在原子层沉积、分子层沉积等薄膜沉积方面一直保持着“中方仿真、美方实验”的远程科研合作模式，先后联合发表了一系列论文 [1-3]。另外，在庄黎伟更早期的研究中，他曾研究过各类化工反应器以及膜分离装置的计算流体力学，这为后续开展的光刻胶联合研究以及提出合理的薄膜沉积工艺探索方案奠定了基础。

当一位工程院院士在半夜推导公式

谈及化学液相沉积工艺的探索过程，庄黎伟表示大约在两年前他和团队发现：在流动化学模式之下，薄膜沉积厚度会沿流动方向呈现出逐渐降低的趋势，这种薄膜分布趋势也符合定性判断，但是他和团队无法确认在整条硅片上，质量传递边界层是否已经得到充分发展。而对于这一问题的确定，决定着他们到底该用哪种解析公式去获得前驱体的扩散系数。在研究这一问题时，让庄黎伟印象极其深刻的是，年近 60 岁的察帕蒂斯教授在美东时间半夜 2 点 30 分左右，给庄黎伟团队发了含有 7 页手稿内容的照片，上面是密密麻麻的传递过程偏微分方程及其推导过程，旨在用于获得质量传递边界层的厚度以及前驱体的浓度分布，进而可以解释薄膜厚度不均匀分布的原因。“这件事给我带来了不小的震撼！一位美国国家工程院院士，竟然会半夜花几个小时去推导公式。”庄黎伟表示。

最终，相关论文以《非晶态沸石咪唑酯骨架薄膜的旋涂沉积用于光刻应用》（Spin-on deposition of amorphous zeolitic imidazolate framework films for lithography applications）为题发在Nature Chemical Engineering[4]。

据介绍，庄黎伟课题组长期从事原子层沉积、分子层沉积、原子层刻蚀、化学液相沉积模型/模拟方法和工艺装备开发技术，以及其在芯片制造、光刻胶制备、钙钛矿太阳能电池性能强化等方面的应用研究。未来，他和团队会针对更详细的薄膜沉积动力学、大面积晶圆/三维立体基底的均匀镀膜等问题，开展实验和仿真的协同研究，同时也会面向光刻、膜分离以及其他领域开展研究。

庄黎伟补充称：“我还想谈谈基于下一代光刻的集成电路制造的系统性变革问题。”如能实现超越极紫外光刻工艺，将能让集成电路实现更小的形貌绝对尺寸。首先集成电路制造是一个系统整体，而先进光刻必然需要更先进的薄膜沉积工艺和刻蚀工艺，因此会对整个制造流程提出更加严苛的精度要求和可靠性要求。作为一支深耕原子层沉积、原子层刻蚀工艺与机台仿真技术的课题组，庄黎伟团队未来也将同步开展更小尺寸深孔内薄膜沉积、刻蚀的多尺度仿真研究，力争与先进光刻工艺发展实现协同创新。

参考资料：

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.

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