文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了定向自組裝光刻技術(shù)的原理以及各種實(shí)現(xiàn)方法。

定向自組裝光刻技術(shù)通過材料科學(xué)與自組裝工藝的深度融合，正在重構(gòu)納米制造的工藝組成。主要內(nèi)容包含圖形結(jié)構(gòu)外延法、化學(xué)外延法及圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。

BCP微相分離

一、嵌段共聚物微相分離原理

定向自組裝光刻技術(shù)（DSA）的核心在于利用嵌段共聚物（BCP）的微相分離特性實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的自主形成。

以PS-b-PMMA（聚苯乙烯-block-聚甲基丙烯酸甲酯）為例，其相分離行為遵循熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的自發(fā)過程：

1.相分離驅(qū)動(dòng)力

Flory-Huggins相互作用參數(shù)（χN）是決定相分離強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)，其中χ表征兩嵌段間的不相容性，N為總聚合度。當(dāng)χN<10時(shí)發(fā)生弱相分離，形成無序結(jié)構(gòu)；當(dāng)χN≥10時(shí)發(fā)生強(qiáng)相分離，形成有序周期性結(jié)構(gòu)。

2.形態(tài)學(xué)調(diào)控

嵌段體積分?jǐn)?shù)（f）決定相結(jié)構(gòu)：f<0.3時(shí)形成PMMA球狀相（S相）；0.30.6時(shí)形成PS球狀相。

層狀相（L相）間距（L）由公式L=√(2γ/Δσ)決定，其中γ為界面能，Δσ為應(yīng)力差。通過調(diào)節(jié)χ值（如引入含氟單體）可將間距控制在14-40nm。

3.界面能工程

襯底表面能調(diào)控：通過沉積中性層（如PS-r-PMMA-HEMA無規(guī)共聚物）使襯底對(duì)PS/PMMA的界面能相等，誘導(dǎo)垂直取向。

取向控制機(jī)制：中性層消除界面能各向異性，使相分離方向由襯底平行轉(zhuǎn)為垂直，形成可用于刻蝕的掩模結(jié)構(gòu)。

二、DSA工藝流程與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

DSA工藝通過熱退火或溶劑退火實(shí)現(xiàn)BCP的自組裝，典型流程包含四大關(guān)鍵步驟：

1.中性層制備

材料選擇：采用PS-r-PMMA-HEMA無規(guī)共聚物，通過調(diào)節(jié)HEMA含量（5-15mol%）優(yōu)化潤濕性。

沉積工藝：使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）在200℃下生長3-5nm中性層。

2.BCP涂覆與退火

旋涂工藝：以3000rpm旋涂PS-b-PMMA溶液（分子量20k-100k，PS:PMMA=70:30），控制膜厚在20-100nm。

退火條件：采用熱退火（180-220℃，2-24小時(shí)）或溶劑蒸氣退火（SVA），實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變。

3.圖形誘導(dǎo)方法

圖形結(jié)構(gòu)外延法（Graphoepitaxy）：

原理：利用預(yù)先制備的溝槽側(cè)壁引導(dǎo)BCP取向，溝槽寬度（W）與周期（L）需滿足W=nL±Δ（Δ為容差）。

應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)線寬粗糙度（LWR）<10%的密集線陣列。

化學(xué)襯底外延法（Chemoepitaxy）：

原理：通過化學(xué)預(yù)圖案（如CPS矩陣）提供取向引導(dǎo)，化學(xué)對(duì)比度需>0.5。

優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確控制。

4.圖形轉(zhuǎn)移與刻蝕：

選擇性去除：采用O?等離子體刻蝕去除PMMA相（刻蝕速率50nm/min），保留PS相作為掩模。

刻蝕傳遞：以PS掩模刻蝕SiO?（CF?/CHF?氣體，選擇比5:1），實(shí)現(xiàn)10nm以下特征尺寸。

三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

1.優(yōu)勢(shì)分析

分辨率突破：理論分辨率達(dá)5nm，超越傳統(tǒng)光刻極限。周期性結(jié)構(gòu)均勻性（3σ）<5%，優(yōu)于電子束光刻。

成本效益：設(shè)備投資成本僅為EUV的1/5，耗材成本降低60%。吞吐量達(dá)100wph（晶圓/小時(shí)），接近浸沒式光刻。

工藝兼容性：可與193nm浸沒式光刻集成，形成混合光刻方案。支持3D集成（如TSV、FinFET）的復(fù)雜圖形化。

2.挑戰(zhàn)與對(duì)策

缺陷控制：缺陷密度需<0.1cm?2，通過優(yōu)化退火工藝（如兩步退火）可降低缺陷密度。引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)退火過程，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

工藝集成：與現(xiàn)有CMOS流程兼容性需通過材料創(chuàng)新（如開發(fā)耐高溫BCP）提升。開發(fā)自對(duì)準(zhǔn)多重圖案化（SAMP）技術(shù)，突破單次曝光限制。

材料開發(fā)：新型BCP體系（如PS-b-PDMS）可實(shí)現(xiàn)χN>30，間距縮小至10nm。引入響應(yīng)性嵌段（如偶氮苯），開發(fā)光控DSA技術(shù)。

物理誘導(dǎo)方式

圖形結(jié)構(gòu)外延法（Graphoepitaxy）作為定向自組裝光刻（DSA）的關(guān)鍵技術(shù)路線，其本質(zhì)是通過預(yù)先制備的物理溝槽引導(dǎo)嵌段共聚物（BCP）實(shí)現(xiàn)有序自組裝。該方法具有三大核心優(yōu)勢(shì)：

工藝簡(jiǎn)化性：僅需在傳統(tǒng)光刻流程中增加一道誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備工序，無需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造。兼容193nm浸沒式光刻設(shè)備，資本支出降低40%以上。

圖形保真度：溝槽側(cè)壁提供物理導(dǎo)向，使BCP取向偏差<2°，優(yōu)于化學(xué)外延法的5°。長程有序性（LRO）達(dá)毫米級(jí)，滿足集成電路制造要求。

缺陷抑制能力：溝槽結(jié)構(gòu)有效限制BCP流動(dòng)，缺陷密度<0.1cm?2，較傳統(tǒng)光刻降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。通過優(yōu)化溝槽深寬比（AR=H/W），可進(jìn)一步將缺陷密度降至0.01cm?2級(jí)別。

一、工藝流程詳解

圖形結(jié)構(gòu)外延法的工藝流程包含六大關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟均需精密控制以確保最終圖形質(zhì)量：

1.中性層沉積

材料選擇：采用PS-r-PMMA-HEMA無規(guī)共聚物，HEMA含量控制在10mol%以優(yōu)化潤濕性。

沉積工藝：使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）在200℃下生長4nm中性層，厚度均勻性±0.5nm。

2.誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備

光刻膠選擇：選用HSQ（氫硅倍半氧烷）電子束光刻膠，抗高溫性能達(dá)350℃。

圖形化工藝：通過電子束光刻（EBL）制備溝槽，線寬控制精度±3nm，側(cè)壁粗糙度Ra<1nm。

3.烘焙處理

軟烘焙：120℃熱板烘焙90秒，消除光刻膠溶劑殘留。

硬烘焙：180℃熱板烘焙120秒，增強(qiáng)光刻膠與襯底粘附力。

4.BCP涂覆

材料選擇：采用PS-b-PMMA（分子量50k，PS:PMMA=70:30），溶液濃度2wt%。

旋涂工藝：以3000rpm旋涂60秒，控制膜厚在50nm，厚度均勻性±2nm。

5.熱退火處理

退火方式：采用兩步退火工藝，先150℃快速退火（30秒），再220℃慢速退火（2小時(shí)）。

溫度控制：退火腔體溫度均勻性±0.5℃，確保BCP均勻分相。

6.干法顯影

刻蝕氣體：采用O?/CF?混合氣體（流量比4:1），功率200W。

刻蝕選擇比：PS/PMMA刻蝕選擇比達(dá)5:1，確保圖形精確轉(zhuǎn)移。

二、關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)高精度圖形結(jié)構(gòu)外延需突破三大工藝瓶頸：

1.溝槽設(shè)計(jì)優(yōu)化

深寬比控制：AR=H/W=2:1時(shí)，BCP取向偏差最小。

側(cè)壁角度：通過離子蝕刻（IBE）優(yōu)化側(cè)壁角度至85-90°，減少BCP流動(dòng)阻力。

2.退火工藝調(diào)控

升溫速率：采用5℃/min的慢速升溫，避免BCP分相不均勻。

退火時(shí)間：通過原位橢偏儀監(jiān)測(cè)BCP分相過程，確定最佳退火時(shí)間。

3.缺陷控制策略

氣泡抑制：采用真空退火環(huán)境，壓力<10??Pa，減少氣泡缺陷。

顆?？刂疲和ㄟ^HEPA過濾系統(tǒng)，確保退火腔體顆粒濃度。

化學(xué)誘導(dǎo)方式

化學(xué)外延法（Chemoepitaxy）作為定向自組裝光刻（DSA）的關(guān)鍵技術(shù)路線，其本質(zhì)是通過化學(xué)預(yù)圖案引導(dǎo)嵌段共聚物（BCP）實(shí)現(xiàn)有序自組裝。該方法具有兩大核心特征：

1.面積效率優(yōu)勢(shì)

誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)嵌入中性層內(nèi)部，無需占用額外版圖面積，集成密度提升20-30%。

適用于大規(guī)模周期性陣列制造，如光子晶體和存儲(chǔ)器陣列。

2.工藝復(fù)雜性挑戰(zhàn)

需實(shí)現(xiàn)納米級(jí)化學(xué)對(duì)比度控制，工藝容差<5nm。

誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備精度要求高，需采用極紫外光刻（EUV）或電子束光刻（EBL）。

一、剝離化學(xué)外延法工藝流程

剝離化學(xué)外延法（Lift-off Chemoepitaxy）通過光刻膠極性反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)中性層圖形化，典型流程包含六大步驟：

1.大尺寸條形結(jié)構(gòu)制備

使用正性浸沒式光刻膠（如ARF38）在BARC層上制作條形結(jié)構(gòu)，線寬控制精度±10nm。

2.光刻膠極性反轉(zhuǎn)

通過UV曝光（劑量200mJ/cm2）和150℃烘焙實(shí)現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)，使光刻膠可溶于TMAH顯影液。

3.中性層涂敷

沉積PS-r-PMMA-HEMA中性層，厚度50nm，均勻性±2nm。

4.選擇性剝離

使用TMAH溶液（2.38%）在50℃下剝離光刻膠及其上方中性層，形成周期性非中性區(qū)域。

5.BCP涂覆與退火

涂敷PS-b-PMMA，分子量80k，PS:PMMA=60:40，膜厚80nm。

采用兩步退火工藝：先160℃快速退火（60秒），再240℃慢速退火（4小時(shí)）。

6.圖形轉(zhuǎn)移

通過O?等離子體刻蝕（功率300W）去除PMMA相，保留PS相作為掩模。

關(guān)鍵控制點(diǎn)：

極性反轉(zhuǎn)精度：需控制UV曝光劑量波動(dòng)<5%，確保剝離區(qū)域邊緣銳利度<10nm。

剝離選擇性：TMAH溶液濃度需精確控制在2.38±0.05%，避免中性層過度腐蝕。

二、刻蝕修飾法工藝流程

刻蝕修飾法（Trim-etch Chemoepitaxy）通過圖形化修飾實(shí)現(xiàn)中性層與非中性層界面控制，典型流程包含六大步驟：

1.交聯(lián)PS導(dǎo)向?qū)又苽?/p>

旋涂交聯(lián)PS溶液（分子量10k），200℃退火2小時(shí)，形成50nm厚導(dǎo)向?qū)印?/p>

2.光刻膠圖形化

使用EBL制備條形光刻膠掩模，線寬控制精度±5nm，側(cè)壁粗糙度Ra<1nm。

3.修剪與蝕刻

通過O?等離子體修剪光刻膠（功率100W，時(shí)間30秒），將線寬縮小至設(shè)計(jì)值。

采用CF?/CHF?混合氣體蝕刻PS層，刻蝕選擇比5:1，深度控制精度±2nm。

4.中性刷接枝

涂敷PS-r-PMMA中性刷溶液，通過化學(xué)接枝在非PS區(qū)域形成中性層。

5.清洗與圖形固化

使用丙酮超聲清洗（40kHz，10分鐘）去除未接枝中性層。

250℃退火1小時(shí)，固化化學(xué)誘導(dǎo)圖案。

6.BCP自組裝

涂敷PS-b-PMMA，分子量100k，PS:PMMA=55:45，膜厚100nm。

采用溶劑蒸氣退火（SVA），使用甲苯蒸氣在80℃下處理24小時(shí)。

三、化學(xué)外延法技術(shù)對(duì)比

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

化學(xué)對(duì)比度控制：需實(shí)現(xiàn)納米級(jí)化學(xué)梯度控制，工藝容差<5nm。

解決方案：采用原子層沉積（ALD）技術(shù)沉積中性層，厚度控制精度±0.1nm。

缺陷抑制：化學(xué)預(yù)圖案缺陷可能導(dǎo)致BCP取向紊亂。

解決方案：引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)退火過程，缺陷密度<0.01cm?2。

工藝集成：與現(xiàn)有CMOS流程兼容性需提升。

解決方案：開發(fā)耐高溫BCP材料（Tg>250℃），兼容后端制程（BEOL）。

圖形轉(zhuǎn)移方式

嵌段共聚物（BCP）自組裝圖形的轉(zhuǎn)移是DSA技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需突破三大技術(shù)瓶頸：

1.選擇比瓶頸：

有機(jī)PS/PMMA段抗蝕性弱，傳統(tǒng)刻蝕選擇比<5:1，難以滿足亞10nm節(jié)點(diǎn)需求。

解決方案：引入無機(jī)硬掩膜（如Al?O?）可將選擇比提升至>20:1。

2.深寬比限制：

濕法刻蝕（如冰乙酸）在深寬比>1:1時(shí)導(dǎo)致線條倒塌。

解決方案：采用干法刻蝕（如CF?/CH?F?混合氣體）結(jié)合側(cè)壁保護(hù)技術(shù)。

3.均勻性控制：

跨晶圓均勻性需控制在±5%以內(nèi)，避免局部過刻蝕。

解決方案：通過原位終點(diǎn)檢測(cè)（In-situ EPD）實(shí)時(shí)調(diào)整刻蝕時(shí)間。

一、濕法刻蝕工藝

1.PS交聯(lián)

使用UV曝光（254nm，劑量500mJ/cm2）使PS段發(fā)生交聯(lián)，提升耐化學(xué)腐蝕性。

2.PMMA去除

冰乙酸浸泡（60℃，10分鐘）選擇性溶解PMMA段，刻蝕速率80nm/min。

3.圖形轉(zhuǎn)移

以PS為掩模進(jìn)行RIE刻蝕（SF?/O?，功率300W），刻蝕選擇比5:1。

二、干法刻蝕工藝

1.等離子體調(diào)諧

采用CF?/CH?F?/HBr混合氣體（流量比43），壓力5mTorr，功率400W。

氫離子（H?）與氟離子（F?）反應(yīng)生成HF，形成碳氟聚合物側(cè)壁保護(hù)層。

2.側(cè)壁傾斜控制

通過離子能量調(diào)節(jié)（50-200eV）實(shí)現(xiàn)側(cè)壁角度85-90°，減少線寬粗糙度（LWR）。

三、硬掩膜輔助圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)

1.工藝流程

硬掩膜沉積：使用原子層沉積（ALD）生長5nm Al?O?硬掩膜，厚度均勻性±0.2nm。

圖形轉(zhuǎn)?。阂訮S為掩模進(jìn)行RIE刻蝕（Cl?/BCl?，功率200W），將圖形轉(zhuǎn)移至Al?O?層。

襯底刻蝕：以Al?O?為掩模進(jìn)行Bosch工藝刻蝕（SF?/C?F?循環(huán)），實(shí)現(xiàn)深寬比>40:1的TSV孔。

2.優(yōu)勢(shì)分析

抗蝕性提升：Al?O?的刻蝕速率僅為PS的1/20，顯著提高工藝窗口。

缺陷抑制：硬掩膜有效阻擋等離子體損傷，缺陷密度<0.001cm?2。

四、ALD輔助增強(qiáng)圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)

1.技術(shù)原理

選擇性沉積：在PMMA段通過TMA（Al(CH?)?）前驅(qū)體與羰基（C=O）反應(yīng)，選擇性生長Al?O?。

循環(huán)增厚：重復(fù)5-10個(gè)ALD循環(huán)，實(shí)現(xiàn)20-50nm Al?O?沉積，填充PMMA孔隙。

2.工藝流程

ALD沉積：溫度130℃，壓力0.1Torr，脈沖時(shí)間0.1s，實(shí)現(xiàn)保形沉積。

PS去除：O?等離子體刻蝕（功率150W），Al?O?/PS選擇比>20:1。

中性層打通（BT）：使用Cl?/BCl?氣體進(jìn)行各向異性刻蝕，去除中性層中的Al?O?殘留。

3.關(guān)鍵控制點(diǎn)

前驅(qū)體選擇：TMA與PMMA的羰基反應(yīng)活性比PS的苯環(huán)高3個(gè)數(shù)量級(jí)。

沉積速率：ALD循環(huán)速率0.5nm/cycle，需優(yōu)化脈沖/吹掃時(shí)間比。

五、技術(shù)對(duì)比與選型指南