科学家打造干式剥离光刻技术，兼容纳米至晶圆级多工艺场景，聚焦湿法光刻技术环境污染及工艺不兼容难题
近日，湖南大学段辉高教授团队针对光刻工艺中湿法溶剂去胶带来的环境和可持续发展问题，开发出一种全新的干式剥离光刻范式。
图 | 段辉高（来源：段辉高）
其通过力学剥离替代传统的湿法溶剂剥离工艺，实现了无需化学溶剂的图形转移，仅利用普通日用品“胶带”即可完成去胶过程。
该方法从源头上消除了去胶过程中有害化学品的使用，不仅降低了化学足迹，还简化了工艺流程。
该范式具有 100% 的工艺良率，兼容多尺度结构（纳米至晶圆级）及多工艺场景，还可用于难加工衬底表面的图形转移，为绿色光刻和多功能化微纳加工提供了全新解决方案。
该方法既有趣又富有创新性，仅通过胶带以力学方式完成光刻胶剥离，无需使用任何化学溶剂，以一种新的思路解决了传统剥离光刻工艺存在的局限性，是剥离工艺走向泛半导体工业制造的重要一步。
（来源：Advanced Materials）
本成果具有泛半导体行业高端器件绿色制造的应用潜力。
（1）与传统刻蚀图形转移工艺（减材制造）相比，本工作开发的干法剥离光刻范式基于等材或增材制造理念，具有流程简单和能耗低的特点。不仅符合绿色光刻制造的发展趋势，还可用于高效、低成本、大面积制造惰性金属或多层膜等难刻蚀结构，为产业界标准制造工艺提供了新的可能性。
（2）适用于泛半导体行业新型器件的制造，特别是湿法工艺不兼容的二维材料、钙钛矿、量子点等材料图案化或器件制造，以及柔性和瞬态电子器件的全干法制造。
亟需推动光刻技术的绿色转型
研究人员表示，光刻是半导体制造中不可或缺的核心工艺，也是世界上最精密的光学系统与光化学材料及工艺相结合的产物。它是现代信息社会中芯片及终端设备的生产与发展的核心驱动力。
这一跨学科的技术体系，为科学家和工程师提供了探索科学与技术的理想平台。
在过去几十年里，光刻技术的发展主要依赖于“摩尔定律”的延续，即通过提高分辨率实现集成电路中晶体管密度的增加。
然而，随着工艺制程不断缩小，进一步推动尺寸缩放变得极为困难，技术复杂度和制造成本急剧攀升。
“摩尔定律”的物理极限促使产业界和学术界探索新的工艺路径，以寻求光刻在功能、形态和应用领域的多维突破。
泛半导体领域柔性电子、量子计算、生物医学电子、特种光电等新兴产业的崛起和多元化应用场景需求，推动了光刻向“摩尔定律”的维度拓展，包括新型材料或器件的异质异构集成、大面积无拼接制造、非平面共形制造、应用导向型目标结构设计等等，这些衍生技术构成了现代光刻的基础。
无论是“摩尔定律”的延续、还是其维度的拓展，光刻工艺特别是湿法工艺的环境影响问题已无法忽视。湿法去胶过程中，大量使用有机溶剂和强氧化剂，不仅带来资源浪费，更产生了环境风险。
非甲烷总烃——作为湿法剥离工艺中有机溶剂的主要排放源，其浓度高达 288ppm，平均排放速率更是高达 1.72kg/h，对环境和人类健康的危害极大，其毒性贡献占光刻流程中化学足迹总量的 23.8%。
遵循可持续发展框架，推动光刻技术的绿色转型成为行业发展的迫切需求。全球半导体联盟早在 1990 年代便提出了永续发展指导原则，并制订了产业自主管理规范，重点涉及水资源、能源、温室气体和废弃物管理等领域。
面对资源和环境压力，推动光刻工艺的绿色化转型，减少碳足迹和有害排放，将是光刻行业发展的重要方向。
（来源：Advanced Materials）
跳出湿法工艺框架，以全新视角寻找解决方案
此工作的起源可追溯至 2022 年。当时，该团队在制造器件时几乎完全依赖湿法剥离工艺进行光刻胶去除。
然而，湿法工艺在某些负性光刻胶的去除中需要使用腐蚀性极强的化学品，而这些化学品的采购受到严格限制，研究进度时常受阻。
同时，湿法剥离的工艺良率始终偏低，残胶、金属再沉积、大面积剥离效率低下等问题频繁出现，导致团队不得不反复实验，既浪费了材料，也占用了大量宝贵时间。
拓展到产业界的角度来看，随着泛半导体产业对于高效、绿色制造的需求日益增长。
湿法剥离工艺由于良率和效率较低，未能成为主流标准工艺。更为重要的是，湿法剥离工艺的大量化学废弃物显然与可持续绿色制造的目标背道而驰。
于是，课题组开始思考是否可以跳出湿法工艺的框架，以一种全新的视角寻找解决方案。为此，该团队萌生了一个设想：是否可以摆脱湿法工艺，设计一种剥离过程中无需任何溶剂的低成本、高效率图形转移工艺？
灵感来源于生活中常见的一种材料——胶带。他们思考能否利用胶带将光刻胶从衬底表面直接“撕”下，同时保留金属图案在衬底表面，实现干法图形转移。
研究的核心挑战在于光刻胶与衬底之间的界面粘附调控。商用光刻胶与衬底之间的粘附力非常强，直接使用胶带无法将其剥离。因此，如何降低光刻胶与衬底界面的粘附性成为实现干法剥离工艺的关键难题。
为解决这一难题，该团队借鉴化学领域常用的分子修饰方法，对光刻胶进行了改性，实现了光刻胶与衬底界面“近零粘附”，并阐明了其中的科学机理。
这一关键问题的突破，不仅让光刻胶可以轻松从衬底表面剥离，还使干法剥离工艺展现出兼容性如多种衬底、多种镀膜方式及不同尺度结构等，展现出其作为泛半导体领域标准工艺的巨大潜力。
有趣的是，“近零粘附”光刻胶还可作为模板，转移至柔性、曲面或瞬态等难加工衬底上，拓展了图形转移的应用范围，为可穿戴电子、瞬态电子器件等领域器件制造提供了新思路。
（来源：Advanced Materials）
日前，相关论文以《通过机械可剥离抗蚀剂实现可持续光刻范式》（Sustainable Lithography Paradigm Enabled by Mechanically Peelable Resists）为题发表于 Advanced Materials [1]。
该论文的通讯作者为湖南大学段辉高教授，第一作者为湖南大学陈雷博士。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
在接下来的研究中，他们将关注：
（1）干法剥离光刻范式的装备开发。目前的干式剥离过程依赖于手动操作，未来他们将聚集干法剥离的自动化装备开发，以建立一套高效、自动化的光刻标准流程，实现产业界绿色精益批量化制造。
（2）进一步的应用研究。干法剥离光刻范式突破了湿法工艺的限制，为一系列新兴领域带来解决方案。未来，其将聚焦于湿法光刻工艺难以兼容的应用场景，研究该范式在微纳光学器件、瞬态电子器件、异质异构光电子等领域的应用潜力。
参考资料：
1.Chen, L., Liang, H., Liu, P., Liu, C., Feng, B., Shu, Z., ... & Duan, H. (2024). Sustainable Lithography Paradigm Enabled by Mechanically Peelable Resists.Advanced Materials, 2410978.
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