什么是化学放大光刻胶？它能获得今年诺贝尔化学奖吗？

摘要： 头号电影院懂小姐原创严禁转载雷佳音和赵丽颖刚刚拿下飞天奖的视帝和视后这也是雷佳音凭借人世间连续拿下了金鹰白玉兰飞天收获了电视剧三大奖满贯现如今电子产品已...

头号电影院懂小姐（topcinema原创，严禁转载）雷佳音和赵丽颖，刚刚拿下飞天奖的视帝和视后。这也是雷佳音凭借《人世间》连续拿下了金鹰、白玉兰、飞天，收获了电视剧三大奖满贯！

现如今电子产品已经进入到我们日常生活的每一个角落，而这些电子设备之所以可以有效地工作，正是其中的芯片所起到的作用。英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出了摩尔定律，就是在成本几乎不变的情况下，芯片上的晶体管数目，每隔1-2年便会增加一倍。也就是说，随着人类技术的发展，所制造出来的晶体管尺寸会越来越小，从而使得芯片上的晶体管数目指数级增加，这也是为何我们的电子设备会越来越强大。

在芯片技术的发展中，光刻机的研发应该是最耳熟能详的：通过降低使用光源的波长，就可以制造成更小尺寸的晶体管。最初的光源是来自于汞灯的436 nm的紫光（称作g-line），随后换成了汞灯365 nm的紫外光（i-line）。为了继续降低波长，后续又研发了用准分子激光作为光源的KrF光刻机（波长248 nm）。但是此时在光刻胶的曝光环节出现了一些问题。

为了能够更好地解释清楚光刻胶的问题，我先来简单介绍下光刻的步骤，下面以正性光刻胶为例。现在硅片上spin co 一层光刻胶，然后将紫外光通过光掩膜之后照射到光刻胶上，这样光刻胶上有的区域会被光所照射到，而有的区域则不会。经过光照之后的光刻胶就会发生光化学反应，从而形成性质不同的物质，之后在显影剂的作用下被除去，这样就成功地将光掩膜上的图案转移到光刻胶之上了。

在g-line和i-line的年代，紫外光的强度很强，所以很容易完全发生光化学反应。光刻胶通常由两种物质所组成，一种高分子构成了主体（不参与化学反应），而另一种光活性物质负责发生化学反应（而且浓度较高）。比如一种常用的光刻胶就是重氮萘醌(DNQ)与酚醛树脂的混合物，其中酚醛树脂是溶解抑制剂。当没有发生光化学反应时，重氮萘醌(DNQ)与酚醛树脂的混合物不会溶解在显影剂中。在光照的作用下，重氮萘醌(DNQ)将经历沃尔夫重排反应以形成烯酮，随后又从环境中吸水生成茚并羧酸，从而可以溶解于碱性的显影剂中被除去。

但是这样的DNQ光刻胶有一个要求，就是需要绝大多数的DNQ都发生光化学反应，而DNQ的浓度其实是比较高的。因此就需要入射的紫外光强度足够强——这对于g-line和i-line来说压根儿就不是个问题。

但是到了深紫外激光KrF以及后续的ArF、EUV来说，就是一个大问题了。首先这些深紫外和极紫外激光的输出功率远低于i-line，而且这些激光的输出成本要更高，而芯片制造中最重要的因素之一就是成本了。

为了 这一问题，C. Grant Willson和Jean M. J. Fréchet决定生产一种可以“化学放大”的光刻胶。与传统的光刻胶所不同，这里的两种物质分别具有如下的性质：

PAG（Photoacid Gener or）可以发生光化学反应的物质，具有较低的浓度——通常是经过光照后可以产生酸性物质

不溶于显影剂的高分子，但是可以被PAG所产生酸的催化之下，并在在加热的条件下发生化学反应转化成可以溶解于显影剂的物质——也就是被“化学放大”

比如下面就是一个例子：

先是 [Ph3S]+[CF3COO]− 在光照的条件下生成三氟代乙酸

然后在曝光后烘焙（PEB，Post Expos e Bake）步骤中，高分子在三氟乙酸的氢离子的催化之下，转化成可以溶解于碱性显影剂的物质

这样一来，只需要较低剂量的光照，就可以生成少量的氢离子。而在曝光后对于光刻胶进行烘焙，就可以利用这少量的氢离子来催化反应，从而达到与之前大量光照相同的效果。

正是因为化学放大光刻胶的发明，KrF光刻机（248 nm）和ArF光刻机（193 nm）才能正式得到应用，从而不断延续着摩尔定律，直到现在的3 nm甚至更先进的制程。现如今人工智能如此的先进，离不开先进制程芯片的帮助，而化学放大光刻胶正是其中关键的一环。因此，我希望化学放大光刻胶可以获得今年的诺贝尔化学奖。