近日，湖南大學段輝高教授團隊針對光刻工藝中濕法溶劑去膠帶來的環境和可持續發展問題，開發出一種全新的乾式剝離光刻範式。
圖 | 段輝高（來源：段輝高）
其通過力學剝離替代傳統的濕法溶劑剝離工藝，實現了無需化學溶劑的圖形轉移，僅利用普通日用品「膠帶」即可完成去膠過程。
該方法從源頭上消除了去膠過程中有害化學品的使用，不僅降低了化學足跡，還簡化了工藝流程。
該範式具有 100% 的工藝良率，兼容多尺度結構（納米至晶圓級）及多工藝場景，還可用於難加工襯底表面的圖形轉移，為綠色光刻和多功能化微納加工提供了全新解決方案。
該方法既有趣又富有創新性，僅通過膠帶以力學方式完成光刻膠剝離，無需使用任何化學溶劑，以一種新的思路解決了傳統剝離光刻工藝存在的局限性，是剝離工藝走向泛半導體工業製造的重要一步。
（來源：Advanced Materials）
本成果具有泛半導體行業高端器件綠色製造的應用潛力。
（1）與傳統刻蝕圖形轉移工藝（減材製造）相比，本工作開發的干法剝離光刻範式基於等材或增材製造理念，具有流程簡單和能耗低的特點。不僅符合綠色光刻製造的發展趨勢，還可用於高效、低成本、大面積製造惰性金屬或多層膜等難刻蝕結構，為產業界標準製造工藝提供了新的可能性。
（2）適用於泛半導體行業新型器件的製造，特別是濕法工藝不兼容的二維材料、鈣鈦礦、量子點等材料圖案化或器件製造，以及柔性和瞬態電子器件的全乾法製造。
亟需推動光刻技術的綠色轉型
研究人員表示，光刻是半導體製造中不可或缺的核心工藝，也是世界上最精密的光學系統與光化學材料及工藝相結合的產物。它是現代信息社會中晶元及終端設備的生產與發展的核心驅動力。
這一跨學科的技術體系，為科學家和工程師提供了探索科學與技術的理想平台。
在過去幾十年里，光刻技術的發展主要依賴於「摩爾定律」的延續，即通過提高解析度實現集成電路中晶體管密度的增加。
然而，隨著工藝製程不斷縮小，進一步推動尺寸縮放變得極為困難，技術複雜度和製造成本急劇攀升。
「摩爾定律」的物理極限促使產業界和學術界探索新的工藝路徑，以尋求光刻在功能、形態和應用領域的多維突破。
泛半導體領域柔性電子、量子計算、生物醫學電子、特種光電等新興產業的崛起和多元化應用場景需求，推動了光刻向「摩爾定律」的維度拓展，包括新型材料或器件的異質異構集成、大面積無拼接製造、非平面共形製造、應用導向型目標結構設計等等，這些衍生技術構成了現代光刻的基礎。
無論是「摩爾定律」的延續、還是其維度的拓展，光刻工藝特別是濕法工藝的環境影響問題已無法忽視。濕法去膠過程中，大量使用有機溶劑和強氧化劑，不僅帶來資源浪費，更產生了環境風險。
非甲烷總烴——作為濕法剝離工藝中有機溶劑的主要排放源，其濃度高達 288ppm，平均排放速率更是高達 1.72kg/h，對環境和人類健康的危害極大，其毒性貢獻佔光刻流程中化學足跡總量的 23.8%。
遵循可持續發展框架，推動光刻技術的綠色轉型成為行業發展的迫切需求。全球半導體聯盟早在 1990 年代便提出了永續發展指導原則，並制訂了產業自主管理規範，重點涉及水資源、能源、溫室氣體和廢棄物管理等領域。
面對資源和環境壓力，推動光刻工藝的綠色化轉型，減少碳足跡和有害排放，將是光刻行業發展的重要方向。
（來源：Advanced Materials）
跳出濕法工藝框架，以全新視角尋找解決方案
此工作的起源可追溯至 2022 年。當時，該團隊在製造器件時幾乎完全依賴濕法剝離工藝進行光刻膠去除。
然而，濕法工藝在某些負性光刻膠的去除中需要使用腐蝕性極強的化學品，而這些化學品的採購受到嚴格限制，研究進度時常受阻。
同時，濕法剝離的工藝良率始終偏低，殘膠、金屬再沉積、大面積剝離效率低下等問題頻繁出現，導致團隊不得不反覆實驗，既浪費了材料，也佔用了大量寶貴時間。
拓展到產業界的角度來看，隨著泛半導體產業對於高效、綠色製造的需求日益增長。
濕法剝離工藝由於良率和效率較低，未能成為主流標準工藝。更為重要的是，濕法剝離工藝的大量化學廢棄物顯然與可持續綠色製造的目標背道而馳。
於是，課題組開始思考是否可以跳出濕法工藝的框架，以一種全新的視角尋找解決方案。為此，該團隊萌生了一個設想：是否可以擺脫濕法工藝，設計一種剝離過程中無需任何溶劑的低成本、高效率圖形轉移工藝？
靈感來源於生活中常見的一種材料——膠帶。他們思考能否利用膠帶將光刻膠從襯底表面直接「撕」下，同時保留金屬圖案在襯底表面，實現干法圖形轉移。
研究的核心挑戰在於光刻膠與襯底之間的界面粘附調控。商用光刻膠與襯底之間的粘附力非常強，直接使用膠帶無法將其剝離。因此，如何降低光刻膠與襯底界面的粘附性成為實現干法剝離工藝的關鍵難題。
為解決這一難題，該團隊借鑒化學領域常用的分子修飾方法，對光刻膠進行了改性，實現了光刻膠與襯底界面「近零粘附」，並闡明了其中的科學機理。
這一關鍵問題的突破，不僅讓光刻膠可以輕鬆從襯底表面剝離，還使干法剝離工藝展現出兼容性如多種襯底、多種鍍膜方式及不同尺度結構等，展現出其作為泛半導體領域標準工藝的巨大潛力。
有趣的是，「近零粘附」光刻膠還可作為模板，轉移至柔性、曲面或瞬態等難加工襯底上，拓展了圖形轉移的應用範圍，為可穿戴電子、瞬態電子器件等領域器件製造提供了新思路。
（來源：Advanced Materials）
日前，相關論文以《通過機械可剝離抗蝕劑實現可持續光刻範式》（Sustainable Lithography Paradigm Enabled by Mechanically Peelable Resists）為題發表於 Advanced Materials [1]。
該論文的通訊作者為湖南大學段輝高教授，第一作者為湖南大學陳雷博士。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
在接下來的研究中，他們將關註：
（1）干法剝離光刻範式的裝備開發。目前的乾式剝離過程依賴於手動操作，未來他們將聚集干法剝離的自動化裝備開發，以建立一套高效、自動化的光刻標準流程，實現產業界綠色精益批量化製造。
（2）進一步的應用研究。干法剝離光刻範式突破了濕法工藝的限制，為一系列新興領域帶來解決方案。未來，其將聚焦於濕法光刻工藝難以兼容的應用場景，研究該範式在微納光學器件、瞬態電子器件、異質異構光電子等領域的應用潛力。
參考資料：
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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