科学探索|“不太化学”的诺贝尔化学奖今年将花落谁家？( 三 ) “不太化学”的诺贝尔化学奖

当光源照射时，光刻胶和光源中间还有掩膜的遮盖。所谓掩膜就是一个刻有各种形状图案的挡板，镂空部分光线可以穿过，然后照到光刻胶上。而非镂空的部分光线不能穿过，被其挡住的部位光刻胶不会受到影响。
光刻胶是一种对光照敏感的物质，光照下内部的分子结构会发生改变。比如原来不溶于某种溶剂，经过光照后就可以很容易地溶解进同一种溶剂。这样一来，经过这种显影溶剂的清洗，掩膜的图案就被转印到了光刻胶上。这时我们再用其它工艺（例如蚀刻等）对晶圆进行处理时，光刻胶保护着的部分就不会受到影响。此外，光刻胶还分为很多种类型，有些是遇光分解，有些则是遇光固化，这两种光刻胶最后转印出的图案正好相反（类似篆刻的阴文阳文）。

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光刻工艺略图（图片来源：作者自制）
在半导体工业发展早期，人们已经开始使用光刻胶了。但到了80年代，工程师们却忽然发现原来的光刻胶不好用了。
【科学探索|“不太化学”的诺贝尔化学奖今年将花落谁家？】这是怎么回事呢？原来，随着半导体工业水平的发展，集成电路的集成水平不断增加，加工极限越来越高，从毫米级到微米级，甚至到纳米级。
根据摩尔定律，每24个月，半导体上集成的晶体管数目就将增大一倍，原有光刻工艺中最先让摩尔定律遇到瓶颈的是光源。我们都知道，决定光学系统分辨率极限的是光波的波长，波长越短这一体系的极限分辨率就越高。好比用毛笔写字总是比钢笔要粗，极限分辨率越高，自然就意味着能够刻画更加精细的图案。
工程师们很快攻克了波长更短的光源，但当他们满怀信心地尝试进行光刻时，却发现一个非常致命的问题，原来的光刻胶不好用了。原来光刻胶也存在自身的感应极限，当波长变短后，它们的光敏性变差了，没法匹配上新光源带来的高分辨率。
于是，皮球又从机电工程师脚下被踢回了材料工程师这里。70年代后期，位于硅谷的IBM实验室已经在着手开发高敏感性的光刻材料了，负责这一团队的是格兰特·威尔森，他的目标是开发出能够匹配254纳米波长深紫外光光源的光刻材料。
1979年和1980年，威尔森分别迎来了两位得力帮手。来自加拿大渥太华大学的副教授让·弗莱切特和当时在纽约州立大学研究多糖合成的日本科学家伊藤洋加入了他的团队。
三人团队在研发初期就敏锐地把握住了正确的研发方向，既然反应不够灵敏，那么能不能通过添加一些类似催化剂的材料让反应变灵敏？
在威尔森的领导下，弗莱切特和伊藤将开发重心放在了化学放大光刻胶材料上。所谓的化学放大，就是在原本的光刻胶体系中加上一些具有催化性质的引物，这样当受到光照，引物就能引发链式反应，起到放大光敏特性的效果。
虽然同时期的很多学者担心不受控制的化学放大反而会让光刻胶的性能下降，三人组还是坚定了最初的方向。在幸运女神的眷顾下，它们很快发现了一个潜在的化学放大反应机理。当在它们开发的光刻胶系统中加入光照下能够产生氢离子的材料，氢离子就会和光刻胶中的某些基团发生反应，而这些基团正是决定光刻胶是否有碱溶液中溶解性质的关键。
反应发生时，氢离子和基团反应将其转化为碱中可溶，同时还会放出氢离子，这个氢离子又会继续同其余基团发生反应。这一反应平稳可控，不仅可以促成光敏性质的提升，还不至于破坏材料本身的稳定。1982年，三人组发表论文，正式公开了这一新技术。

科学探索|“不太化学”的诺贝尔化学奖 今年将花落谁家？( 三 )

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