激光扫描灰度直写光刻与表面平滑处理中超厚抗蚀剂的纳米尺度粗糙度

《Polymers》：Nanoscale Roughness in Ultra-Thick Resists by Laser-Scanning Grayscale Direct-Write Lithography and Surface Smoothing

　　

纳米尺度的表面粗糙度限制了用于X射线（X-ray）和极紫外（extreme ultraviolet，EUV）光束整形的反射元件的光学性能。虽然通过抛光平面基底可以实现亚纳米级粗糙度，但对于通过灰度直写光刻（grayscale direct-write lithography，DWL）在聚合物抗蚀剂中制造的连续三维形貌而言，这仍然具有挑战性。在本工作中，研究人员引入毫米级线性灰度斜坡作为校准平台，以区分形状（form）、波纹度（waviness）和粗糙度（roughness）的贡献。工艺优化减少了灰度值离散化和拼接（stitching）等伪影，而复制到聚甲基丙烯酸甲酯（poly methyl methacrylate，PMMA）并结合热激活选择性形貌平衡（thermally activated selective topography equilibration，TASTE）工艺，可将固有粗糙度降低至2 nm以下。激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscopy，LSCM）和原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）被用作互补技术，以评估跨空间尺度的表面质量。研究结果为理解novolak基抗蚀剂中粗糙度的起源及其在整个制造链中的演变提供了见解，突出了材料限制以及实现具有亚纳米粗糙度的光滑聚合物光学元件的路径。

**激光扫描灰度直写光刻与表面平滑处理中超厚抗蚀剂的纳米尺度粗糙度——论文解读**

**1. 研究背景与意义**

X射线（X-ray，<10 nm）和极紫外（extreme ultraviolet，EUV，13.5 nm）波段的反射式光学元件对表面质量有极高要求。在这些短波长下，纳米级表面高度波动会转化为相位误差和散射，降低光学通量与波前质量。抛光平面基底可获得亚纳米粗糙度，但连续三维形貌（如掠入射聚焦镜）通常需由灰度直写光刻（grayscale direct-write lithography，DWL）在聚合物抗蚀剂中制备，其表面粗糙度难以达到同等水平。灰度DWL利用强度调制的扫描激光将CAD定义的高度图直接编码于单层抗蚀剂中，但其固有的灰度值（gray value，GV）离散化会产生台阶状波纹，条带拼接（stitching）策略引入周期性调制，而抗蚀剂材料本身的分子堆积、感光化合物（photoactive compound，PAC）分布和显影过程中的溶解行为则设定了纳米尺度的粗糙度下限。此外，毫米级结构与纳米级粗糙度的表征需要跨越多个空间尺度，不同测量技术的带宽限制也使形状（form）、波纹度（waviness）与粗糙度（roughness）的分离面临挑战。为此，研究人员引入毫米级浅线性灰度斜坡作为校准平台，系统研究并优化超厚（约100 μm）novolak基抗蚀剂的灰度DWL工艺，并结合聚合物复制与表面平滑技术探索降低粗糙度的路径。该研究成果发表在《Polymers》。

**2. 关键技术与方法**

主要技术方法：（1）以DWL 66+直写光刻系统（405 nm，1024 GV，CI-over多通道重叠曝光）在100 μm厚novolak基正性抗蚀剂mr-P 22G XP（micro resist technology GmbH）上制备10 mm长线性斜坡，并以RAITH PICOMASTER系统进行交叉验证；（2）采用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM，Keyence VK-X3100）和原子力显微镜（AFM，Bruker Dimension Icon）分别表征宏观形貌与局部纳米粗糙度；（3）通过热纳米压印将结构复制至聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，Plexiglas Film 0F058，Evonik），以GMN PS90为中间印章；（4）采用热激活选择性形貌平衡（TASTE）工艺（172 nm真空紫外辐照+105 °C热处理）进行表面平滑。

**3. 主要研究结果**

**3.1 非优化曝光条件下的确定性伪影**

利用GV256+CI-over 40条件，LSCM观察到间距约39 μm的台阶状结构，与设计量化步长一致，证实灰度值离散化是波纹度的重要来源。利用GV1024+CI-over 10条件，观察到间距约30 μm的周期拼接伪影，源于条带式写入架构。在无拼接伪影区域进行的AFM局部测量显示高频粗糙度较低（Sq = 4.1 ± 0.2 nm），说明拼接伪影主导了总体粗糙度（含伪影时Sq = 55 ± 2.0 nm）。

**3.2 灰度优化：GV1024与高重叠多通道曝光**

在GV1024+CI-over 40优化条件下，量化台阶与拼接伪影被显著抑制。AFM沿斜坡不同位置测得10 × 10 μm²区域平均粗糙度为4.0 ± 0.2 nm，2 × 2 μm²区域为3.9 ± 0.3 nm，且不随斜坡角度或位置变化，表明该纳米尺度粗糙度主要由材料固有性质决定。回流前的AFM测量仍可检测到GV相关形貌调制，证实抗蚀剂热回流对最终平滑起关键作用。

**3.3 TASTE平滑机制验证**

以具有0.26 nm高、0.2 μm宽原子台阶的蓝宝石模板（Shinkosha Co., Ltd.，日本）为参考，经热压印复制至PMMA后，AFM测得粗糙度与模板一致（Sq = 0.25 nm），证明复制保真度极高；经TASTE处理后，台阶特征被显著平滑，Sq降至0.1 ± 0.05 nm，验证了TASTE对纳米尺度特征的选择性平滑能力。

**3.4 向PMMA的图形转移**

斜坡结构经GMN PS90中间复制后保持了几何形状与纳米级粗糙度。二次复制至PMMA后，TASTE处理前Sq = 4.1 ± 0.3 nm（10 × 10 μm²）；经TASTE处理后降至1.3 ± 0.1 nm（10 × 10 μm²）和0.4 ± 0.1 nm（2 × 2 μm²）。LSCM显示毫米尺度整体轮廓在处理前后无变化，证明平滑仅局限于纳米尺度表层。

**3.5 固有粗糙度的跨平台验证**

经PICOMASTER曝光的样品未观察到拼接或GV诱导波纹，但AFM测得相同扫描面积下的粗糙度（10 × 10 μm²为4.0 ± 0.5 nm，2 × 2 μm²为4.1 ± 0.2 nm）与DWL 66+结果一致，证实约4 nm的粗糙度为novolak基抗蚀剂固有的材料和工艺极限，而非设备相关伪影。

**4. 讨论与结论**

讨论部分总结出三项关键认识：（i）确定性波纹度主要源于GV离散化与拼接伪影，可通过曝光工艺优化抑制；（ii）固有纳米粗糙度与曝光策略基本解耦，源于novolak抗蚀剂中聚合物链堆积、分子聚集以及PAC分布不均匀等纳米尺度非均匀性，显影过程本身也显著贡献于该粗糙度；（iii）TASTE后处理可在保持结构形状的前提下选择性抑制随机粗糙度。散射估算表明，约4 nm粗糙度在80°掠入射角下对13.5 nm EUV光将导致约34%的总集成散射，1.3 nm可降至4.3%，0.4 nm则可降至0.4%。

研究结论：灰度光刻结构的表面粗糙度由两类根本不同因素支配——曝光引入的确定性伪影和材料固有的纳米尺度粗糙度。曝光优化可有效抑制中空间频率波纹，但无法显著降低novolak基抗蚀剂约4 nm的固有粗糙度。通过复制至热塑性PMMA并结合TASTE后处理，可将粗糙度降至2 nm以下，同时保持结构整体几何形状，实现了表面质量与初始抗蚀剂材料限制的解耦。尽管1.3 nm的粗糙度仍高于最先进玻璃抛光EUV反射镜的0.2 nm水平，但研究人员在蓝宝石台阶结构的PMMA复制品上观察到经回流后粗糙度由0.3 nm降至0.1 nm，表明该无接触、无需机械抛光的平滑工艺具有推进至接近原子尺度光滑表面的潜力，为满足先进光学应用的严苛粗糙度要求提供了可行路径。