类型a：学术研究报告

1. 研究作者与机构
本研究由Daniel J. Carbaugh、Jason T. Wright、Parthiban Rajan、Savas Kaya和Faiz Rahman（通讯作者）合作完成，作者均来自美国俄亥俄大学工程与技术学院电气工程与计算机科学学院（Ohio University, School of Electrical Engineering and Computer Science）。研究成果发表于2016年7月的*Journal of Vacuum Science & Technology B*，标题为《Development-less deep ultraviolet positive tone photolithography with polymethyl methacrylate》（《基于聚甲基丙烯酸甲酯的无显影深紫外正性光刻技术》）。

2. 学术背景
本研究属于微电子加工与光刻技术领域，旨在解决传统深紫外（DUV, Deep Ultraviolet）光刻技术中因显影步骤带来的复杂性和材料浪费问题。传统光刻技术依赖光刻胶（如PMMA, Polymethyl Methacrylate）在曝光后通过化学显影液溶解曝光区域，但这一过程可能引入缺陷且增加工艺成本。

PMMA作为一种链式脂肪族聚合物，具有优异的深紫外透明性（250 nm以下波长），但其在DUV曝光后需显影的局限性限制了其应用。本研究提出了一种无需显影的“干法”光刻技术，通过紫外辐射和加热协同作用直接实现PMMA的局部去除，从而简化工艺流程并支持三维结构加工。

3. 研究流程与方法
研究分为以下关键步骤：

（1）PMMA薄膜的制备与曝光
- 研究对象：采用分子量分别为120,000、350,000和996,000 g/mol的单分散PMMA，旋涂于硅片基底上，形成厚度为300 nm至3.2 μm的薄膜。
- 曝光系统：使用低压热灯丝汞放电管（10 W功率）作为254 nm紫外光源，辐射强度为8–13 mW/cm²。通过铬掩模版或阴影掩模定义图案。
- 协同加热：将样品加热至接近PMMA玻璃化转变温度（Tg, 约100–120°C），以加速链断裂产物的挥发。

（2）PMMA去除机制分析
- 链断裂（Chain Scission）：254 nm紫外光子导致PMMA侧链酯基断裂，生成小分子（如CO、CO₂）和自由基，随后碎片通过热驱动挥发。
- 基底光电子效应：硅基底受紫外辐射后发射二次电子（光电效应），进一步促进PMMA链断裂。实验通过对比氧化硅基底（阻挡电子发射）验证了该效应。

（3）图案化与转移
- 厚膜加工：3.2 μm厚PMMA薄膜通过14小时曝光（13 mW/cm²，90°C）完全去除曝光区域，形成高深宽比结构。
- 干法刻蚀：使用SF₆等离子体将PMMA图案转移至硅基底，刻蚀速率达656 nm/min（硅）和790 nm/min（PMMA）。

4. 主要结果
- 薄膜去除速率：120,000 g/mol PMMA在90°C和254 nm曝光下的去除速率为36.9 nm/h，显著高于单纯加热（25 nm/h）或单纯紫外照射（10.2 nm/h），证实协同效应。
- 光电子贡献：氧化硅基底上的PMMA残留表明，硅基底的光电子发射可加速曝光区域清除（图9）。
- 三维结构制备：成功制备轮辐图案（图8），展示了该技术在微流控和光学器件中的应用潜力。

5. 结论与价值
本研究提出了一种创新的无显影光刻技术，其科学价值在于：
- 工艺简化：省去显影步骤，减少化学废物和缺陷风险。
- 三维加工能力：通过控制曝光剂量可实现梯度厚度结构。
- 低成本：采用廉价汞灯光源，适合实验室或小规模生产。
应用价值涵盖微机电系统（MEMS）、纳米光学器件及深亚毫米波导等领域。

6. 研究亮点
- 协同效应：首次量化加热与紫外辐射对PMMA去除的协同作用（图6）。
- 光电子辅助曝光：揭示了基底材料对光刻效率的影响机制。
- 厚膜兼容性：验证了3 μm以上PMMA薄膜的高分辨率图案化能力。

7. 其他发现
- 局限性：长曝光时间（小时级）和潜在邻近效应（Proximity Effect）需通过光学聚焦或电子阻挡层优化。
- 扩展性：该方法可适配含苯乙烯共聚物（如PMMA-PS）以提高刻蚀抗性。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“链断裂（Chain Scission）”“玻璃化转变温度（Tg）”。）