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摘要：UV纳米压印光刻是一种利用紫外光的精密加工技术，因其优异的工艺速度和可大面积加工能力，作为一种适合大规模生产的低成本技术而备受关注。本研究中，通过模拟再现了UV纳米压印光刻中，树脂填充过程中的分子行为，并阐明了成功将树脂填充到数纳米的沟（槽）中所必需的特性。该研究成果为UV纳米压印光刻中的树脂选择和设计提供了指导，并有望为提高半导体制造效率作出贡献。

关键字：半导体制造技术、UV纳米压印光刻、精密加工技术、低成本、树脂填充

～为树脂的选择和设计提供了指导，为提高半导体制造效率作出贡献～

概要

UV纳米压印光刻是一种精密加工技术，它用紫外光（UV）固化树脂填充基板，使用模具（模板）对纳米级图案压缩成形后，照射紫外光以瞬间固定形状。UV纳米压印光刻因其优异的工艺速度和可大面积加工能力，作为适合大规模生产的低成本技术备受关注。然而，决定图案形成成败的UV固化树脂分子的行为尚未阐明。

研究小组以4种UV固化树脂为对象，对UV纳米压印光刻中宽度为数纳米的微细沟槽的填充过程进行了分子动力学模拟，并阐明了成功填充所需的主要分子特征。该研究为UV纳米压印光刻中的树脂选择和设计提供了指导，并有望为提高半导体制造等微细加工技术效率作出贡献。

研究背景

为增加可记录在半导体芯片上的信息量，需要缩小电路的线宽，并尽可能将电路画得更密集。在现有技术中，在基板上涂上感光剂后，将除电路图案以外的区域遮盖，然后用UV光照射，使被照射区域的感光材料熔化，基板暴露；通过在该区域添加蚀刻剂，暴露区域与蚀刻剂发生反应，基板由此变得凹凸不平。然而，为了制作超精细的电路图案，在制造过程中存在消耗大量电力的问题。

纳米压印光刻作为一种精密加工技术备受关注，其功耗成本低于现有方法。其中，UV纳米压印光刻在工艺速度和加工面积方面表现突出，正在半导体制造和生命科学领域投入实际应用。

然而，另一方面，由树脂的机械性能造成的缺陷一直是一个问题，例如在填充过程中用于加工的树脂粘附在模具上或从基板上剥离。曾有研究以4种树脂为对象，通过分子动力学模拟分析了其填充过程，得到了以下的结果，即粘度为10mPa·s的树脂可以很好地填充2nm及3nm的沟槽，而粘度更高的93mPa·s的树脂则不能很好地填充（文献1）。

因此，本研究以不同于文献1的树脂为对象，进行了新填充工艺的分子动力学模拟，并利用获得的模拟数据，分析了UV固化树脂中的分子的形状、构象和分布，探讨了树脂的分子特性对UV纳米压印填充工艺的影响。

文献1：Uchida,H.;Imoto,R.;Ando,T.;Okabe,T.;Taniguchi,J.Molecular dynamics simulation of the resist filling process in UV-nanoimprint lithography. J.Photopolym.Sci.Technol.2021,34,139–144.

研究成果

本研究中，将N-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP）、1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）、三（丙二醇）二丙烯酸酯（TPGDA）和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）用作UV固化树脂，将2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（DMPA）用作聚合引发剂制备了4种树脂，并对UV纳米压印的填充过程进行了分子动力学模拟。

结果表明，研究小组成功地用含有HDDA、NVP/TPGDA/TMPTA、TPGDA，粘度为10mPa·s以下的树脂填充了宽度为2nm和3nm的沟槽，但体积大且粘度高的树脂（如TMPTA）则无法填充宽度为2nm和3nm的沟槽（图）。分子动力学模拟得到的径向分布函数和回转半径的分析结果表明，TMPTA的回转半径小于径向分布函数第一个峰值出现的距离的一半。这一结果表明，径向分布函数和回转半径是选择和设计低粘度光聚合物的有用指标。

图.TPGDA的填充模拟结果。随着时间的推移，整体的体积变化（左）和在3nm宽（中）以及2nm宽（右）的沟槽中的模拟结束时的照片。虽然在模拟结束时没有完成2nm宽的沟槽的填充，但由此可知抗蚀剂在有限时间内填充了沟槽。

此外，当比较直链聚合物HDDA和TPGDA的形状时，发现TPGDA更容易形成致密状态，并且更灵活地采用了多种构象。由于这种灵活性，TPGDA分子中参与聚合反应的末端官能团可以在同一分子内相互接近，更容易发生分子内交联。该模拟结果可以解释实验中观察到的UV固化HDDA与TPGDA基材料之间的硬度差异。

本研究成果将为通过UV纳米压印光刻形成精细图案时，树脂的选择和设计提供有用参考，并有望为提高半导体制造效率作出贡献。

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