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  13.5 nm波長的EUV光刻是半導體先進制程邁向sub - 7 nm節點的核心。但這一技術進步也為光刻膠帶來了新的挑戰：EUV光源的反射式光學鏡組效率遠低于DUV的折射式鏡組，大幅降低的曝光亮度對光刻膠的靈敏度提出了更高的要求；雪上加霜的是，EUV難以被聚合物常見的C、N、O等元素吸收，需要強力的化學放大或敏化機制來提高EUV的利用效率；但隨著光刻特征尺寸的縮小，化學放大機制的擴散特性與不均勻性、金屬敏化團簇的尺寸分布與核-殼結構，又會帶來不可忽視的隨機缺陷。

  因此學界普遍認為，實現理想光刻膠的關鍵在于設計一種同時具備高EUV吸收能力、高能量利用率、分子級構成基元且完全均一的材料體系：高EUV吸收與利用可以提高靈敏度、減少光子散粒噪聲并限制反應體積；具備分子級構成基元且完全均一的材料體系則可以最大限度地避免組分隨機分布、擴散以及材料基元尺寸帶來的隨機缺陷問題，從而達到兼顧靈敏度、分辨率和線邊緣粗糙度（LER）的目的。然而，同時滿足這四個要素的光刻膠至今仍未能見報道。

  近日，清華大學化學系許華平教授課題組基于聚碲氧烷（Polytelluoxane, PTeO）開發出一種全新的光刻膠，滿足了上述理想光刻膠的四大條件。在該項研究中，團隊將高EUV吸收元素碲（Te）通過Te─O鍵直接引入高分子骨架中（圖1A）。碲具有除惰性氣體元素氙（Xe）、氡（Rn）和放射性元素砹（At）之外最高的EUV吸收截面，EUV吸收能力高于傳統光刻膠中的短周期元素和Zn、Zr、Hf和Zn等金屬元素，顯著提升了光刻膠的EUV吸收效率（圖1B）。同時，Te─O鍵較低的解離能使其在吸收EUV后可直接發生主鏈斷裂，誘導溶解度變化，從而實現高靈敏度的正性顯影（圖1C）。這一光刻膠僅由單組份小分子聚合而成，在極簡的設計下實現了理想光刻膠特性的整合，為構建下一代EUV光刻膠提供了清晰而可行的路徑。相關成果以“Polytelluoxane as the ideal formulation for EUV photoresist”為題，于7月16日發表于《科學進展》（Science Advances）雜志。

圖1. 聚碲氧烷作為EUV光刻膠理想配方的結構設計

  實驗顯示，PTeO在13.1 mJ/cm2的EUV曝光劑量下即可分辨出最小線寬為18 nm、線邊緣粗糙度（LER）為1.97 nm的圖案（圖2A），隨機缺陷得到良好控制。在不同側鏈結構調控下，PTeO亦展現出16 nm線寬、18 nm 半節距（Half Pitch）等多種高分辨圖案能力，適用于稀疏與密集結構的兼容制備（圖2B-D）。值得一提的是，該光刻膠無需后烘處理，合成工藝簡潔，具有良好的工藝友好性和可拓展性。

圖2. PTeO的EUV光刻性能

  此外，研究還通過電子束光刻（EBL，一種業內常用于替代EUV光刻的技術）研究了PTeO的光刻機理。通過凝膠滲透色譜、拉曼光譜、紫外可見光譜、質譜和核磁共振等表征手段，團隊發現在曝光后Te-O主鏈發生了斷裂，產生了極性更大、溶解度更高的小分子寡聚體（圖3A-E）。由此作者提出了“主鏈斷裂”的光刻機理，Te在吸收了EUV能量后產生高能二次電子，后者激發弱Te-O鍵斷裂產生自由基，隨后消除得到小分子寡聚體，從而誘導溶解度轉變（圖3F）。

圖3. PTeO光刻機理研究

  總而言之，憑借PTeO 獨特的分子結構，團隊成功實現了理想的光刻膠配方。高吸收性的Te元素通過弱Te-O鍵緊密集成到分子均質的聚合物體系中，通過主鏈斷裂機制實現了出色的正性光刻性能。此外，與傳統的化學放大膠（CAR）或金屬氧化物膠（MOR）相比，PTeO 具有更簡單的結構和合成方法，同時無需烘焙步驟，這些優勢將有助于進一步驗證這種新型光刻膠的適用性，并引領下一代光刻材料的設計策略。

  清華大學化學系2024級博士生周睿豪為論文第一作者，2019級博士生曹木青參與了本工作。清華大學化學系許華平教授為通訊作者，清華大學集成電路學院馬克·奈瑟（Mark Neisser）與江南大學化學與材料工程學院譚以正副教授為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金重點項目的資助支持。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx1918