南开新闻网讯（记者 高雨桐 通讯员 刘芳芳） 随着芯片制造逐渐迈向亚纳米技术节点，极紫外（EUV）光刻技术对光刻胶材料的分辨率提出了更为严苛的亚10纳米需求。近日，南开大学现代光学研究所张磊教授团队与南京大学鲁振达教授团队合作，利用时间分辨透射电子显微镜（TEM）揭示了金属氧簇光刻胶的辐射反应机制，并提出一种“离子亲氧工程”策略，成功实现了亚10纳米的EUV光刻特征尺寸（CD）。
在指甲盖大小的芯片上，数百亿个晶体管密布。要将复杂电路精准“刻写”到硅片表面，离不开光刻胶这一关键材料。它能够在光的照射下，将复杂的电路图案精准地记录并转移到芯片上。
作为下一代超高分辨光刻材料的有力候选，原子级精确的锡基氧簇因其在EUV波段的高吸收截面和纳米级结构均匀性备受学术界和产业界瞩目。然而，复杂的辐射反应路径限制了该类材料的精准设计，使其还无法在先进工艺中充分发挥高分辨率潜力。
“在高能辐照下，常规的锡氧簇不够‘听话’，原子容易过度聚集、乱跑，导致材料内部出现微孔或颗粒缺陷。”张磊解释道，“这会导致光刻出的图案边缘粗糙，就像用钝笔画细线，线的边缘会十分毛糙，严重制约了其图案化的精度。”
针对这一核心难题，联合研究团队创新性地发展了“离子亲氧工程”策略，在传统的锡氧骨架中引入了亲氧能力更强的铕离子，构建了双金属异核氧簇分子。利用时间分辨透射电子显微镜，团队对材料在辐照过程中的动态变化进行了直接观测，证实了“离子亲氧工程”策略能够有效阻断锡氧单元的过度聚集，使其展现出优异的抗结晶性能。
密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，铕离子的引入如同在系统中植入了一个刚性的“锚点”，显著提高了锡空位的形成能，并协同强化了周围的Sn-O化学键。这种在微观骨架上的稳定性增强，使得材料即使在吸收辐射能量后，也能有效抑制原子的长程迁移与缺陷的产生，从而维持均匀、致密的非晶态交联网络。
团簇光刻胶“离子亲氧工程”策略实现亚10纳米EUV光刻
这一微观骨架的优化，在实际光刻工艺中展现出了卓越的图案化性能。上海同步辐射光源的EUV光刻测试结果表明，该新型团簇光刻胶成功实现了特征尺寸（CD）仅为9.78纳米的超精细线条。
这项工作为开发面向亚纳米制程的超高分辨团簇光刻胶提供了一条有效的“离子亲氧工程”技术路线，相关成果发表于纳米材料领域权威期刊ACS Nano。南开大学现代光学研究所2023级博士研究生刘芳芳、南京大学孙悦为本论文共同第一作者，南开大学张磊教授与南京大学鲁振达教授为本论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、南开大学中央高校基本科研业务费以及天津市青年科技人才项目的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02004
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