本月中旬，外媒指出中国在芯片技术上若想取得更大进步，光刻技术仍需加倍努力。而不久后，清华大学教授许华平团队和合作者成功研制出一种基于聚碲氧烷的理想光刻胶配方，实现18nm线宽和1.97nm低线边缘粗糙度，为下一代EUV光刻胶设计奠定框架，成果发表于《Science Advances》。
突破困境，研制理想光刻胶配方
目前，中国高端光刻胶市场主要依赖日本进口。本月中旬，曾有外媒指出中国若想在芯片技术上取得更大进步，还需在光刻技术上加倍奋进。而光刻胶作为光刻技术中核心且不可替代的关键材料，其性能直接决定了光刻工艺的精度、效率和最终器件的质量。就在外媒发文后不久，清华大学教授许华平团队和合作者凭借聚碲氧烷独特的分子结构，成功研制出一种更加理想的光刻胶配方，并在13.1mJ/cm²的剂量下，实现了18nm的线宽和1.97nm的低线边缘粗糙度。相关论文发表于《Science Advances》，清华大学博士生周睿豪为第一作者，许华平为通讯作者，清华大学客座教授马克·奈瑟（Mark Neisser）与江南大学谭以正副教授为共同通讯作者。
极简设计，为下一代光刻胶提供路径
清华大学在官方新闻稿中指出：“这一光刻胶仅由单组份小分子聚合而成，在极简的设计下实现了理想光刻胶特性的整合，为构建下一代EUV光刻胶提供了清晰而可行的路径。”该团队在论文中表示，具有高吸收性的碲元素通过较弱的碲 - 氧（Te - O）键紧密整合到分子级均相聚合物体系中，借助主链断裂机制能够实现优异的正性光刻性能。此外，与传统的化学放大光刻胶或金属氧化物光刻胶相比，聚碲氧烷的结构和合成方法明显更简单，同时还省去了烘烤步骤。其认为，这一简洁而高效的集成系统是光刻胶领域的重大突破，并能为下一代极紫外光刻胶的设计奠定框架。
理想光刻胶的挑战与标准
极紫外光刻技术已成为先进半导体制造工艺的核心，对光刻胶的综合性能和随机缺陷抑制提出了越来越严格的要求。公认的减少缺陷策略之一，是使用能将高极紫外吸收率和能量利用率整合到一个基于分子构建块的均匀体系中的材料，这也是极紫外光刻胶的理想配方。然而，在单个分子内实现这些综合特性一直是未解决的挑战。随着特征尺寸接近物理极限，极紫外光刻对光刻胶性能要求愈发严苛，13.5nm的极紫外光源依赖的反射式光学系统效率低，降低光强度，这就需要光刻胶具有更高灵敏度。化学放大光刻胶虽应用广泛，利用光酸催化聚合物侧链上的脱保护反应实现较高灵敏度，但极紫外光吸收率低引起的光子散粒噪声，以及光致产酸剂的扩散导致的随机缺陷，在更小尺度下愈发严重。此前，学术界已就最大限度减少光刻胶中随机缺陷所需的终极配方达成共识，理想的光刻胶材料必须满足以下标准：具有均质化系统，消除随机分布导致的缺陷；具有高极紫外光吸收率，提升灵敏度并降低光子散粒噪声；能够高效利用吸收的极紫外能量，限制反应体积；具备超小型结构单元，减轻特征尺寸的影响。此前，在光刻胶中实现这些要求是一项重大挑战，需要将高吸收率和高效的能量利用整合到具有均匀体系的小型结构单元中。最接近这一目标的金属氧化物光刻胶，因尺寸分布不均诱发缺陷需增加过滤工艺，且团簇的核壳结构阻碍均一性；其衍生物有机金属光刻胶虽实现更优均质性，但难以兼顾分辨率和灵敏度。曾有研究团队尝试通过多功能单体整合这些特性，但依赖复杂结构设计，且难以同时实现高吸收率和均一性。因此，迫切需要一种可行的方法，将这些特性全面整合到理想的光刻胶配方中。
聚碲氧烷配方满足光刻胶标准
本次研究中，许华平等人使用单组分聚碲氧烷（PTeO，polytelluoxane）配方来满足这些光刻胶标准。该配方通过有机碲化物单体通过碲 - 氧（Te - O）键聚合而成。Te是现有元素中极紫外吸收截面最大的元素，它能同时确保高灵敏度并抑制光子散粒噪声。相对较弱的Te - O键能够利用吸收的极紫外能量实现原位断裂，从而达成高效的正性极紫外成像，并将反应体积降至最低。Te - O构建块是可能存在的最小单元，由此实现了均一体系。聚碲氧烷的结构能够将极紫外吸收剂和响应性键直接整合到聚合物主链中，从而实现高吸收率和极紫外能量的高效利用。这些聚合物具有由碲和氧交替构成的主链，且有机侧链连接在碲原子上。碲元素具有超高的极紫外吸收截面，其吸收截面是碳元素的40.5倍，是氧元素的11.2倍。任何极紫外吸收截面比碲高的元素，要么是惰性气体（比如氙和氡），要么具有放射性（比如砹）。
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