随着集成电路特征尺寸逼近物理极限，极紫外（EUV）光刻技术对光刻胶的综合性能提出前所未有的挑战。当前主流化学放大光刻胶（CAR）虽具高灵敏度，但因低EUV吸收率引发的光子散粒噪声和光酸扩散导致随机缺陷，而金属氧化物光刻胶（MOR）则受限于团簇尺寸分布不均和核壳结构异质性。学界公认的理想光刻胶需同时满足四大标准：分子级均质体系、高EUV吸收率、高效能量利用及超小构建单元，但此目标长期未获突破。
近日，清华大学化学系许华平教授，马克·奈瑟教授（Mark Neisser）与江南大学化学与材料工程学院谭以正副教授合作《科学进展》发表创新成果，开发出基于聚碲氧烷（PTeO）的EUV光刻胶。该材料通过有机碲单体经Te-O键聚合而成，将超高EUV吸收率的碲元素直接嵌入聚合物主链，利用弱Te-O键实现原位主链断裂机制。实验证实其能以13.1 mJ/cm²剂量制备18纳米线宽，线边缘粗糙度（LER）低至1.97纳米，为下一代光刻胶设计确立全新框架。
碲元素赋能突破性性能
图1揭示PTeO的核心优势：碲（Te）的EUV吸收截面达碳元素的40.5倍（图1B），是当前光刻胶金属元素中的最高值（图1C）。密度泛函理论（DFT）模拟显示（图1E），Te-O键解离能仅296 kJ/mol（图1F），显著低于传统光刻胶的C-C/C-O键。这种\"高吸收-弱键能\"组合使PTeO线性吸收系数达13.2-17.0 μm⁻¹（图1D），较商用光刻胶提升近三倍，同时确保能量高效利用于主链断裂。
图1. 含碲-氧化合物光刻胶的EUV吸收与解离能 (A) PTeO合成路线及结构，集成EUV吸收体与高效响应键 (B) 高EUV吸收碲元素与弱Te-O键协同设计 (C) 碲与光刻胶常用元素的原子吸收截面 (D) PTeO与传统光刻胶的线性吸收系数计算值 (E) 用于Te-O键解离模拟的PTeO三聚体模型 (F) Te-O键与Te-C键解离的DFT模拟对比
主链断裂机制获实验验证
图2通过电子束曝光实验解析作用机制：凝胶渗透色谱（GPC）显示曝光后分子量从33.7 kDa骤降至0.6 kDa（图2A）；拉曼光谱中510 cm⁻¹处Te-O键特征峰衰减（图2B），证实主链断裂为主导过程。质谱与核磁共振分析显影剂甲醇（图2D-E），检出Te-O断裂产生的寡聚物及二丁基二甲氧基碲（M₃）。综合提出作用机制（图2F）：EUV光子激发碲原子产生二次电子，断裂Te-O键生成自由基，最终形成高极性可溶寡聚体。
图2. Te-O主链断裂机制 (A) GPC谱图显示曝光后分子量降低（Mn从33.7 kDa降至0.6 kDa） (B) 拉曼光谱中Te-O主链峰衰减，表明解离为主导过程 (C) UV-vis光谱中Te-O主链峰减弱佐证解离发生 (D) 显影剂甲醇质谱检测到Te-O断裂寡聚物 (E) 醇解产物与独立合成M₃的¹H NMR对比（*为Te-C键解离产物） (F) EUV光刻中Te-O主链断裂机制示意图
创纪录光刻性能亮相
图3展示EUV光刻实际效果：聚（苯基-丙基）碲氧烷（PTeO-PhC3）在9.1 mJ/cm²剂量下实现24纳米稀疏线条（图3A-a）；而18纳米线宽仅需13.1 mJ/cm²且LER达1.97纳米（图3A-c）。聚（苯基-乙基）碲氧烷（PTeO-PhC2）更突破至16纳米线宽（图3B-c），密集图案中20纳米半节距（HP）的LER仅2.15纳米（图3C-c）。聚（苯基-丁基）碲氧烷（PTeO-PhC4）则实现18纳米半节距分辨率（图3D-d），侧链调控可优化分子刚性与溶解对比度。
图3. EUV光刻PTeO图案的SEM图像 (A) PTeO-PhC3稀疏图案（10% H₂O/MeOH显影）：(a-c) 9.1/10.9/13.1 mJ/cm²剂量下获得24/19/18纳米线宽 (B) PTeO-PhC2稀疏图案（15% H₂O/MeOH显影）：(a-c) 15.7/18.9/27.2 mJ/cm²剂量下获得29/27/16纳米线宽 (C) PTeO-PhC2密集图案：(a-d) 15.7/18.9/22.5 mJ/cm²剂量下获得30/25/20纳米半节距 (D) PTeO-PhC4密集图案：(a-d) 22.5/27.2/32.6/39.1 mJ/cm²剂量下获得30/25/20/18纳米半节距
电子束光刻凸显普适性
图4验证PTeO在电子束光刻（EBL）的适用性：不同分子量聚合物均保持120-350 μC/cm²的清除剂量（图4F），水-甲醇显影体系可调控线条宽度（图4G）。扫描电镜显示36-50纳米线宽图案（图4H-J），剖面形貌规整（图4K），成功制备元素周期表等复杂图形（图4L-O）。该材料在紫外光刻中同样表现优异，且团队已开发碲回收策略降低成本与毒性。
图4. PTeO在电子束光刻（30 keV）的性能 (A) 厚度-剂量测量的图案与剂量设计 (B-D) 原子力显微镜显示光刻胶表面形貌变化 (E) 不同侧链PTeO在MeOH显影的厚度-剂量曲线 (F) PTeO-diC4分子量与清除剂量D₀的关系 (G) 不同显影剂下PTeO-diC4厚度-剂量曲线 (H-J) PTeO-PhC4在5%/10%/20% H₂O/MeOH显影的36/41/50纳米线宽SEM图 (K) PTeO-PhC4图案剖面SEM图（15% H₂O/MeOH显影） (L-M) PTeO-PhC4几何图形/英文字母/汉字SEM图（标尺2μm） (N-O) PTeO-PhC4元素周期表图案SEM图（含元素符号与中文名称）
聚碲氧烷光刻胶凭借分子级均质体系与主链断裂机制，同步解决灵敏度、分辨率与随机缺陷难题。相较于传统技术，其合成更简易且无需烘烤步骤。该材料的设计策略为下一代光刻材料指明方向，有望推动半导体制造迈向新纪元。
来源：高分子科学前沿
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