中科院福建物构所张磊研究员开发非烷基锡氧簇作为新型纳米光刻图案化材料

当前，极紫外(Extreme Ultraviolet, EUV)光刻技术对先进集成电路制造具有重要意义，受到半导体工业界的广泛关注。然而，由于EUV光源的输出功率过低，开发合适的EUV图案化材料面临着巨大的挑战。纳米金属氧化物具有对短波辐射的高灵敏度和较小的几何尺寸，因此可以提供更好的图案分辨率和更高的抗蚀性能，是当前EUV光刻胶的研究热点。

纳米氧化锡 (SnO₂)具有广泛应用，但是由于SnO₂纳米粒子固有的不均匀性，难以精确控制其原子结构，极大影响其光刻性能。原子级精确的锡氧簇（tin-oxo clusters，TOCs）可以针对性地解决这一问题，已在EUV纳米光刻中表现出优异的图案化性能。但目前的研究主要集中在烷基锡氧团簇的图案化表现，从结构化学的角度来看，这类有机锡氧簇相对稳定的Sn‒C键极大限制了它们的表面改性，不利于通过团簇表面结构调控优化其图案化性能。

鉴于此，中国科学院福建物质结构研究所张磊研究员等人利用配位延迟水解合成策略，以吡唑类化合物作为延迟水解配体与反应媒介，以无机四氯化锡盐为前体成功制备了系列不含端基Sn‒C键的非烷基锡氧簇。为了评估表面配体及簇核大小对图案化性能的影响，分别合成了吡唑、3-甲基吡唑和4-甲基吡唑官能化的Sn₁₀-氧簇（相同簇核，不同配体），以及4-甲基吡唑官能化的Sn₁₄-氧簇（相同配体，不同簇核）。首先通过X-射线单晶衍射分析确定所得非烷基锡氧簇的分子结构，利用粉末衍射和谱学测试证实制备样品的纯度，进而通过电喷雾质谱（ESI-MS）分析证实这系列非烷基锡氧簇具有良好的溶解性和优异的溶液稳定性。

图1 非烷基锡氧簇的光刻性能研究图示

在此基础上，作者将非烷基锡氧簇的溶液通过旋涂法制成具有不同厚度和粗糙度的薄膜，进而利用电子束光刻（EBL）对其图案化性能进行评估。对比研究显示，配体种类及配体:金属比例都对图案表现有重要影响。其中，4-甲基吡唑配体修饰的Sn₁₄-氧簇呈现出最好的图案化性能，SEM和AFM等电镜表征证实其在100 μC/cm²的较低曝光能量下就能得到50 nm线条，而当曝光能量提高到1000 μC/cm²时，所得图案的分辨率能够显著提升。这一工作开拓了原子级精确非烷基锡氧簇的光刻应用，为深入了解结构-光刻功能关系提供了良好的平台，并为未来开发高性能金属氧簇基EUV图案化材料提供了一种有效的结构化学方法。

详见：Di Wang, Xiaofeng Yi, Lei Zhang. Non-alkyl tin-oxo clusters as new-type patterning materials for nanolithography. Sci. China Chem., 2021, 64, DOI:10.1007/s11426-021-1092-2.

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通讯作者简介

张磊 中国科学院福建物质结构研究所研究员，博士生导师。2004年本科毕业于南京大学化学系，2009年获中科院福建物构所博士学位。2009年11月至2014年8月，分别在爱尔兰都柏林圣三一学院（博士后）和德国慕尼黑工业大学（洪堡学者）从事研究工作。2014年9月获聘中科院福建物构所“百人计划”回国工作。一直从事金属氧簇化学研究工作，发展了配位延迟水解合成策略，有效解决易水解金属离子的成簇结晶难题，制备系列新颖钛氧簇、锡氧簇并系统研究了其簇核与表面结构调控。在此基础上，近年来致力于开发具有自主知识产权的金属氧簇基光刻材料，并利用合成化学方法优化其图案化性能。

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