文 章 信 息
第一作者：王倩倩，周宇霆
通讯作者：何向明，徐宏，段辉高
研 究 背 景
具有超高分辨率特性的先进光刻技术，如极紫外光刻（EUV）或电子束光刻（EBL）是微纳加工的核心，扮演着产生微纳器件结构信息的关键作用。与传统的中紫外或深紫外光刻技术中，光子直接参与光化学反应的作用方式不同；极紫外和电子束光刻都涉及高能粒子，高能辐射诱导产生的光电子和二次电子（SEs）在光刻胶基质中触发了大多数的化学反应，在成像过程中起着关键作用。然而，光刻胶经辐照产生活性物种（包括二次电子和自由基）的扩散问题，导致了残胶缺陷严重破坏图形精度，成为超高分辨率成像中难以克服的挑战。因此，探索二次电子相关的反应机制，开发活性物种扩散的抑制策略，将有望进一步发挥EUV/EBL等先进光刻技术的成像潜力，推进微纳加工的极限分辨率。
文 章 简 介
近日，清华大学核能与新能源技术研究院的何向明、徐宏课题组与湖南大学机械与运载工程学院的段辉高课题组针对高能光刻技术中普遍存在的二次电子扩散导致的分辨率限制问题，提出了高能活性物种扩散抑制策略，通过自由基淬灭剂大幅度的提高了高能光刻中的成像分辨率。光刻性能测试与理论计算表明，该方法能有效地抑制光刻胶基质中不必要的电子激发和电离反应，从而显著提高分辨率和边缘粗糙度。本研究将为高精度纳米加工提供分辨率增强的新策略。
本 文 要 点
图1 辐射诱导化学反应及本研究提出的高能活性物种抑制策略
对于高分辨率光刻过程中的活性物种扩散问题，由于这一过程发生在非常小的纳米尺度（20 nm以下的图形的边缘），为了更为有效地显示出这一微小变化，需要采用高灵敏度光刻胶以尽可能地捕捉扩散的痕迹。氧化锆纳米颗粒光刻胶在极紫外和电子束下都有着极高的灵敏度；而且，最近我们的研究工作中制备了这类材料的单晶。因此，我们利用此类高感光度的氧化锆光刻胶作为研究对象，采用单晶型材料作为单组分光刻胶，排除了材料的个体尺寸、纯度或者光酸扩散对成像过程的影响。如图2 A,C所示，在常规的电子束光刻中，线条周围存在着大量因为活性物种扩散导致的残胶缺陷。尽管该单晶型光刻胶的尺寸仅为2 nm以下，且电子束光斑小于1 nm，仍然无法实现15 nm及以下的高分辨率成像；而这也是微纳加工中高分辨率成像挑战的一个典型例子——光刻技术和光刻胶材料都达到了分辨率要求，但却因为高能物种的扩散问题，而导致实际获得的分辨率极难提高。而本研究中引入的自由基淬灭剂，可以在一定程度上捕捉扩散的二次电子和高能活性物种（图2 B），从而消除不必要的电离和后续的自由基反应历程。这一策略的采用，最终将该高灵敏度光刻胶的线宽分辨率推进至10 nm（图2 D，E）。
图2高能活性物种抑制策略的作用机制示意图和EBL光刻结果
EUV光刻具有与EBL相似的高能成像机制，两者都产生SEs来触发化学反应。为了评估提出的扩散抑制策略的适用性，我们通过EUV光刻进行了密集线条成像测试（如图3）。研究结果表明分辨率增强效应与EBL测试结果相当，说明这种自由基淬灭策略对这两种高分辨率光刻成像方式都是有效的。
图3 高能活性物种抑制策略的EUV光刻验证
相关成果以“高精度纳米加工中二次电子扩散的抑制”（Suppressing of secondary electron diffusion for high-precision nanofabrication）为题，发表在材料学顶刊Materials today上。
清华大学博士后王倩倩和湖南大学研究生周宇霆为论文共同第一作者，清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学实验室的何向明研究员、徐宏副教授和湖南大学机械与运载工程学院段辉高教授为论文共同通讯作者，该研究得到国家自然科学基金项目(52073161、52221001)、北京市科委项目（Z211100004821008）、清华大学自主科研项目（2021Z11GHX010)及湖南大学粤港澳大湾区创新研究院的支持。
文 章 链 接
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.06.005
第 一 作 者 简 介
清华大学博士后王倩倩和湖南大学研究生周宇霆为论文共同第一作者
通 讯 作 者 简 介
清华大学核能与新能源技术研究院新型能源与材料化学实验室的何向明研究员、徐宏副教授和湖南大学机械与运载工程学院段辉高教授为论文共同通讯作者
