Exploring the Potential of Layer-Ordered Organooxo Tin Clusters for Extreme Ultraviolet Lithography

Abstract

The production of highly integrated semiconductors is greatly enhanced by extreme ultraviolet (EUV) photolithography, which enables the high-throughput creation of precise patterns with critical dimensions in the nanometer scale. To maximize the capabilities of EUV lithographic techniques, there is a demand for photoresist (PR) materials that possess high resolution, high EUV sensitivity, low line width roughness and long shelf-life. Organometallic and coordinative materials have emerged as promising alternatives to extreme ultraviolet (EUV) photoresists. In spite of significant progress, the range of available EUV PR materials remains limited. In this study, we developed eight new multinuclear organotin compounds that precisely controlled the length of the organic ligand using Sn complexes as EUV PR. The complexes consist of a carboxylic acid to pyrazole, and the organic ligand is based on a bispyrazole structure connected by alkyl bridges of various lengths. The developed EUV PRs that can form pre-organized layers of tetranuclear ladder stannoxanes. X-ray single crystal structure analyses show a close interlayer distance of 8.5 Å due to the interdigitation of pseudo-axial butyl chains. Our EUV PR materials are highly soluble in organic solvents commonly used in semiconductor processing, which allows PR solutions to exhibit excellent wettability and uniformity of film on Si wafer substrates. Additionally, these PR solutions display significant resistance to hydrolytic decomposition for up to one month, suggesting a long shelf-life. The inclusion of chromophoric ligands makes our PR materials compatible with conventional UV photolithography, through photochemical reactions involving n-π* umpolung carbonyl units. Moreover, e-beam and EUV photolithography could form fine line patterns with half-pitch values of 20 and 15 nm, respectively. Our study highlights the significant potential of layer-ordered organooxo tin clusters for use in EUV photoresist applications.;본 연구는 극자외선(EUV) 포토리소그래피를 향상시키기 위해 새로운 접근 방식을 제안한 내용을 담고 있다. 이를 위해 카르복실산이 도입된 피라졸과, 다양한 길이의 알킬 링커로 연결된 비즈피라졸 구조를 기반으로 한 유기 리간드를 도입한 유기 주석 화합물을 합성하여 높은 해상도와 EUV 감도, 보관 안정성을 갖춘 신규 포토레지스트 재료를 개발하였다. 개발된 EUV PR은 사다리꼴 모양의 사핵 복합체 산화주석 층을 형성함으로써 두 가지 다른 효과를 기대하였다. 첫째, 포토레지스트 용액의 저장 수명의 향상을 촉진할 수 있다. X선 단결정 구조 분석에 따르면, 축 방향의 부틸 사슬의 교차로 인해 층간 거리가 8.5 Å로 나타났으며, 이러한 구조는 가수분해 억제에 기인하여 포토레지스트 용액은 최대 한 달 동안의 수분 분해에 대한 저항성을 보여주어 긴 저장 수명의 확보를 암시한다. 둘째, 작은 클러스터 크기로 인해 포토레지스트 용액이 실리콘 웨이퍼 기판 위에 훌륭한 습윤성과 필름의 균일성이 확보됨을 발견하였다. 발색 리간드의 포함으로 우리의 포토레지스트 재료는 기존의 UV 포토리소그래피와 호환되며, n-π* 극성 반전 특성을 지닌 카보닐 단위를 포함한 광화학 반응을 통해 작용함을 밝혀냈다. 또한, 전자빔 및 EUV 포토리소그래피는 각각 20 nm 및 15 nm HP 값을 갖는 미세한 선 패턴을 형성할 수 있다. 우리의 연구는 EUV 포토레지스트 응용에서 층질서 유기산화주석 클러스터의 중요한 잠재력을 제시한다는 점에 있어 본 연구는 큰 의의를 가진다. 부록에서는 광유도 전자 전이에 의한 광산화환원 촉매 반응 연구를 다뤘다. 합성 광화학 분야는 가시광을 흡수하는 광촉매의 도입과 응용으로 다시 한 번 주목받고 있다. 이러한 광촉매들은 주로 전자 또는 에너지 이동 경로를 통해 확산반응의 효율성과 정확성을 높여왔으나, 광촉매에 의한 광촉매활성은 전통적인 전자 또는 에너지 이동 패러다임에서 벗어나는 경우가 많아 더 이상 탐구되지 않은 다른 광활성화 메커니즘이 존재한다는 가능성이 존재한다. 우리의 연구는 이러한 대안적 경로 중 하나인 전하 중립 광촉매활성 과정인 전하 재조합 삼중체 감응이라는 새로운 메커니즘을 제시하였다. 우리의 연구는 인돌-융합된 유기광촉매로 촉매된 DeMayo형 [2+2] 사이클로첨가 반응에서 새로운 메커니즘을 입증하였다. 광물리학, 광 흡수 분광학, 전기화학 및 양자 화학 계산 기법 등을 포함한 체계적인 실험을 통해, 광유도 전자 이동을 통한 기질 활성화, 그 후 삼중체 상태를 생성하는 전하 재조합을 포함한 메커니즘의 각 단계를 규명하였다. 우리의 메커니즘 연구는 광촉매 반응 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공하며, 첨단 광화학 공정의 체계적 설계와 개발을 용이하게 할 것으로 기대된다.