一項(xiàng)常被視為生命科學(xué)利器的技術(shù)，正為芯片制造領(lǐng)域開(kāi)啟新的微觀世界大門(mén)。

01

北大團(tuán)隊(duì)突破光刻膠難題

光刻膠在顯影液中的行為堪稱(chēng)半導(dǎo)體領(lǐng)域的“哥德巴赫猜想”——當(dāng)光刻膠涂覆在硅片表面經(jīng)歷曝光后，其分子在顯影液中的溶解過(guò)程直接決定電路圖形的精度，但液相環(huán)境下的分子快速運(yùn)動(dòng)使傳統(tǒng)觀測(cè)手段失效。

在芯片制造的光刻環(huán)節(jié)中，工程師們長(zhǎng)期面臨一個(gè)難以逾越的障礙：他們無(wú)法直接觀察光刻膠在顯影液中的行為。這個(gè)發(fā)生在液態(tài)環(huán)境中的微觀過(guò)程如同一個(gè)“黑匣子”，迫使產(chǎn)業(yè)界只能通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝，特別是在7納米及以下先進(jìn)制程中，這已成為制約良率提升的關(guān)鍵瓶頸。

日前，北京大學(xué)彭海琳教授團(tuán)隊(duì)與合作者在《自然-通訊》發(fā)表的研究，成功打開(kāi)了這個(gè)黑匣子。他們借助冷凍電子斷層掃描技術(shù)（cryo-ET），首次在原位狀態(tài)下解析了光刻膠分子在液相環(huán)境中的微觀三維結(jié)構(gòu)，并據(jù)此開(kāi)發(fā)出可將缺陷數(shù)量降低超過(guò)99%的產(chǎn)業(yè)化方案。

光刻作為芯片制造的核心工藝，其本質(zhì)是用超精密“投影儀”把設(shè)計(jì)好的電路圖案縮小后印在硅片上。其中，“顯影”步驟至關(guān)重要——通過(guò)顯影液溶解光刻膠的曝光區(qū)域，將電路圖案精確轉(zhuǎn)移到硅片上。

這一液固界面反應(yīng)直接決定了數(shù)以?xún)|計(jì)晶體管的形態(tài)與芯片的最終良率。

傳統(tǒng)上，業(yè)界使用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等技術(shù)研究光刻機(jī)理，但這些方法均無(wú)法直接觀測(cè)溶液中的光刻膠分子行為。液態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性與動(dòng)態(tài)特性，使得微觀過(guò)程難以被捕捉，導(dǎo)致人們對(duì)光刻膠聚合物的溶解機(jī)制、相互作用及缺陷形成機(jī)理等基本問(wèn)題知之甚少。

彭海琳教授指出：“在光刻膠顯影過(guò)程中，光刻膠的曝光區(qū)域會(huì)選擇性地溶解在顯影液的液膜中。液膜中光刻膠分子的吸附與纏結(jié)行為，是影響晶圓表面圖案缺陷形成的關(guān)鍵因素。”這些缺陷可直接影響芯片性能和良率，尤其是在先進(jìn)制程中，圖案尺寸越小，缺陷的影響就越致命。

02

冷凍電鏡的華麗轉(zhuǎn)身

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將原本主要用于生命科學(xué)領(lǐng)域的冷凍電子斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體領(lǐng)域。這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用標(biāo)志著分析方法的重大突破。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套與光刻流程緊密結(jié)合的樣品制備方法。他們?cè)诰A上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的光刻曝光后，將含有光刻膠聚合物的顯影液快速吸取到電鏡載網(wǎng)上，并在毫秒內(nèi)將其急速冷凍至玻璃態(tài)。這種超快冷凍速度（>10^4 K/s）能瞬間“凍結(jié)”光刻膠在溶液中的真實(shí)構(gòu)象，最大限度地保持其原生狀態(tài)。

隨后，研究人員在冷凍電鏡下傾斜樣品，從-60°到+60°采集一系列傾斜角度下的二維投影圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)算法，將這些二維圖像融合成一張分辨率優(yōu)于5納米的三維視圖。這種方法一舉克服了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法原位、三維、高分辨率觀測(cè)的三大痛點(diǎn)。

論文共同通訊作者高毅勤教授表示：“我們最終合成出一張分辨率優(yōu)于5納米的微觀三維‘全景照片’，這為理解光刻膠分子行為提供了前所未有的視角?！?/strong>

03

顛覆發(fā)現(xiàn)

界面吸附與納米纏結(jié)的真相

冷凍電鏡三維重構(gòu)帶來(lái)了一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)了業(yè)界長(zhǎng)期以來(lái)的認(rèn)知。

與傳統(tǒng)認(rèn)為的“溶解后聚合物主要分散在液體內(nèi)部”的觀點(diǎn)相反，三維圖像顯示大多數(shù)光刻膠聚合物傾向于吸附在氣液界面，而非分散在溶液體相中。這一現(xiàn)象在365納米、248納米和193納米等多種光刻膠體系中均得到驗(yàn)證。

更令人驚訝的是，研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)空間直接觀測(cè)到了光刻膠聚合物的“凝聚纏結(jié)”行為。高分辨率圖像顯示，這種纏結(jié)并非相互貫穿的“拓?fù)淅p結(jié)”，而是聚合物鏈段局部平行排列，依靠較弱的范德華力或疏水相互作用結(jié)合。

研究發(fā)現(xiàn)，吸附在氣液界面的聚合物更易發(fā)生纏結(jié)，形成平均尺寸約30納米的團(tuán)聚顆粒，其中尺寸超過(guò)40納米的顆粒占比高達(dá)約20%。這些“團(tuán)聚顆?！闭枪饪倘毕莸母?。在工業(yè)顯影過(guò)程中，由于化學(xué)放大光刻膠本身疏水性強(qiáng)，這些團(tuán)聚體容易重新沉積到電路圖案上，造成“橋連”等致命缺陷。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)缺陷表征發(fā)現(xiàn)，一塊12英寸晶圓上的缺陷數(shù)量可高達(dá)6617個(gè)，這是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所無(wú)法接受的。這一發(fā)現(xiàn)直接指明了缺陷形成的機(jī)制，為解決方案的設(shè)計(jì)提供了方向。

04

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

基于這些微觀發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩項(xiàng)簡(jiǎn)潔高效且與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線(xiàn)兼容的解決方案：抑制纏結(jié)和界面捕獲。

抑制纏結(jié)的策略建立在“凝聚纏結(jié)”具有弱相互作用且對(duì)溫度敏感的特性上。團(tuán)隊(duì)通過(guò)適當(dāng)提高光刻工藝中的曝光后烘烤溫度，有效地促使聚合物解纏結(jié)并分散，從源頭上減少了超大團(tuán)聚體的生成。

界面捕獲方法則是通過(guò)優(yōu)化顯影工藝，讓晶圓表面始終保持連續(xù)液膜，使其可以帶走聚合物，避免其沉積在圖案上。兩種方案結(jié)合使用，效果極為顯著。

彭海琳教授介紹：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，12英寸晶圓表面的光刻膠殘留物引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量降幅超過(guò)99%，且該方案具備極高的可靠性和重復(fù)性?！?/strong>這一成果為先進(jìn)制程芯片制造良率提升提供了切實(shí)可行的路徑。

05

點(diǎn)評(píng)

半導(dǎo)體材料的自主創(chuàng)新之路

光刻膠作為芯片制造的關(guān)鍵材料，長(zhǎng)期被海外巨頭壟斷，嚴(yán)重制約著我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這一突破，不僅為國(guó)產(chǎn)高端光刻膠的研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)，更標(biāo)志著中國(guó)在半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域正走向世界前沿。

從產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)光刻膠產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展階段：2023年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)109.2億元，2024年突破114億元。與此同時(shí)，光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程也在加速，關(guān)鍵部件如準(zhǔn)分子激光器、光學(xué)鏡頭等已取得重要進(jìn)展。北大團(tuán)隊(duì)的這一基礎(chǔ)性突破，為中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的自主創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

而北京大學(xué)彭海琳教授團(tuán)隊(duì)及其合作者的這項(xiàng)工作，不僅解決了半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的具體技術(shù)難題，更展示了基礎(chǔ)科學(xué)研究對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的深遠(yuǎn)影響。通過(guò)創(chuàng)新性地將冷凍電鏡技術(shù)應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域，他們成功打開(kāi)了液相環(huán)境下材料行為研究的"黑匣子"，為芯片制造乃至更廣泛的材料科學(xué)研究提供了新的視角和工具。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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