中國打開了光刻膠領域的“黑盒子”

2025/10/28

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一項常被視為生命科學利器的技術，正為晶片製造領域開啟新的微觀世界大門。

光刻膠在顯影液中的行為堪稱半導體領域的“哥德巴赫猜想”——當光刻膠塗覆在矽片表面經歷曝光後，其分子在顯影液中的溶解過程直接決定電路圖形的精度，但液相環境下的分子快速運動使傳統觀測手段失效。

在晶片製造的光刻環節中，工程師們長期面臨一個難以踰越的障礙：他們無法直接觀察光刻膠在顯影液中的行為。這個發生在液態環境中的微觀過程如同一個“黑匣子”，迫使產業界只能通過反覆試驗來最佳化工藝，特別是在7奈米及以下先進製程中，這已成為制約良率提升的關鍵瓶頸。

日前，北京大學彭海琳教授團隊與合作者在《自然-通訊》發表的研究，成功打開了這個黑匣子。他們借助冷凍電子斷層掃描技術（cryo-ET），首次在原位狀態下解析了光刻膠分子在液相環境中的微觀三維結構，並據此開發出可將缺陷數量降低超過99%的產業化方案。

光刻作為晶片製造的核心工藝，其本質是用超精密“投影儀”把設計好的電路圖案縮小後印在矽片上。其中，“顯影”步驟至關重要——通過顯影液溶解光刻膠的曝光區域，將電路圖案精確轉移到矽片上。

這一液固介面反應直接決定了數以億計電晶體的形態與晶片的最終良率。

傳統上，業界使用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等技術研究光刻機理，但這些方法均無法直接觀測溶液中的光刻膠分子行為。液態環境的複雜性與動態特性，使得微觀過程難以被捕捉，導致人們對光刻膠聚合物的溶解機制、相互作用及缺陷形成機理等基本問題知之甚少。

彭海琳教授指出：“在光刻膠顯影過程中，光刻膠的曝光區域會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行為，是影響晶圓表面圖案缺陷形成的關鍵因素。”這些缺陷可直接影響晶片性能和良率，尤其是在先進製程中，圖案尺寸越小，缺陷的影響就越致命。

面對這一挑戰，研究團隊另闢蹊徑，將原本主要用於生命科學領域的冷凍電子斷層掃描技術引入半導體領域。這項技術的創新應用標誌著分析方法的重大突破。

研究團隊設計了一套與光刻流程緊密結合的樣品製備方法。他們在晶圓上進行標準的光刻曝光後，將含有光刻膠聚合物的顯影液快速吸取到電鏡載網上，並在毫秒內將其急速冷凍至玻璃態。這種超快冷凍速度（>10^4 K/s）能瞬間“凍結”光刻膠在溶液中的真實構象，最大限度地保持其原生狀態。

隨後，研究人員在冷凍電鏡下傾斜樣品，從-60°到+60°採集一系列傾斜角度下的二維投影圖像，通過電腦三維重構演算法，將這些二維圖像融合成一張解析度優於5奈米的三維檢視。這種方法一舉克服了傳統技術無法原位、三維、高解析度觀測的三大痛點。

論文共同通訊作者高毅勤教授表示：“我們最終合成出一張解析度優於5奈米的微觀三維‘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。”

冷凍電鏡三維重構帶來了一系列顛覆性發現，挑戰了業界長期以來的認知。

與傳統認為的“溶解後聚合物主要分散在液體內部”的觀點相反，三維圖像顯示大多數光刻膠聚合物傾向於吸附在氣液介面，而非分散在溶液體相中。這一現像在365奈米、248奈米和193奈米等多種光刻膠體系中均得到驗證。

更令人驚訝的是，研究團隊首次在實空間直接觀測到了光刻膠聚合物的“凝聚纏結”行為。高解析度圖像顯示，這種纏結並非相互貫穿的“拓撲纏結”，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合。

研究發現，吸附在氣液介面的聚合物更易發生纏結，形成平均尺寸約30奈米的團聚顆粒，其中尺寸超過40奈米的顆粒佔比高達約20%。這些“團聚顆粒”正是光刻缺陷的根源。在工業顯影過程中，由於化學放大光刻膠本身疏水性強，這些團聚體容易重新沉積到電路圖案上，造成“橋連”等致命缺陷。

研究團隊通過缺陷表徵發現，一塊12英吋晶圓上的缺陷數量可高達6617個，這是大規模工業生產所無法接受的。這一發現直接指明了缺陷形成的機制，為解決方案的設計提供了方向。

基於這些微觀發現，研究團隊提出了兩項簡潔高效且與現有半導體產線相容的解決方案：抑制纏結和介面捕獲。

抑制纏結的策略建立在“凝聚纏結”具有弱相互作用且對溫度敏感的特性上。團隊通過適當提高光刻工藝中的曝光後烘烤溫度，有效地促使聚合物解纏結並分散，從源頭上減少了超大團聚體的生成。

介面捕獲方法則是通過最佳化顯影工藝，讓晶圓表面始終保持連續液膜，使其可以帶走聚合物，避免其沉積在圖案上。兩種方案結合使用，效果極為顯著。

彭海琳教授介紹：“實驗結果表明，12英吋晶圓表面的光刻膠殘留物引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數量降幅超過99%，且該方案具備極高的可靠性和重複性。”這一成果為先進製程晶片製造良率提升提供了切實可行的路徑。

光刻膠作為晶片製造的關鍵材料，長期被海外巨頭壟斷，嚴重制約著中國半導體產業的發展。北京大學團隊的這一突破，不僅為國產高端光刻膠的研發提供了科學依據，更標誌著中國在半導體材料基礎研究領域正走向世界前沿。

從產業資料來看，中國光刻膠產業正處於快速發展階段：2023年市場規模達109.2億元，2024年突破114億元。與此同時，光刻機國產化處理程序也在加速，關鍵部件如准分子雷射器、光學鏡頭等已取得重要進展。北大團隊的這一基礎性突破，為中國半導體產業鏈的自主創新奠定了堅實基礎。

而北京大學彭海琳教授團隊及其合作者的這項工作，不僅解決了半導體製造領域的具體技術難題，更展示了基礎科學研究對產業技術進步的深遠影響。通過創新性地將冷凍電鏡技術應用於材料科學領域，他們成功打開了液相環境下材料行為研究的"黑匣子"，為晶片製造乃至更廣泛的材料科學研究提供了新的視角和工具。 (壹零社)