中國團隊稱破解晶片光刻缺陷難題

10月27日，多隻光刻膠概念股飄紅，收盤萬潤股份漲停，晶瑞電材漲超16%，艾森股份漲超6%，南大光電漲超5%，彤程新材漲超4%。消息面上，中國研究團隊在光刻膠領域取得了新的研究突破。

近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊及合作者撰寫的一篇論文發表在《自然·通訊》上，引起了廣泛關注。這篇論文將冷凍電子斷層掃描技術（Cryo-ET）引入半導體領域，通過該技術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、介面分佈與纏結行為，並指導開發出可顯著減少光刻缺陷的產業化方案。該論文提出的方案，能使光刻技術在減少圖案缺陷方面取得大於99%的改進。

在接受第一財經記者採訪時，彭海琳表示，該研究成果可直接用於半導體製造，技術方案可行，與現有的裝備相容。

光刻膠即光致抗蝕劑，是半導體光刻過程中一種關鍵材料，在光刻工藝過程中用作抗腐蝕塗層材料。

簡單理解，光刻是利用光和光刻膠之間的化學反應，採用深紫外光、極紫外光等將掩膜上的圖案轉移到矽晶圓上。光刻膠顯影是通過顯影液溶解曝光後光刻膠可溶解區域，形成奈米級電路圖案，這一步驟直接影響積體電路的尺寸精度。然而，光刻膠在顯影液中的行為長期是“黑匣子”，產業界在進行工藝最佳化時只能反覆試錯，阻礙了大批次製造時的技術最佳化，成為制約7奈米及更先進製程良率提升的瓶頸之一。

“隨著圖案的特徵尺寸接近光刻膠聚合物的輪廓長度，液膜內光刻膠分子的吸附和糾纏行為成為控製圖案缺陷形成的關鍵因素，最終決定半導體器件的穩定性和良率。”這篇名為《Cryo-electron tomography reconstructs polymer in liquid film for fab-compatible lithography》（冷凍電子斷層掃描重建液膜中的聚合物以實現與半導體製造相容的光刻技術）的論文稱，然而，儘管經過數十年的研究，光刻膠在液膜以及在氣液介面處的微觀行為仍難以捉摸，導致產業界在控製圖案缺陷方面基本上是一個不斷試錯的過程。

彭海琳告訴記者，此前業內主要通過掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等技術表徵光刻圖案，這些技術受限於“與液體環境不相容”或“較低的解析度”，導致光刻膠在液膜中的微觀結構和介面行為不清楚。

彭海琳及北京大學教授高毅勤、博士鄭黎明、清華大學教授王宏偉、香港大學博士劉楠等在該項研究中，則採用Cryo-ET技術，揭示了光刻膠聚合物在液膜和氣液介面處的奈米結構和動態特性，將氣液介面處光刻膠聚合物的空間分佈細化到溶液本體，並揭示了聚合物鏈之間的結合纏結現象，這種方法與傳統方法相比具有更高解析度。研究人員合成出一張解析度優於5奈米的微觀三維“全景照片”。

該論文進一步提出，在光刻膠顯影過程中抑制聚合物纏結，可能是緩解圖案表面缺陷形成的關鍵。在光刻過程中提高曝光後烘烤（PEB）溫度可以有效抑制聚合物纏結。當PEB溫度升高到105°C時，光刻膠聚合物傾向於解纏和分離，輪廓長度縮短。該論文還建議在整個光刻膠顯影過程中使用連續的液膜，以確保在氣液介面處可靠地捕獲解纏結的聚合物，並防止其重新沉積。

“通過這種策略，可以在整個12英吋晶圓上消除聚合物殘留物造成的缺陷。”該論文稱，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%，同時，該策略與現代晶圓廠相容，現有設施可在技術上實現抑制光刻膠纏結和連續液膜。

交叉學科研究在這項研究中起到了較為關鍵的作用。在這項研究中，研究者首次將冷凍電子斷層掃描技術引入半導體領域。向記者談及該技術的使用時，彭海琳表示，Cryo-ET技術此前主要用於結構生物學，“近期史丹佛大學研究人員將其應用於電池領域，我們將Cryo-ET技術應用於光刻領域也是一種跨學科交叉研究。”

彭海琳表示，他所在的課題組與清華大學生命學院一直密切合作，開發高分辨冷凍電鏡成像技術有較好的研究基礎。課題組內學科交叉，不同領域的研究人員容易碰撞出火花，很自然就想到用Cryo-ET技術來解析溶液中的光刻膠高分子。

記者留意到，在光刻膠研究領域，近兩年中國學界取得了一些重要的研究進展，而且一些研究成果已經在賦能半導體製造。

除了彭海琳教授團隊及合作者的最新研究成果，今年7月，清華大學還表示，該校化學系許華平教授在極紫外（EUV）光刻材料上取得了重要進展，開發出一種基於聚碲氧烷的新型光刻膠，有望推動下一代EUV光刻材料的發展。

去年，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室魏大程團隊則設計了一種功能型光刻膠，利用光刻技術在全畫幅尺寸晶片上整合了2700萬個有機電晶體並實現了互連，可助力實現特大規模整合度有機晶片製造，該團隊表示“在積極尋求產業界合作，推動科研成果應用轉化”。去年華中科技大學還與湖北九峰山實驗室組成聯合研究團隊，突破了“雙非離子型光酸協同增強響應的化學放大光刻膠”技術，這一具有自主智慧財產權的光刻膠體系已在生產線上完成了初步工藝驗證，實現了從技術開發到成果轉化全鏈條打通。

就如何進一步減少半導體製造領域的製造缺陷、如何看未來研究方向，彭海琳向記者表示，需要由產業界提需求，學術界進行基礎研究並反饋給產業界。

隨著積體電路工藝演進，光刻機也從DUV（深紫外光刻機）演變到能生產7nm及更先進製程的EUV（極紫外光刻機）。就中國學者在光刻膠相關研究領域所處的位置，彭海琳告訴記者，國際同行早在2000年左右就對深紫外光刻膠和極紫外光刻膠進行了大量的研究，中國學者目前處於努力追趕的狀態。

據市場研究機構QYResearch資料，2024年全球半導體光刻膠市場規模約26.85億美元，預計2031年將達45.47億美元。光刻膠核心廠商包括東京應化 TOK、JSR、信越化學Shin – Etsu等，主要來自日本、美國和韓國，2023 年前五大廠商約佔86%市場份額，中國企業則已在部分中低端產品領域取得突破，並投入EUV光刻膠研發，推動光刻膠中國國產化處理程序。

就半導體光刻技術突破還需要在什麼研究領域發力，彭海琳告訴記者，中國目前雖然在光刻機領域有所受限，但仍需要在極紫外光刻膠領域進行提前佈局，追趕國際同行的步伐。 (第一財經)