北大團隊首創技術“看清”光刻膠真面目

光刻技術是支撐積體電路晶片工藝不斷微縮的關鍵技術基礎，近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊及其合作者在《自然-通訊》上披露了他們的新發現。該團隊通過創新應用冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）技術，團隊首次解析光刻膠在液態環境中的微觀三維結構及動態行為，為晶片製程微縮化與良率提升提供全新解決方案。相關成果發表於《自然-通訊》（Nature Communications）。

論文連結: https://www.nature.com/articles/s41467-025-63689-4

彭海琳表示，光刻是晶片製造中關鍵的步驟之一，通俗理解，光刻就是給半導體晶圓（比如矽片）“印電路”，核心是用超精密“投影儀”把設計好的電路圖案，縮小後印在矽片的特殊薄膜上，再通過沖洗定型。光刻是晶片製造的核心技術之一，更是微納加工領域“皇冠上的明珠”。

顯影液則在電路圖案形成過程中發揮著重要作用。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，進而可直接影響晶片性能和良率。

《自然-通訊》報導的簡介中提到，儘管經過數十年的研究，光刻膠在液膜和介面處的微觀行為仍然難以捉摸，導致工業界對圖案缺陷的控制很大程度上是一個反覆試驗的過程。在這裡，我們利用冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）方法揭示了液膜和氣液介面處光刻膠聚合物的奈米結構和動力學。與傳統方法相比，cryo-ET 以顯著提高的解析度重建了光刻膠聚合物的天然態三維結構。Cryo-ET 重建解決了光刻膠聚合物在本體溶液中氣液介面上的空間分佈，揭示了聚合物鏈之間的內聚纏結。通過抑制聚合物纏結並利用光刻膠在氣液介面的吸附，在工業條件下消除了 12 英吋晶圓上的污染，使與晶圓廠相容的光刻圖案缺陷減少率提高了 99% 以上。

註：a光刻膠顯影后 12 英吋晶圓的光學圖像。b顯影奈米圖案的 SEM 圖像。c光刻膠（化學放大光刻膠）的水接觸角測量。插圖：光學圖像顯示光刻膠的水接觸角約為 85°。d示意圖顯示光刻膠潤濕性差導致纏結聚合物吸附在圖案表面。e、f光刻膠顯影后12 英吋晶圓的缺陷對應（e），其中每個紅點表示圖案缺陷的發生（f）。g cryo -ET 切片顯示，當將曝光後烘烤溫度（T）從 95°C（左）增加到 105°C（右）時，聚合物纏結受到抑制。h通過抑制氣液介面處的聚合物纏結來去除缺陷的示意圖，防止大尺寸聚合物殘留物的形成和沉積。i消除缺陷的 12 英吋晶圓。j通過抑制氣液介面處的聚合物纏結，顯影圖案的聚合物殘留量降低了 99% 以上。插圖：無缺陷顯影圖案的典型 SEM 圖像。比例尺，80 奈米。

冷凍電鏡斷層掃描的三維重構帶來了一系列新發現。

論文通訊作者之一、北京大學化學與分子工程學院高毅勤教授表示，以往業界認為溶解後的光刻膠聚合物主要分散在液體內部，可三維圖像顯示它們大多吸附在氣液介面。團隊還首次直接觀察到光刻膠聚合物的“凝聚纏結”，其依靠較弱的力或者疏水相互作用結合。而且，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，這些“團聚顆粒”正是光刻潛在的缺陷根源。

“我們由此提出了兩項簡單、高效且與現有半導體產線相容的解決方案。一是抑制纏結，二是介面捕獲。”彭海琳說，實驗表明，兩種策略結合，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。

彭海琳表示，研究說明冷凍電子斷層掃描技術為在原子/分子尺度上解析各類液相介面反應提供了強大工具，也有助於闡釋高分子、增材製造和生命科學中廣泛存在的“纏結”現象。“我們的方案能為提升光刻精度與良率開闢新路徑。”彭海琳說。

這項由中國科學家主導的重大突破，是基礎科學研究與產業應用需求緊密結合的典範。正如論文作者所言，這項工作為解讀水介面化學反應的結構和動力學鋪平了道路，而該領域的理論制定仍處於早期階段。低溫電子斷層掃描 (cryo-ET) 在解決聚合物科學、增材製造和生命科學中普遍存在的糾纏方面也顯示出巨大的潛力。在半導體工業的應用方面，液膜中的聚合物奈米結構和動力學有望有利於光刻、蝕刻和濕法工藝領域的缺陷控制，而這些領域對於製造下一代電子產品至關重要。 (半導體材料與工藝裝置)