我国打开了光刻胶领域的“黑盒子”

一项常被视为生命科学利器的技术，正为芯片制造领域开启新的微观世界大门。

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北大团队突破光刻胶难题

光刻胶在显影液中的行为堪称半导体领域的“哥德巴赫猜想”——当光刻胶涂覆在硅片表面经历曝光后，其分子在显影液中的溶解过程直接决定电路图形的精度，但液相环境下的分子快速运动使传统观测手段失效。

在芯片制造的光刻环节中，工程师们长期面临一个难以逾越的障碍：他们无法直接观察光刻胶在显影液中的行为。这个发生在液态环境中的微观过程如同一个“黑匣子”，迫使产业界只能通过反复试验来优化工艺，特别是在7纳米及以下先进制程中，这已成为制约良率提升的关键瓶颈。

日前，北京大学彭海琳教授团队与合作者在《自然-通讯》发表的研究，成功打开了这个黑匣子。他们借助冷冻电子断层扫描技术（cryo-ET），首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的微观三维结构，并据此开发出可将缺陷数量降低超过99%的产业化方案。

光刻作为芯片制造的核心工艺，其本质是用超精密“投影仪”把设计好的电路图案缩小后印在硅片上。其中，“显影”步骤至关重要——通过显影液溶解光刻胶的曝光区域，将电路图案精确转移到硅片上。

这一液固界面反应直接决定了数以亿计晶体管的形态与芯片的最终良率。

传统上，业界使用原子力显微镜、扫描电子显微镜等技术研究光刻机理，但这些方法均无法直接观测溶液中的光刻胶分子行为。液态环境的复杂性与动态特性，使得微观过程难以被捕捉，导致人们对光刻胶聚合物的溶解机制、相互作用及缺陷形成机理等基本问题知之甚少。

彭海琳教授指出：“在光刻胶显影过程中，光刻胶的曝光区域会选择性地溶解在显影液的液膜中。液膜中光刻胶分子的吸附与缠结行为，是影响晶圆表面图案缺陷形成的关键因素。”这些缺陷可直接影响芯片性能和良率，尤其是在先进制程中，图案尺寸越小，缺陷的影响就越致命。

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冷冻电镜的华丽转身

面对这一挑战，研究团队另辟蹊径，将原本主要用于生命科学领域的冷冻电子断层扫描技术引入半导体领域。这项技术的创新应用标志着分析方法的重大突破。

研究团队设计了一套与光刻流程紧密结合的样品制备方法。他们在晶圆上进行标准的光刻曝光后，将含有光刻胶聚合物的显影液快速吸取到电镜载网上，并在毫秒内将其急速冷冻至玻璃态。这种超快冷冻速度（>10^4 K/s）能瞬间“冻结”光刻胶在溶液中的真实构象，最大限度地保持其原生状态。

随后，研究人员在冷冻电镜下倾斜样品，从-60°到+60°采集一系列倾斜角度下的二维投影图像，通过计算机三维重构算法，将这些二维图像融合成一张分辨率优于5纳米的三维视图。这种方法一举克服了传统技术无法原位、三维、高分辨率观测的三大痛点。

论文共同通讯作者高毅勤教授表示：“我们最终合成出一张分辨率优于5纳米的微观三维‘全景照片’，这为理解光刻胶分子行为提供了前所未有的视角。”

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颠覆发现

界面吸附与纳米缠结的真相

冷冻电镜三维重构带来了一系列颠覆性发现，挑战了业界长期以来的认知。

与传统认为的“溶解后聚合物主要分散在液体内部”的观点相反，三维图像显示大多数光刻胶聚合物倾向于吸附在气液界面，而非分散在溶液体相中。这一现象在365纳米、248纳米和193纳米等多种光刻胶体系中均得到验证。

更令人惊讶的是，研究团队首次在实空间直接观测到了光刻胶聚合物的“凝聚缠结”行为。高分辨率图像显示，这种缠结并非相互贯穿的“拓扑缠结”，而是聚合物链段局部平行排列，依靠较弱的范德华力或疏水相互作用结合。

研究发现，吸附在气液界面的聚合物更易发生缠结，形成平均尺寸约30纳米的团聚颗粒，其中尺寸超过40纳米的颗粒占比高达约20%。这些“团聚颗粒”正是光刻缺陷的根源。在工业显影过程中，由于化学放大光刻胶本身疏水性强，这些团聚体容易重新沉积到电路图案上，造成“桥连”等致命缺陷。

研究团队通过缺陷表征发现，一块12英寸晶圆上的缺陷数量可高达6617个，这是大规模工业生产所无法接受的。这一发现直接指明了缺陷形成的机制，为解决方案的设计提供了方向。

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产业应用

基于这些微观发现，研究团队提出了两项简洁高效且与现有半导体产线兼容的解决方案：抑制缠结和界面捕获。

抑制缠结的策略建立在“凝聚缠结”具有弱相互作用且对温度敏感的特性上。团队通过适当提高光刻工艺中的曝光后烘烤温度，有效地促使聚合物解缠结并分散，从源头上减少了超大团聚体的生成。

界面捕获方法则是通过优化显影工艺，让晶圆表面始终保持连续液膜，使其可以带走聚合物，避免其沉积在图案上。两种方案结合使用，效果极为显著。

彭海琳教授介绍：“实验结果表明，12英寸晶圆表面的光刻胶残留物引起的图案缺陷被成功消除，缺陷数量降幅超过99%，且该方案具备极高的可靠性和重复性。”这一成果为先进制程芯片制造良率提升提供了切实可行的路径。

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点评

半导体材料的自主创新之路

光刻胶作为芯片制造的关键材料，长期被海外巨头垄断，严重制约着我国半导体产业的发展。北京大学团队的这一突破，不仅为国产高端光刻胶的研发提供了科学依据，更标志着中国在半导体材料基础研究领域正走向世界前沿。

从产业数据来看，我国光刻胶产业正处于快速发展阶段：2023年市场规模达109.2亿元，2024年突破114亿元。与此同时，光刻机国产化进程也在加速，关键部件如准分子激光器、光学镜头等已取得重要进展。北大团队的这一基础性突破，为中国半导体产业链的自主创新奠定了坚实基础。

而北京大学彭海琳教授团队及其合作者的这项工作，不仅解决了半导体制造领域的具体技术难题，更展示了基础科学研究对产业技术进步的深远影响。通过创新性地将冷冻电镜技术应用于材料科学领域，他们成功打开了液相环境下材料行为研究的"黑匣子"，为芯片制造乃至更广泛的材料科学研究提供了新的视角和工具。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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