北大团队攻克光刻胶微观难题，首创“拍清”芯片制造关键技术
10月24日消息，在现代科技发展的命脉——芯片制造这一精密工程中，光刻技术扮演着画龙点睛般的关键角色，负责将复杂的电路图案一丝不苟地“描绘”在硅晶圆之上。
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然而，在这个核心流程中，那个被称为“光刻胶在显影液中的行为”的微观世界，却如同一个长期困扰业界的“黑匣子”，难以一探究竟，更成为提升7纳米及更先进制程芯片良率的主要瓶颈。
近日，由北京大学彭海琳教授领衔的研究团队，通过冷冻电子断层扫描技术，首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的三维结构、界面分布与缠绕行为，成功打开了这个“黑匣子”的神秘大门。
这项突破性研究由北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授、高毅勤教授、郑黎明博士联合清华大学王宏伟教授、香港大学刘楠博士等科研人员共同完成。研究团队创造性地将原本主要用于生命科学研究的冷冻电子断层扫描技术，首次引入半导体制造领域。这一技术的巧妙之处在于，它能以超快速度（超过每秒一万帧）将显影液连同其中的光刻胶分子瞬间冻结在它们的“工作状态”，仿佛按下了时间的暂停键，完整保留了这些分子在液态环境中的真实构象。随后，借助先进的成像和三维重建技术，科学家们成功获取了优于5纳米分辨率的光刻胶微观三维“高清全景图”，首次从原子尺度清晰揭示了光刻胶分子在显影液中的三维结构特征、界面分布规律以及它们相互缠绕的具体行为细节。
这项前所未有的观测带来了颠覆性的新发现。与以往认为光刻胶溶解后会均匀分散在液体中的假设不同，三维图像清晰显示，绝大多数光刻胶分子倾向于聚集并吸附在液体和空气的界面上。更重要的是，研究首次在真实空间中直接观察到了光刻胶分子之间的“弱相互作用缠绕”现象——它们并非紧密交织，而是通过较弱的分子间作用力松散地连接在一起，呈现出类似局部平行排列的状态。正是这些吸附在界面上并发生缠绕的分子，容易形成尺寸较大（平均约30纳米，部分甚至超过40纳米）的团聚颗粒。在芯片制造的显影环节中，这些团聚体极易重新沉积到极其精密的电路图案上，造成足以影响良率的缺陷问题。研究人员发现，一块12英寸晶圆上因此产生的缺陷数量可能高达数千个，严重制约了先进芯片的规模化量产良率。
深入理解现象背后的成因是解决问题的关键。团队通过计算机模拟，验证了实验结果，并揭示了分子聚集和缠绕的能量驱动机制及其可逆特性。基于这些深刻洞见，研究团队提出了两项既简单高效、又能与现有芯片生产线无缝兼容的创新解决方案：一是通过适当提高显影前的烘焙温度，利用缠绕对温度的热敏感性，有效促进大团集体离解成更小、更分散的分子链；二是在显影过程中优化工艺，确保晶圆表面始终覆盖一层连续的液体薄膜，这层薄膜就像一张高效的“过滤网”，能捕获并将吸附在界面上的分子团簇冲刷带走，防止其回落污染电路图案。
令人振奋的是，当这两种策略结合应用后，12英寸晶圆上由光刻胶残留引起的图案缺陷被成功消除了99%以上。这一成果意味着，长期困扰先进芯片制造的显影缺陷问题找到了可行的优化路径。
这项研究的意义远超光刻领域本身。其展现的冷冻电子断层扫描技术潜力，为在原子/分子尺度上原位研究各类发生在液体环境中的化学反应提供了通用工具。对芯片产业而言，精准掌握液体中聚合物材料的微观行为，将极大地推动包括光刻、蚀刻、清洗在内的多个先进制造关键环节的缺陷控制和良率提升，为制造性能更强、更可靠的下一代芯片铺平道路。
这项标志性成果已于9月30日发表在国际顶级学术期刊《自然·通讯》上。附论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-63689-4
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