【導讀】光刻技術作為支撐集成電路芯片工藝持續微縮的關鍵基礎，近日迎來重要研究進展。北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊聯合合作者在《自然-通訊》上發表了創新研究成果，通過采用冷凍電子斷層掃描技術，首次揭示了光刻膠在液態環境中的三維微觀結構及其動態行為，為芯片制程的進一步微縮與良率提升開辟了新路徑。該成果已于《自然-通訊》發布。
據彭海琳教授介紹，光刻是芯片制造中至關重要的環節，可類比為在半導體晶圓（如硅片）上“印刷電路”，其核心在于利用高精度光學系統將設計好的電路圖案微縮并轉印至晶圓表面的光刻膠薄膜，再經顯影、刻蝕等步驟完成圖形化。光刻不僅被視為芯片制造的核心技術，更被譽為微納加工領域“皇冠上的明珠”。
在光刻過程中，顯影液對電路圖案的形成起著關鍵作用。顯影階段，光刻膠的曝光區域會選擇性溶解于顯影液液膜中。液膜內光刻膠分子的吸附狀態與纏結行為，直接關系到晶圓表面圖案缺陷的產生，進而影響芯片的性能與制造良率。
《自然-通訊》的論文簡介指出，盡管光刻膠研究已有數十年歷史，其在液膜及界面處的微觀行為仍不明確，導致工業界在圖案缺陷控制方面長期依賴試錯方法。本研究創新性地運用冷凍電子斷層掃描技術，揭示了光刻膠聚合物在液膜和氣液界面處的納米結構及動態變化。與傳統表征手段相比，cryo-ET 能夠以更高分辨率重建光刻膠在近自然狀態下的三維結構，清晰呈現聚合物鏈在氣液界面上的空間分布及其內聚纏結行為。
通過抑制聚合物纏結并調控光刻膠在氣液界面的吸附，研究團隊在12英寸晶圓工業制程條件下成功消除了因殘留物導致的圖案污染，使與晶圓產線兼容的光刻圖案缺陷減少超過99%。
【圖示說明】
該研究通過cryo-ET三維重構獲得多項新發現。論文共同通訊作者、北京大學化學與分子工程學院高毅勤教授指出，傳統觀點認為溶解的光刻膠聚合物主要分布于液體內部，但三維圖像清晰顯示其更多吸附于氣液界面。研究團隊首次直接觀測到光刻膠聚合物通過較弱作用力或疏水相互作用形成的“凝聚纏結”，并發現氣液界面處的聚合物更易纏結成尺寸約30納米的團聚顆粒，這些顆粒成為光刻圖案缺陷的重要來源。
基于上述發現，團隊提出兩項簡潔高效且與現有半導體產線完全兼容的解決方案：抑制纏結與界面捕獲。實驗證明，結合這兩種策略可有效消除12英寸晶圓表面因光刻膠殘留引起的圖案缺陷，缺陷數量降低超過99%，且方案具備優異的可靠性與重復性。
彭海琳教授強調，該研究不僅展示了冷凍電子斷層掃描技術在解析液相界面反應中的強大能力，也為理解高分子材料、增材制造及生命科學中普遍存在的“纏結”現象提供了新視角。所提出的技術方案有望為提升光刻精度與良率開辟全新途徑。
這項由中國科學家主導的突破性研究，是基礎科學研究與產業應用深度融合的典范。正如作者在文中所指出，該工作為理解水界面化學反應的結構與動力學奠定了基礎，而這一領域的理論體系仍處于發展初期。冷凍電子斷層掃描技術在解析聚合物科學、增材制造及生命科學中的纏結問題上展現出廣闊潛力。在半導體工業中，對液膜內聚合物納米結構與動態行為的深入理解，將有助于光刻、刻蝕及濕法工藝等關鍵環節的缺陷控制，對制造下一代電子器件具有重要意義。
