光刻技术是推动集成电路芯片制程工艺持续微缩的核心驱动力之一。
据科技日报，近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队及合作者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微观三维结构、界面分布与缠结行为，指导开发出可显著减少光刻缺陷的产业化方案。相关论文近日刊发于《自然·通讯》。
“显影”是光刻的核心步骤之一，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。光刻胶如同刻画电路的颜料，它在显影液中的运动，直接决定电路画得准不准、好不好，进而影响芯片良率。长期以来，光刻胶在显影液中的微观行为是“黑匣子”，工业界的工艺优化只能靠反复试错，这成为制约7纳米及以下先进制程良率提升的关键瓶颈之一。
光明日报报道，面对这一挑战，研究团队另辟蹊径，首次将“冷冻电子断层扫描”技术首次引入半导体研究并取得奇效。研究人员最终合成出一张分辨率优于5纳米的微观三维“全景照片”，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。
高毅勤说，首次出现的清晰三维视图带来了一系列颠覆性发现。研究不仅推翻了业界长期认为的“溶解后聚合物均匀分散”观点，还首次在真实三维空间直接捕捉到了光刻胶聚合物之间的“缠结”行为，并由此找到了芯片图案上的缺陷根源——“团聚颗粒”。在工业显影中，由于光刻胶本身疏水性强，这些团聚体会重新沉积到精密的电路图案上，造成如“桥连”之类的致命缺陷。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。
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。“实验结果令人振奋：12英寸晶圆表面由光刻胶残留引起的图案缺陷被成功消除，缺陷数量骤降超过99%，且方案表现出极高的可靠性和重复性。”王宏伟说。
“这项研究运用的冷冻电子断层扫描技术，其应用潜力远不限于芯片与光刻领域。”彭海琳指出，它为在原子/分子尺度上窥探各种液相界面反应（如催化、合成与生命过程）提供了强大工具。对于半导体产业而言，这次对液体中聚合物微观行为的成功解码，将推动先进制程中光刻、蚀刻、湿法清洗等关键工艺的缺陷控制与良率攀升，为芯片性能跨越式发展注入新动能。
每日经济新闻综合科技日报、光明日报
