【導(dǎo)讀】光刻技術(shù)作為支撐集成電路芯片工藝持續(xù)微縮的關(guān)鍵基礎(chǔ)，近日迎來(lái)重要研究進(jìn)展。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合合作者在《自然-通訊》上發(fā)表了創(chuàng)新研究成果，通過(guò)采用冷凍電子斷層掃描技術(shù)，首次揭示了光刻膠在液態(tài)環(huán)境中的三維微觀結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)行為，為芯片制程的進(jìn)一步微縮與良率提升開(kāi)辟了新路徑。該成果已于《自然-通訊》發(fā)布。
據(jù)彭海琳教授介紹，光刻是芯片制造中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，可類比為在半導(dǎo)體晶圓（如硅片）上“印刷電路”，其核心在于利用高精度光學(xué)系統(tǒng)將設(shè)計(jì)好的電路圖案微縮并轉(zhuǎn)印至晶圓表面的光刻膠薄膜，再經(jīng)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(shù)，更被譽(yù)為微納加工領(lǐng)域“皇冠上的明珠”。
在光刻過(guò)程中，顯影液對(duì)電路圖案的形成起著關(guān)鍵作用。顯影階段，光刻膠的曝光區(qū)域會(huì)選擇性溶解于顯影液液膜中。液膜內(nèi)光刻膠分子的吸附狀態(tài)與纏結(jié)行為，直接關(guān)系到晶圓表面圖案缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而影響芯片的性能與制造良率。
《自然-通訊》的論文簡(jiǎn)介指出，盡管光刻膠研究已有數(shù)十年歷史，其在液膜及界面處的微觀行為仍不明確，導(dǎo)致工業(yè)界在圖案缺陷控制方面長(zhǎng)期依賴試錯(cuò)方法。本研究創(chuàng)新性地運(yùn)用冷凍電子斷層掃描技術(shù)，揭示了光刻膠聚合物在液膜和氣液界面處的納米結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化。與傳統(tǒng)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(tài)下的三維結(jié)構(gòu)，清晰呈現(xiàn)聚合物鏈在氣液界面上的空間分布及其內(nèi)聚纏結(jié)行為。
通過(guò)抑制聚合物纏結(jié)并調(diào)控光刻膠在氣液界面的吸附，研究團(tuán)隊(duì)在12英寸晶圓工業(yè)制程條件下成功消除了因殘留物導(dǎo)致的圖案污染，使與晶圓產(chǎn)線兼容的光刻圖案缺陷減少超過(guò)99%。
【圖示說(shuō)明】
該研究通過(guò)cryo-ET三維重構(gòu)獲得多項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。論文共同通訊作者、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤教授指出，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為溶解的光刻膠聚合物主要分布于液體內(nèi)部，但三維圖像清晰顯示其更多吸附于氣液界面。研究團(tuán)隊(duì)首次直接觀測(cè)到光刻膠聚合物通過(guò)較弱作用力或疏水相互作用形成的“凝聚纏結(jié)”，并發(fā)現(xiàn)氣液界面處的聚合物更易纏結(jié)成尺寸約30納米的團(tuán)聚顆粒，這些顆粒成為光刻圖案缺陷的重要來(lái)源。
基于上述發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)提出兩項(xiàng)簡(jiǎn)潔高效且與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線完全兼容的解決方案：抑制纏結(jié)與界面捕獲。實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)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(shù)量降低超過(guò)99%，且方案具備優(yōu)異的可靠性與重復(fù)性。
彭海琳教授強(qiáng)調(diào)，該研究不僅展示了冷凍電子斷層掃描技術(shù)在解析液相界面反應(yīng)中的強(qiáng)大能力，也為理解高分子材料、增材制造及生命科學(xué)中普遍存在的“纏結(jié)”現(xiàn)象提供了新視角。所提出的技術(shù)方案有望為提升光刻精度與良率開(kāi)辟全新途徑。
這項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的突破性研究，是基礎(chǔ)科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，而這一領(lǐng)域的理論體系仍處于發(fā)展初期。冷凍電子斷層掃描技術(shù)在解析聚合物科學(xué)、增材制造及生命科學(xué)中的纏結(jié)問(wèn)題上展現(xiàn)出廣闊潛力。在半導(dǎo)體工業(yè)中，對(duì)液膜內(nèi)聚合物納米結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)行為的深入理解，將有助于光刻、刻蝕及濕法工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的缺陷控制，對(duì)制造下一代電子器件具有重要意義。
