电路转印的微观世界被“看见”
自半导体产业诞生以来，光刻技术始终发挥着关键作用，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。在芯片制造过程中，光刻肩负着将设计图纸上的电路图案转印至硅片的关键任务，其中，光刻胶在显影液中的“一举一动”，直接决定了数以亿计晶体管的形态与芯片的最终良率。然而，这个发生在液态环境中的微观过程，始终是无法被直接观测的“黑匣子”，困扰着全球科学界。北京大学化学与分子工程学院教授彭海琳、教授高毅勤、博士郑黎明与清华大学教授王宏伟、香港大学博士刘楠等，利用前沿的冷冻电子断层扫描技术，成功揭开了这个“黑匣子”的神秘面纱，首次捕捉到光刻胶分子在溶液中的真实三维形态，更据此开发出能显著减少缺陷的产业化方案，为先进芯片制程的良率提升扫除了一大障碍。相关研究成果日前发表于《自然·通讯》。
彭海琳告诉记者，在芯片制造的光刻流程中，“显影”是决定图案成败的核心一步。显影液需要精确溶解光刻胶的特定区域，从而将预设的电路图形精确转移到硅片上。这个在液固界面上发生的微妙反应，其精度直接影响着芯片性能。尽管产业界投入巨大，但由于液态环境的复杂与动态特性，传统观测手段无法进行原位观察。因此，大家对光刻胶聚合物的溶解机制、相互作用及其缺陷形成机理等基本问题知之甚少。这也导致工业界工艺优化长期依赖反复“试错”，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。
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”，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。（记者晋浩天）
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