【導(dǎo)讀】在芯片制造這場微觀世界的極致角逐中，光刻技術(shù)始終是推動制程工藝持續(xù)微縮的核心驅(qū)動力。近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授團隊與合作者在《自然-通訊》上發(fā)表了一項突破性研究，他們首次將常用于生命科學(xué)領(lǐng)域的冷凍電子斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，成功“凍結(jié)”并解析了光刻膠分子在顯影液中的真實三維結(jié)構(gòu)與行為，進(jìn)而開發(fā)出可大幅降低光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。這一跨界嘗試，為芯片制造的精度與良率提升打開了新的想象空間。
光刻：芯片制造“皇冠上的明珠”
光刻，被彭海琳教授形象地比喻為“給半導(dǎo)體晶圓‘印電路’”。它如同一個超精密的投影儀，將設(shè)計好的電路圖案縮小后，“印刷”在硅片表面的光刻膠薄膜上，再通過顯影、刻蝕等步驟最終成型。這一環(huán)節(jié)的精度，直接決定了芯片上數(shù)以億計晶體管的結(jié)構(gòu)是否完整、性能是否達(dá)標(biāo)。
而在光刻過程中，顯影液的作用至關(guān)重要——它負(fù)責(zé)溶解曝光區(qū)域的光刻膠，形成電路圖案。其中，光刻膠分子在液膜中的吸附與纏結(jié)行為，是影響圖案缺陷形成的關(guān)鍵因素，也直接牽動著芯片的最終性能與制造良率。
跨界“利器”：冷凍電鏡如何“看清”液相微觀世界？
盡管國際學(xué)界已嘗試使用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等多種技術(shù)研究光刻機理，但這些手段仍難以捕捉光刻膠高分子在液態(tài)顯影環(huán)境中的動態(tài)行為與真實構(gòu)象。
北大團隊突破性地引入了冷凍電子斷層掃描技術(shù)。他們設(shè)計了一套與光刻流程緊密配合的樣品制備方法：在晶圓完成曝光后，迅速吸取含光刻膠的顯影液至電鏡載網(wǎng)，并在毫秒級時間內(nèi)將其急速冷凍至玻璃態(tài)，從而“定格”光刻膠分子在溶液中的原始狀態(tài)。隨后，通過傾斜樣品、采集多角度二維圖像并進(jìn)行三維重構(gòu)，團隊以亞納米級的分辨率清晰呈現(xiàn)了液膜中光刻膠分子的分布與纏結(jié)情況。
“與傳統(tǒng)方法相比，冷凍電鏡斷層掃描不僅能高分辨率重建三維結(jié)構(gòu)，還能解析以往難以捕捉的聚合物纏結(jié)現(xiàn)象。”彭海琳指出。
從三維圖像到產(chǎn)業(yè)方案：缺陷數(shù)量下降超99%
三維重構(gòu)圖像帶來了令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。論文通訊作者之一、北京大學(xué)高毅勤教授介紹，過去業(yè)界普遍認(rèn)為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內(nèi)部，但圖像清晰顯示，它們更多吸附在氣液界面。更關(guān)鍵的是，團隊首次直接觀測到光刻膠分子通過較弱的作用力形成“凝聚纏結(jié)”，并在氣液界面處團聚成平均尺寸約30納米的顆粒——這些顆粒正是導(dǎo)致圖案缺陷的潛在“元兇”。
基于這一機制，團隊提出了兩項簡單且與現(xiàn)有產(chǎn)線高度兼容的解決方案：一是抑制分子纏結(jié)，二是實施界面捕獲。實驗證明，結(jié)合兩種策略后，12英寸晶圓表面因光刻膠殘留引起的圖案缺陷數(shù)量下降超過99%，方案具備極高的可靠性與重復(fù)性。
為芯片制造與液相界面研究開辟通途
“這項研究不僅為提升光刻精度與良率開辟了新路徑，也展示了冷凍電鏡技術(shù)在解析液相界面反應(yīng)中的強大潛力。”彭海琳強調(diào)，該技術(shù)未來有望廣泛應(yīng)用于高分子材料、增材制造乃至生命科學(xué)中涉及“纏結(jié)”現(xiàn)象的研究領(lǐng)域。
在芯片制造持續(xù)逼近物理極限的今天，北大的這一跨界探索，不僅為解決光刻缺陷提供了切實可行的工程方案，更在方法論層面啟示我們：打破學(xué)科邊界，往往能于無聲處聽驚雷。
