自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)誕生以來，光刻技術(shù)始終發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是推動集成電路芯片制程工藝持續(xù)微縮的核心驅(qū)動力之一。在芯片制造過程中，光刻肩負(fù)著將設(shè)計圖紙上的電路圖案轉(zhuǎn)印至硅片的關(guān)鍵任務(wù)，其中，光刻膠在顯影液中的“一舉一動”，直接決定了數(shù)以億計晶體管的形態(tài)與芯片的最終良率。然而，這個發(fā)生在液態(tài)環(huán)境中的微觀過程，始終是無法被直接觀測的“黑匣子”，困擾著全球科學(xué)界。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授彭海琳、教授高毅勤、博士鄭黎明與清華大學(xué)教授王宏偉、香港大學(xué)博士劉楠等，利用前沿的冷凍電子斷層掃描技術(shù)，成功揭開了這個“黑匣子”的神秘面紗，首次捕捉到光刻膠分子在溶液中的真實三維形態(tài)，更據(jù)此開發(fā)出能顯著減少缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案，為先進(jìn)芯片制程的良率提升掃除了一大障礙。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然·通訊》。

彭海琳告訴記者，在芯片制造的光刻流程中，“顯影”是決定圖案成敗的核心一步。顯影液需要精確溶解光刻膠的特定區(qū)域，從而將預(yù)設(shè)的電路圖形精確轉(zhuǎn)移到硅片上。這個在液固界面上發(fā)生的微妙反應(yīng)，其精度直接影響著芯片性能。盡管產(chǎn)業(yè)界投入巨大，但由于液態(tài)環(huán)境的復(fù)雜與動態(tài)特性，傳統(tǒng)觀測手段無法進(jìn)行原位觀察。因此，大家對光刻膠聚合物的溶解機(jī)制、相互作用及其缺陷形成機(jī)理等基本問題知之甚少。這也導(dǎo)致工業(yè)界工藝優(yōu)化長期依賴反復(fù)“試錯”，成為制約7納米及以下先進(jìn)制程良率提升的關(guān)鍵瓶頸之一。

面對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊另辟蹊徑，首次將冷凍電子斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體研究并取得奇效。研究人員最終合成出一張分辨率優(yōu)于5納米的微觀三維“全景照片”，克服了傳統(tǒng)技術(shù)無法原位、三維、高分辨率觀測的三大痛點。

高毅勤說，首次出現(xiàn)的清晰三維視圖帶來了一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)。研究不僅推翻了業(yè)界長期認(rèn)為的“溶解后聚合物均勻分散”觀點，還首次在三維空間直接捕捉到了光刻膠聚合物之間的“纏結(jié)”行為，并由此找到了芯片圖案上的缺陷根源——“團(tuán)聚顆?！薄Ｔ诠I(yè)顯影中，由于光刻膠本身疏水性強(qiáng)，這些團(tuán)聚體會重新沉積到精密的電路圖案上，造成致命缺陷。研究團(tuán)隊通過缺陷表征發(fā)現(xiàn)，一塊12英寸晶圓上的缺陷數(shù)量可高達(dá)6617個，這是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所無法接受的。

基于這些微觀發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊提出了兩項簡潔高效且與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線兼容的解決方案。“實驗結(jié)果令人振奮：12英寸晶圓表面由光刻膠殘留引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量驟降超過99%，且方案表現(xiàn)出極高的可靠性和重復(fù)性。”王宏偉說。

“這項研究運(yùn)用的冷凍電子斷層掃描技術(shù)，其應(yīng)用潛力不限于芯片與光刻領(lǐng)域?！迸砗Ａ罩赋觯鼮樵谠?分子尺度上窺探各種液相界面反應(yīng)（如催化、合成與生命過程）提供了強(qiáng)大工具。對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，這次對液體中聚合物微觀行為的成功解碼，將推動先進(jìn)制程中光刻、蝕刻、濕法清洗等關(guān)鍵工藝的缺陷控制與良率攀升，為芯片性能跨越式發(fā)展注入新動能。（記者晉浩天）

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