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我國(guó)芯片領(lǐng)域取得新突破。

近日，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)及合作者通過(guò)冷凍電子斷層掃描技術(shù)，首次在原位狀態(tài)下解析了光刻膠分子在液相環(huán)境中的微觀三維結(jié)構(gòu)、界面分布與纏結(jié)行為，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。

光刻是整個(gè)集成電路制造過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)、難度最大的工藝，光刻膠則是光刻過(guò)程最重要的耗材，對(duì)光刻工藝有著重要影響。隨著中國(guó)半導(dǎo)體廠商的強(qiáng)勢(shì)崛起以及下游需求的擴(kuò)大，光刻膠的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，據(jù)銳觀產(chǎn)業(yè)研究院報(bào)告，2024年我國(guó)光刻膠市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)至114億元以上，KrF光刻膠等中高端產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程加快，預(yù)計(jì)2025年光刻膠市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)123億元。

重大突破

據(jù)科技日?qǐng)?bào)，光刻技術(shù)是推動(dòng)集成電路芯片制程工藝持續(xù)微縮的核心驅(qū)動(dòng)力之一。近日，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)及合作者通過(guò)冷凍電子斷層掃描（cryo-electron tomography，cryo-ET）技術(shù)，首次在原位狀態(tài)下解析了光刻膠分子在液相環(huán)境中的微觀三維結(jié)構(gòu)、界面分布與纏結(jié)行為，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。相關(guān)論文近日刊發(fā)于《自然-通訊》。

“顯影”是光刻的核心步驟之一，通過(guò)顯影液溶解光刻膠的曝光區(qū)域，將電路圖案精確轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻膠如同刻畫(huà)電路的顏料，它在顯影液中的運(yùn)動(dòng)，直接決定電路畫(huà)得準(zhǔn)不準(zhǔn)、好不好，進(jìn)而影響芯片良率。長(zhǎng)期以來(lái)，光刻膠在顯影液中的微觀行為是“黑匣子”，工業(yè)界的工藝優(yōu)化只能靠反復(fù)試錯(cuò)，這成為制約7納米及以下先進(jìn)制程良率提升的關(guān)鍵瓶頸之一。

為破解難題，研究團(tuán)隊(duì)首次將冷凍電子斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體領(lǐng)域。他們?cè)诰A上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的光刻曝光后，將含有光刻膠聚合物的顯影液快速吸取到電鏡載網(wǎng)上，并在毫秒內(nèi)將其急速冷凍至玻璃態(tài)，“定格”光刻膠在溶液中的真實(shí)狀態(tài)。

隨后，研究人員在冷凍電鏡中傾斜該樣品，采集一系列傾斜角度下的二維投影圖像，再基于計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)算法，將這些二維圖像融合成一張高分辨率的三維視圖，分辨率優(yōu)于5納米。這種方法一舉解決了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法原位、三維、高分辨率觀測(cè)的三大痛點(diǎn)。

該技術(shù)帶來(lái)諸多新發(fā)現(xiàn)。論文通訊作者之一、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤教授介紹，以往業(yè)界認(rèn)為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內(nèi)部，然而三維圖像顯示它們大多吸附在氣液界面；團(tuán)隊(duì)還首次直接觀察到光刻膠聚合物的“凝聚纏結(jié)”，其依靠較弱的力或者疏水相互作用結(jié)合；而且，吸附在氣液界面的聚合物更易發(fā)生纏結(jié)，形成平均尺寸約30納米的團(tuán)聚顆粒，這些“團(tuán)聚顆?！闭菨撛诘娜毕莞矗鼈?nèi)菀壮练e到精密的電路圖案上，讓本該分開(kāi)的電路連在一起。

團(tuán)隊(duì)為控制纏結(jié)提出了兩項(xiàng)實(shí)用方案：適當(dāng)提高曝光后烘烤溫度，抑制聚合物纏結(jié)，減少大團(tuán)聚體生成；優(yōu)化顯影工藝，讓晶圓表面始終有連續(xù)液膜，使其可以帶走聚合物，避免其沉積。兩種方案結(jié)合，12英寸晶圓表面的光刻膠殘留物引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量降幅超過(guò)99%。

影響多大？

該研究的意義遠(yuǎn)超光刻領(lǐng)域本身。其所展現(xiàn)的冷凍電子斷層掃描技術(shù)威力，為在原子 / 分子尺度上原位研究各類(lèi)發(fā)生在液體環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)（如催化、合成乃至生命過(guò)程）提供了強(qiáng)大的通用工具。對(duì)于芯片產(chǎn)業(yè)而言，精準(zhǔn)掌握液體中聚合物材料的微觀行為，將極大地推動(dòng)包括光刻、蝕刻、清洗等在內(nèi)的多個(gè)先進(jìn)制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)的缺陷控制和良率提升，為制造性能更強(qiáng)、更可靠的下一代芯片鋪平道路。

據(jù)申港證券的研報(bào)，光刻是整個(gè)集成電路制造過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)、難度最大的工藝，耗時(shí)占IC制造50%左右，成本約占IC生產(chǎn)成本的1/3。光刻膠是光刻過(guò)程最重要的耗材，光刻膠的質(zhì)量對(duì)光刻工藝有著重要影響。

在光刻過(guò)程中，需在硅片上涂一層光刻膠，經(jīng)紫外線曝光后，光刻膠的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，在通過(guò)顯影后，被曝光的光刻膠將被去除，從而實(shí)現(xiàn)將電路圖形由掩膜版轉(zhuǎn)移到光刻膠上。再經(jīng)過(guò)刻蝕過(guò)程，實(shí)現(xiàn)電路圖形由光刻膠轉(zhuǎn)移到硅片上。在刻蝕過(guò)程中，光刻膠起防腐蝕的保護(hù)作用。

隨著集成電路的發(fā)展，芯片制造特征尺寸越來(lái)越小，對(duì)光刻膠的要求也越來(lái)越高。光刻膠的核心技術(shù)參數(shù)包括分辨率、對(duì)比度和敏感度等。為了滿(mǎn)足集成電路發(fā)展的需要，光刻膠朝著高分辨率、高對(duì)比度以及高敏感度等方向發(fā)展。

從需求端來(lái)看，光刻膠可分為半導(dǎo)體光刻膠、面板光刻膠和PCB光刻膠。其中，半導(dǎo)體光刻膠的技術(shù)壁壘最高。

根據(jù)全球市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)QYResearch報(bào)告，光刻膠市場(chǎng)長(zhǎng)期被東京應(yīng)化、信越化學(xué)、JSR、富士膠片等國(guó)際巨頭壟斷。近年來(lái)，受諸多因素影響，我國(guó)加快半導(dǎo)體自主可控步伐，產(chǎn)業(yè)鏈上下游多個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的重大突破。

隨著中國(guó)半導(dǎo)體廠商的強(qiáng)勢(shì)崛起以及下游需求的擴(kuò)大，光刻膠作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，其規(guī)模也迎來(lái)顯著增長(zhǎng)。據(jù)銳觀產(chǎn)業(yè)研究院報(bào)告，2023年我國(guó)光刻膠市場(chǎng)規(guī)模約109.2億元，2024年增長(zhǎng)至114億元以上，KrF光刻膠等中高端產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程加快，預(yù)計(jì)2025年光刻膠市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)123億元。

排版：劉珺宇

校對(duì)：李凌鋒