集成電路芯片制造中，光刻工藝的精度直接決定著芯片性能，而光刻膠在顯影過程中的微觀行為長期制約著先進制程的良率提升。近日，北京大學化學與分子工程學院研究團隊通過創(chuàng)新技術手段，首次實現(xiàn)了對液相環(huán)境中光刻膠分子三維結構的原位觀測，并據(jù)此開發(fā)出有效減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案，相關成果發(fā)表于國際權威期刊《自然-通訊》。

作為芯片制造的核心環(huán)節(jié)，光刻技術通過顯影步驟將電路圖案轉(zhuǎn)移到硅片上。這一過程中，光刻膠如同繪制電路的“隱形畫筆”，其溶解后的運動狀態(tài)直接影響圖案的精確度。然而，傳統(tǒng)研究手段無法實時捕捉光刻膠在顯影液中的動態(tài)行為，導致工業(yè)界只能通過反復試驗優(yōu)化工藝，這一瓶頸在7納米及以下制程中尤為突出。

研究團隊創(chuàng)新性地將冷凍電子斷層掃描技術引入半導體領域。他們在完成標準光刻曝光后，迅速將含有光刻膠的顯影液轉(zhuǎn)移至電鏡載網(wǎng)，并通過毫秒級急速冷凍技術使溶液進入玻璃態(tài)，從而“凍結”了光刻膠分子的真實狀態(tài)。隨后，研究人員在冷凍電鏡下以不同角度采集二維投影圖像，利用計算機算法重構出分辨率優(yōu)于5納米的三維結構圖，首次實現(xiàn)了對液相環(huán)境中高分子材料的原位、高分辨率觀測。

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了兩項針對性解決方案：通過適當提高曝光后烘烤溫度，可有效抑制聚合物纏結，減少大尺寸團聚體的生成；優(yōu)化顯影工藝使晶圓表面保持連續(xù)液膜，利用液體流動帶走多余聚合物，防止其沉積。實際應用顯示，這兩種方案協(xié)同作用后，12英寸晶圓表面的光刻膠殘留缺陷數(shù)量減少超過99%，顯著提升了芯片制造的良率。

該研究不僅為光刻工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)，更開創(chuàng)了液相界面反應研究的新范式。研究團隊指出，冷凍電子斷層掃描技術能夠在原子/分子尺度上解析各類液相反應，這對于理解光刻、蝕刻和濕法清洗等關鍵工藝中的缺陷形成機制具有重要意義。隨著技術的進一步發(fā)展，有望推動更先進制程的芯片制造實現(xiàn)更高良率。