在芯片制造領(lǐng)域，光刻技術(shù)一直是推動工藝向更微縮尺度發(fā)展的關(guān)鍵力量。近日，北京大學化學與分子工程學院的一支科研團隊及其合作伙伴，在芯片制造技術(shù)的研究上取得了突破性進展，相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》期刊，引發(fā)了行業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

光刻，作為芯片制造中不可或缺的一環(huán)，其作用類似于為半導(dǎo)體晶圓（如硅片）“繪制電路圖”。科研人員利用超精密的“投影儀”，將設(shè)計好的電路圖案縮小后精準地印在硅片表面的特殊薄膜上，再經(jīng)過沖洗等步驟完成定型。這一過程不僅決定了芯片的核心結(jié)構(gòu)，更被視為微納加工領(lǐng)域的“巔峰技術(shù)”。而顯影液在這一過程中扮演著重要角色，光刻膠的曝光區(qū)域會選擇性地溶解在顯影液的液膜中，液膜中光刻膠分子的行為直接影響著晶圓表面圖案的質(zhì)量，進而關(guān)乎芯片的性能和良率。

長期以來，國際科研界一直在探索光刻的微觀過程和機理，常用的技術(shù)包括“原子力顯微鏡”“掃描電子顯微鏡”“飛行時間質(zhì)譜”等。然而，這些技術(shù)在觀察光刻膠高分子在顯影液中的動態(tài)行為時，往往難以達到理想的清晰度。為了突破這一瓶頸，北京大學的研究團隊首次將冷凍電鏡斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體領(lǐng)域，并設(shè)計了一套與光刻流程緊密結(jié)合的樣品制備方法。

具體操作中，科研人員在晶圓上完成標準的光刻曝光后，迅速將含有光刻膠聚合物的顯影液吸取到電鏡載網(wǎng)上，并在極短時間內(nèi)將其急速冷凍至玻璃態(tài)，從而“凝固”住光刻膠在溶液中的真實狀態(tài)。隨后，利用冷凍電鏡從多個角度對樣品進行傾斜拍攝，采集二維投影圖像，并通過計算實現(xiàn)三維重構(gòu)，分辨率可達亞納米級。這一方法不僅克服了傳統(tǒng)技術(shù)的局限，還能高分辨率地重建液膜中光刻膠聚合物的三維結(jié)構(gòu)與界面分布，甚至解析出分子的纏結(jié)現(xiàn)象。通過冷凍電鏡斷層掃描的三維重構(gòu)，研究團隊獲得了一系列新發(fā)現(xiàn)。論文的通訊作者之一指出，此前業(yè)界普遍認為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內(nèi)部，但三維圖像顯示，它們大多吸附在氣液界面。團隊還首次直接觀察到光刻膠聚合物的“凝聚纏結(jié)”，這種纏結(jié)依靠較弱的力或疏水相互作用形成。吸附在氣液界面的聚合物更容易發(fā)生纏結(jié)，形成平均尺寸約30納米的團聚顆粒，而這些顆粒正是光刻過程中潛在缺陷的根源。

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了兩項與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線兼容的解決方案：一是抑制纏結(jié)，二是界面捕獲。實驗結(jié)果表明，將這兩種策略結(jié)合使用后，12英寸晶圓表面因光刻膠殘留物引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量減少了超過99%，且該方案具有極高的可靠性和重復(fù)性。這一成果不僅為提升光刻精度和良率提供了新思路，也證明了冷凍電子斷層掃描技術(shù)在解析液相界面反應(yīng)中的強大潛力，未來有望在高分子、增材制造和生命科學等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。