【導讀】在芯片制造這場微觀世界的極致角逐中，光刻技術始終是推動制程工藝持續微縮的核心驅動力。近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊與合作者在《自然-通訊》上發表了一項突破性研究，他們首次將常用于生命科學領域的冷凍電子斷層掃描技術引入半導體制造領域，成功“凍結”并解析了光刻膠分子在顯影液中的真實三維結構與行為，進而開發出可大幅降低光刻缺陷的產業化方案。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“給半導體晶圓‘印電路’”。它如同一個超精密的投影儀，將設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。這一環節的精度，直接決定了芯片上數以億計晶體管的結構是否完整、性能是否達標。
而在光刻過程中，顯影液的作用至關重要——它負責溶解曝光區域的光刻膠，形成電路圖案。其中，光刻膠分子在液膜中的吸附與纏結行為，是影響圖案缺陷形成的關鍵因素，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？
盡管國際學界已嘗試使用原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等多種技術研究光刻機理，但這些手段仍難以捕捉光刻膠高分子在液態顯影環境中的動態行為與真實構象。
北大團隊突破性地引入了冷凍電子斷層掃描技術。他們設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，并在毫秒級時間內將其急速冷凍至玻璃態，從而“定格”光刻膠分子在溶液中的原始狀態。隨后，通過傾斜樣品、采集多角度二維圖像并進行三維重構，團隊以亞納米級的分辨率清晰呈現了液膜中光刻膠分子的分布與纏結情況。
“與傳統方法相比，冷凍電鏡斷層掃描不僅能高分辨率重建三維結構，還能解析以往難以捕捉的聚合物纏結現象。”彭海琳指出。
從三維圖像到產業方案：缺陷數量下降超99%
三維重構圖像帶來了令人驚訝的發現。論文通訊作者之一、北京大學高毅勤教授介紹，過去業界普遍認為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內部，但圖像清晰顯示，它們更多吸附在氣液界面。更關鍵的是，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”，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有產線高度兼容的解決方案：一是抑制分子纏結，二是實施界面捕獲。實驗證明，結合兩種策略后，12英寸晶圓表面因光刻膠殘留引起的圖案缺陷數量下降超過99%，方案具備極高的可靠性與重復性。
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在解析液相界面反應中的強大潛力。”彭海琳強調，該技術未來有望廣泛應用于高分子材料、增材制造乃至生命科學中涉及“纏結”現象的研究領域。
在芯片制造持續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：打破學科邊界，往往能于無聲處聽驚雷。
