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聶英好
2025-10-25 12:55
我國芯片領域取得新突破。
近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊及合作者通過冷凍電子斷層掃描技術，首次在原位狀態下解析了光刻膠分子在液相環境中的微觀三維結構、界面分布與纏結行為，指導開發出可顯著減少光刻缺陷的產業化方案。
光刻是整個集成電路制造過程中耗時最長、難度最大的工藝，光刻膠則是光刻過程最重要的耗材，對光刻工藝有著重要影響。隨著中國半導體廠商的強勢崛起以及下游需求的擴大，光刻膠的市場規模持續增長，據銳觀產業研究院報告，2024年我國光刻膠市場規模增長至114億元以上，KrF光刻膠等中高端產品國產替代進程加快，預計2025年光刻膠市場規模可達123億元。
重大突破
據科技日報，光刻技術是推動集成電路芯片制程工藝持續微縮的核心驅動力之一。近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊及合作者通過冷凍電子斷層掃描（cryo-electron tomography，cryo-ET）技術，首次在原位狀態下解析了光刻膠分子在液相環境中的微觀三維結構、界面分布與纏結行為，指導開發出可顯著減少光刻缺陷的產業化方案。相關論文近日刊發于《自然-通訊》。
“顯影”是光刻的核心步驟之一，通過顯影液溶解光刻膠的曝光區域，將電路圖案精確轉移到硅片上。光刻膠如同刻畫電路的顏料，它在顯影液中的運動，直接決定電路畫得準不準、好不好，進而影響芯片良率。長期以來，光刻膠在顯影液中的微觀行為是“黑匣子”，工業界的工藝優化只能靠反復試錯，這成為制約7納米及以下先進制程良率提升的關鍵瓶頸之一。
為破解難題，研究團隊首次將冷凍電子斷層掃描技術引入半導體領域。他們在晶圓上進行標準的光刻曝光后，將含有光刻膠聚合物的顯影液快速吸取到電鏡載網上，并在毫秒內將其急速冷凍至玻璃態，“定格”光刻膠在溶液中的真實狀態。
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，再基于計算機三維重構算法，將這些二維圖像融合成一張高分辨率的三維視圖，分辨率優于5納米。這種方法一舉解決了傳統技術無法原位、三維、高分辨率觀測的三大痛點。
該技術帶來諸多新發現。論文通訊作者之一、北京大學化學與分子工程學院高毅勤教授介紹，以往業界認為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內部，然而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”，其依靠較弱的力或者疏水相互作用結合；而且，吸附在氣液界面的聚合物更易發生纏結，形成平均尺寸約30納米的團聚顆粒，這些“團聚顆粒”正是潛在的缺陷根源，它們容易沉積到精密的電路圖案上，讓本該分開的電路連在一起。
團隊為控制纏結提出了兩項實用方案：適當提高曝光后烘烤溫度，抑制聚合物纏結，減少大團聚體生成；優化顯影工藝，讓晶圓表面始終有連續液膜，使其可以帶走聚合物，避免其沉積。兩種方案結合，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，缺陷數量降幅超過99%。
影響多大？
該研究的意義遠超光刻領域本身。其所展現的冷凍電子斷層掃描技術威力，為在原子 / 分子尺度上原位研究各類發生在液體環境中的化學反應（如催化、合成乃至生命過程）提供了強大的通用工具。對于芯片產業而言，精準掌握液體中聚合物材料的微觀行為，將極大地推動包括光刻、蝕刻、清洗等在內的多個先進制造關鍵環節的缺陷控制和良率提升，為制造性能更強、更可靠的下一代芯片鋪平道路。
據申港證券的研報，光刻是整個集成電路制造過程中耗時最長、難度最大的工藝，耗時占IC制造50%左右，成本約占IC生產成本的1/3。光刻膠是光刻過程最重要的耗材，光刻膠的質量對光刻工藝有著重要影響。
在光刻過程中，需在硅片上涂一層光刻膠，經紫外線曝光后，光刻膠的化學性質發生變化，在通過顯影后，被曝光的光刻膠將被去除，從而實現將電路圖形由掩膜版轉移到光刻膠上。再經過刻蝕過程，實現電路圖形由光刻膠轉移到硅片上。在刻蝕過程中，光刻膠起防腐蝕的保護作用。
隨著集成電路的發展，芯片制造特征尺寸越來越小，對光刻膠的要求也越來越高。光刻膠的核心技術參數包括分辨率、對比度和敏感度等。為了滿足集成電路發展的需要，光刻膠朝著高分辨率、高對比度以及高敏感度等方向發展。
從需求端來看，光刻膠可分為半導體光刻膠、面板光刻膠和PCB光刻膠。其中，半導體光刻膠的技術壁壘最高。
根據全球市場調查機構QYResearch報告，光刻膠市場長期被東京應化、信越化學、JSR、富士膠片等國際巨頭壟斷。近年來，受諸多因素影響，我國加快半導體自主可控步伐，產業鏈上下游多個環節實現技術的重大突破。
隨著中國半導體廠商的強勢崛起以及下游需求的擴大，光刻膠作為半導體產業的重要環節，其規模也迎來顯著增長。據銳觀產業研究院報告，2023年我國光刻膠市場規模約109.2億元，2024年增長至114億元以上，KrF光刻膠等中高端產品國產替代進程加快，預計2025年光刻膠市場規模可達123億元。
排版：劉珺宇
校對：李凌鋒
