電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道 近日，我國半導(dǎo)體材料領(lǐng)域迎來重大突破。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授團(tuán)隊及合作者通過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，成功研發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。相關(guān)研究成果已刊發(fā)于國際頂級期刊《自然·通訊》，標(biāo)志著我國在光刻膠關(guān)鍵材料領(lǐng)域取得實質(zhì)性突破。

此次成果對國產(chǎn)芯片制造而言具有里程碑式意義：團(tuán)隊利用冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）技術(shù)，首次在液相原位捕獲了光刻膠分子網(wǎng)絡(luò)的三維納米級構(gòu)象。這一成果意味著，長期困擾先進(jìn)芯片制造的顯影缺陷問題，獲得了具有高度可行性的優(yōu)化路徑。

全球光刻膠產(chǎn)業(yè)格局

光刻膠，作為光刻“三劍客”之一（其余為光刻機(jī)、光掩膜），是光刻環(huán)節(jié)關(guān)鍵耗材，直接關(guān)乎芯片的質(zhì)量與良品率。全球光刻膠產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)高度集中的市場格局，日本企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其在高端半導(dǎo)體領(lǐng)域形成寡頭壟斷。

從全球市場規(guī)模來看，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2024年全球光刻膠市場規(guī)模約為49.6億美元，預(yù)計到2030年將達(dá)到67億美元，2025年至2030年的復(fù)合年增長率（CAGR）為5.24%。當(dāng)前，國際大廠如日本JSR、TOK、住友化學(xué)、信越化學(xué)、富士膠片及美國陶氏化學(xué)等控制著超過90%的市場份額。其中，日本廠商占比最高，TOK、JSR、信越化學(xué)、富士膠片等日本企業(yè)合計占據(jù)全球光刻膠市場75%以上的份額，在高端光刻膠領(lǐng)域更是占據(jù)96.7%的全球供應(yīng)份額。

光刻膠市場之所以高度集中，核心在于其材料的特殊性。光刻膠的配方研發(fā)需通過對數(shù)百種乃至數(shù)千種樹脂、光酸和添加劑的排列組合試驗完成，涉及多種化學(xué)成分的精確配比，無法通過現(xiàn)有產(chǎn)品反推配方，需投入充足的研發(fā)資源并積累豐富經(jīng)驗。其中，主體樹脂的結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足特定波長下的透明度要求、與基片的良好粘附力、高抗干法腐蝕性等關(guān)鍵性能。

從價值維度看，光刻膠雖僅占芯片材料成本的5%，但其性能直接影響芯片良率。1%的良率波動可能導(dǎo)致數(shù)千萬美元損失，因此廠商對光刻膠價格敏感度較低，更關(guān)注其穩(wěn)定性和分辨率。

國產(chǎn)光刻膠重磅突破

光刻膠作為芯片制造過程中的“關(guān)鍵顏料”，直接影響電路圖案的精確轉(zhuǎn)移和芯片良率。長期以來，光刻膠在顯影液中的微觀行為一直被視為“黑匣子”，工業(yè)界只能依靠反復(fù)試錯優(yōu)化工藝，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。

當(dāng)工藝推進(jìn)至5nm節(jié)點，挑戰(zhàn)更為突出。若將5 nm工藝比作“在頭發(fā)絲斷面刻出一座紫禁城”，光刻膠便是決定圖案能否“纖毫畢現(xiàn)”的“納米宣紙”。過去三年，國產(chǎn)ArF光刻膠始終面臨三大性能“天花板”：
- 分子級缺陷：傳統(tǒng)表征僅能觀測“成品”圖案，無法追溯液相曝光瞬間的分子纏結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致隨機(jī)橋接、線邊緣粗糙度（LER）超標(biāo)，良率提升收效甚微；
- 界面散射：當(dāng)線寬≤20 nm時，光刻膠-襯底界面1 nm級起伏即可引發(fā)光學(xué)散射，造成臨界尺寸（CD）漂移，同時縮短EUV二次電子逃逸距離，頻繁引發(fā)圖形塌陷問題；
- 刻蝕選擇性：國產(chǎn)膠對金屬硬掩模的刻蝕比長期處于低位，難以承受雙大馬士革刻蝕工藝沖擊，使得金屬線短路成為“頭號殺手”。

這些性能瓶頸最終將在良率上顯現(xiàn)，造成先進(jìn)制程下國產(chǎn)芯片高昂的成本。彭海琳教授團(tuán)隊在研究中，實際觀測到光刻膠聚合物間存在顯著“纏結(jié)”行為，易形成“團(tuán)聚顆粒”。這些顆粒在工業(yè)顯影過程中會重新沉積到精密電路圖案上，造成“橋連”等致命缺陷。團(tuán)隊首次在真實空間中直接觀測到光刻膠分子的“凝聚纏結(jié)”現(xiàn)象——分子并非緊密交織，而是通過較弱的分子作用力松散連接，呈現(xiàn)局部平行排列狀態(tài)。正是這些吸附于界面并發(fā)生纏結(jié)的分子，易形成平均約30納米、部分超40納米的團(tuán)聚顆粒，在顯影環(huán)節(jié)重新沉積到精密電路上，造成致命缺陷。

圖源：彭海琳教授團(tuán)隊研究成果

“實驗結(jié)果令人振奮：12英寸晶圓表面由光刻膠殘留引發(fā)的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量驟降超99%，且方案具備極高的可靠性和重復(fù)性。”研究團(tuán)隊核心成員王宏偉表示。這一突破不僅解決了光刻膠顯影過程中的核心缺陷問題，更為5納米及以下先進(jìn)制程芯片制造提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

彭海琳教授團(tuán)隊的研究成果，核心在于攻克了傳統(tǒng)5nm制造中“無法原位、三維、高分辨率觀測光刻膠分子行為”的關(guān)鍵瓶頸。團(tuán)隊通過冷凍電子斷層掃描技術(shù)，首次在真實三維空間直接捕捉到光刻膠聚合物的“纏結(jié)”行為，實現(xiàn)了光刻膠分子在液相環(huán)境中原位狀態(tài)的三維解析，揭示了缺陷產(chǎn)生的根本原因；基于對分子纏結(jié)行為的精準(zhǔn)認(rèn)知，團(tuán)隊開發(fā)出新型分子調(diào)控方案，通過優(yōu)化聚合物鏈長度與交聯(lián)密度，顯著降低異常纏結(jié)概率，最終實現(xiàn)12英寸晶圓光刻膠殘留缺陷消除超99%。

圖源：彭海琳教授團(tuán)隊研究成果

“它為在原子/分子尺度窺探各類液相界面反應(yīng)提供了強(qiáng)大工具，將推動先進(jìn)制程中光刻、蝕刻、濕法清洗等關(guān)鍵工藝的缺陷控制與良率提升?！眻F(tuán)隊成員指出，“同時，這項研究運用的冷凍電子斷層掃描技術(shù)，應(yīng)用潛力遠(yuǎn)不限于芯片光刻領(lǐng)域。”