在芯片制造的精密工艺中，光刻技术犹如一支精准的画笔，将复杂的电路图案精细地“描绘”在硅晶圆表面。然而，这一核心环节中，光刻胶在显影液中的微观行为长期笼罩在迷雾之中，成为制约7纳米及更先进制程芯片量产良率的关键障碍。近日，一支跨学科研究团队通过创新技术，首次在液相环境中直接观测到光刻胶分子的三维结构与动态行为，为突破这一技术瓶颈开辟了新路径。
这项突破性研究由北京大学化学与分子工程学院与清华大学、香港大学的科研人员联合完成。研究团队创造性地将冷冻电子断层扫描技术（cryo-ET）引入半导体制造领域——这项原本用于生命科学研究的成像技术，能够以每秒超过万摄氏度的极快速度将显影液中的光刻胶分子瞬间冻结，完整保留其在液态环境中的原始构象。通过先进的成像与三维重建技术，科学家们获得了分辨率优于5纳米的微观结构图，首次在原子尺度上清晰呈现了光刻胶分子在显影液中的三维排列、界面分布及相互缠结的细节。
三维成像结果颠覆了传统认知。研究发现，光刻胶分子并非均匀分散在显影液中，而是倾向于聚集在液体与空气的界面处。更关键的是，分子间通过较弱的相互作用力形成松散的“凝聚缠结”结构，呈现出局部平行排列的特征。这些吸附在界面上的缠结分子极易形成直径达30纳米（部分超过40纳米）的团聚颗粒。在芯片制造的显影过程中，这些团聚体可能重新沉积到精密电路图案上，导致单块12英寸晶圆出现数千个缺陷，严重制约先进芯片的量产效率。
为破解这一难题，研究团队通过分子动力学模拟深入探究了分子聚集的能量驱动机制。基于实验与模拟的双重验证，团队提出了两项与现有芯片生产线完全兼容的创新解决方案：其一，通过适度提高显影前的烘烤温度，利用缠结结构的热敏感性促使大团聚体解离为更小、更分散的分子链；其二，优化显影工艺，在晶圆表面形成连续的液膜，利用液膜的冲刷作用捕获并带走界面上的分子团簇，防止其污染电路图案。实验表明，两种策略结合使用后，12英寸晶圆上由光刻胶残留引发的缺陷减少了99%以上。
这项成果的意义不仅限于光刻领域。冷冻电子断层扫描技术展现出的原子级分辨率与原位观测能力，为研究液体环境中的化学反应（如催化、合成及生命过程）提供了通用型工具。对于芯片产业而言，精准掌握液体中聚合物材料的微观行为，将推动光刻、蚀刻、清洗等关键制造环节的缺陷控制，为制造性能更强、可靠性更高的下一代芯片奠定技术基础。
相关研究论文已于9月30日发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》，详细数据与实验方法可通过论文链接（https://www.nature.com/articles/s41467-025-63689-4）获取。
