集成电路芯片制造中，光刻工艺的精度直接决定着芯片性能，而光刻胶在显影过程中的微观行为长期制约着先进制程的良率提升。近日，北京大学化学与分子工程学院研究团队通过创新技术手段，首次实现了对液相环境中光刻胶分子三维结构的原位观测，并据此开发出有效减少光刻缺陷的产业化方案，相关成果发表于国际权威期刊《自然-通讯》。
作为芯片制造的核心环节，光刻技术通过显影步骤将电路图案转移到硅片上。这一过程中，光刻胶如同绘制电路的“隐形画笔”，其溶解后的运动状态直接影响图案的精确度。然而，传统研究手段无法实时捕捉光刻胶在显影液中的动态行为，导致工业界只能通过反复试验优化工艺，这一瓶颈在7纳米及以下制程中尤为突出。
研究团队创新性地将冷冻电子断层扫描技术引入半导体领域。他们在完成标准光刻曝光后，迅速将含有光刻胶的显影液转移至电镜载网，并通过毫秒级急速冷冻技术使溶液进入玻璃态，从而“冻结”了光刻胶分子的真实状态。随后，研究人员在冷冻电镜下以不同角度采集二维投影图像，利用计算机算法重构出分辨率优于5纳米的三维结构图，首次实现了对液相环境中高分子材料的原位、高分辨率观测。
基于这些发现，研究团队提出了两项针对性解决方案：通过适当提高曝光后烘烤温度，可有效抑制聚合物缠结，减少大尺寸团聚体的生成；优化显影工艺使晶圆表面保持连续液膜，利用液体流动带走多余聚合物，防止其沉积。实际应用显示，这两种方案协同作用后，12英寸晶圆表面的光刻胶残留缺陷数量减少超过99%，显著提升了芯片制造的良率。
该研究不仅为光刻工艺优化提供了理论依据，更开创了液相界面反应研究的新范式。研究团队指出，冷冻电子断层扫描技术能够在原子/分子尺度上解析各类液相反应，这对于理解光刻、蚀刻和湿法清洗等关键工艺中的缺陷形成机制具有重要意义。随着技术的进一步发展，有望推动更先进制程的芯片制造实现更高良率。
