券商中國
2025-10-25 11:31
我國芯片領(lǐng)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(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，指導開發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)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(guī)模持續(xù)增長，據(jù)銳觀產(chǎn)業(yè)研究院報告，2024年我國光刻膠市場規(guī)模增長至114億元以上，KrF光刻膠等中高端產(chǎn)品國產(chǎn)替代進程加快，預計2025年光刻膠市場規(guī)?？蛇_123億元。
重大突破
據(jù)科技日報，光刻技術(shù)是推動集成電路芯片制程工藝持續(xù)微縮的核心驅(qū)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(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，指導開發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。相關(guān)論文近日刊發(fā)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(qū)域，將電路圖案精確轉(zhuǎn)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(yè)界的工藝優(yōu)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(guān)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(shù)引入半導體領(lǐng)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(wǎng)上，并在毫秒內(nèi)將其急速冷凍至玻璃態(tài)，“定格”光刻膠在溶液中的真實狀態(tài)。
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(gòu)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(yōu)于5納米。這種方法一舉解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法原位、三維、高分辨率觀測的三大痛點。
該技術(shù)帶來諸多新發(fā)現(xiàn)。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(yè)界認為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內(nèi)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(jié)”，其依靠較弱的力或者疏水相互作用結(jié)合；而且，吸附在氣液界面的聚合物更易發(fā)生纏結(jié)，形成平均尺寸約30納米的團聚顆粒，這些“團聚顆?！闭菨撛诘娜毕莞矗鼈?nèi)菀壮练e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(jié)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(jié)，減少大團聚體生成；優(yōu)化顯影工藝，讓晶圓表面始終有連續(xù)液膜，使其可以帶走聚合物，避免其沉積。兩種方案結(jié)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(shù)量降幅超過99%。
影響多大？
該研究的意義遠超光刻領(lǐng)域本身。其所展現(xiàn)的冷凍電子斷層掃描技術(shù)威力，為在原子 / 分子尺度上原位研究各類發(fā)生在液體環(huán)境中的化學反應(yīng)（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(chǎn)業(yè)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(nèi)的多個先進制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(jù)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(chǎn)成本的1/3。光刻膠是光刻過程最重要的耗材，光刻膠的質(zhì)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(jīng)紫外線曝光后，光刻膠的化學性質(zhì)發(fā)生變化，在通過顯影后，被曝光的光刻膠將被去除，從而實現(xiàn)將電路圖形由掩膜版轉(zhuǎn)移到光刻膠上。再經(jīng)過刻蝕過程，實現(xiàn)電路圖形由光刻膠轉(zhuǎn)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(fā)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(shù)參數(shù)包括分辨率、對比度和敏感度等。為了滿足集成電路發(fā)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(fā)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(shù)壁壘最高。
根據(jù)全球市場調(diào)查機構(gòu)QYResearch報告，光刻膠市場長期被東京應(yīng)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(chǎn)業(yè)鏈上下游多個環(huán)節(jié)實現(xiàn)技術(shù)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(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，其規(guī)模也迎來顯著增長。據(jù)銳觀產(chǎn)業(yè)研究院報告，2023年我國光刻膠市場規(guī)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(chǎn)品國產(chǎn)替代進程加快，預計2025年光刻膠市場規(guī)?？蛇_123億元。
排版：劉珺宇
校對：李凌鋒
