電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道 近日，我國半導體材料領域迎來重大突破。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(tài)下解析了光刻膠分子在液相環(huán)境中的微觀三維結構、界面分布與纏結行為，成功研發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。相關研究成果已刊發(fā)于國際頂級期刊《自然·通訊》，標志著我國在光刻膠關鍵材料領域取得實質性突破。

此次成果對國產(chǎn)芯片制造而言具有里程碑式意義：團隊利用冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）技術，首次在液相原位捕獲了光刻膠分子網(wǎng)絡的三維納米級構象。這一成果意味著，長期困擾先進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、光掩膜），是光刻環(huán)節(jié)關鍵耗材，直接關乎芯片的質量與良品率。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)主導地位，尤其在高端半導體領域形成寡頭壟斷。

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，預計到2030年將達到67億美元，2025年至2030年的復合年增長率（CAGR）為5.24%。當前，國際大廠如日本JSR、TOK、住友化學、信越化學、富士膠片及美國陶氏化學等控制著超過90%的市場份額。其中，日本廠商占比最高，TOK、JSR、信越化學、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，在高端光刻膠領域更是占據(jù)96.7%的全球供應份額。

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，主體樹脂的結構設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“關鍵顏料”，直接影響電路圖案的精確轉移和芯片良率。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)界只能依靠反復試錯優(yōu)化工藝，這成為制約7納米及以下先進制程良率提升的關鍵瓶頸。

當工藝推進至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狀態(tài)，導致隨機橋接、線邊緣粗糙度（LER）超標，良率提升收效甚微；
- 界面散射：當線寬≤20 nm時，光刻膠-襯底界面1 nm級起伏即可引發(fā)光學散射，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)，造成先進制程下國產(chǎn)芯片高昂的成本。彭海琳教授團隊在研究中，實際觀測到光刻膠聚合物間存在顯著“纏結”行為，易形成“團聚顆?！薄＿@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。團隊首次在真實空間中直接觀測到光刻膠分子的“凝聚纏結”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)生纏結的分子，易形成平均約30納米、部分超40納米的團聚顆粒，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：彭海琳教授團隊研究成果

“實驗結果令人振奮：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性?！毖芯繄F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納米及以下先進制程芯片制造提供了關鍵技術支撐。

彭海琳教授團隊的研究成果，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”的關鍵瓶頸。團隊通過冷凍電子斷層掃描技術，首次在真實三維空間直接捕捉到光刻膠聚合物的“纏結”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；基于對分子纏結行為的精準認知，團隊開發(fā)出新型分子調控方案，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：彭海琳教授團隊研究成果

“它為在原子/分子尺度窺探各類液相界面反應提供了強大工具，將推動先進制程中光刻、蝕刻、濕法清洗等關鍵工藝的缺陷控制與良率提升。”團隊成員指出，“同時，這項研究運用的冷凍電子斷層掃描技術，應用潛力遠不限于芯片光刻領域?！?/p>