我國芯片領(lǐng)域取得新突破。
近日 ，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(dǎo)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(zhǔn)不準(zhǔn)、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(fù)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(dǎo)體領(lǐng)域 。他們在晶圓上進行標(biāo)準(zhǔn)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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤教授介紹 ，以往業(yè)界認(rèn)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“團聚顆粒 ”正是潛在的缺陷根源 ，它們?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(dāng)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(yuǎn)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(xué)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(zhǔn)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(xué)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(dǎo)體光刻膠 、面板光刻膠和PCB光刻膠。其中 ，半導(dǎo)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(xué)、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(dǎo)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(dǎo)體廠商的強勢崛起以及下游需求的擴大，光刻膠作為半導(dǎo)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(yù)計2025年光刻膠市場規(guī)?？蛇_123億元 。
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