近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队及合作者通过冷冻电子断层扫描技术，首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的微观三维结构、界面分布与缠结行为，指导开发出可显著减少光刻缺陷的产业化方案。
光刻是整个集成电路制造过程中耗时最长、难度最大的工艺，光刻胶则是光刻过程最重要的耗材，对光刻工艺有着重要影响。随着中国半导体厂商的强势崛起以及下游需求的扩大，光刻胶的市场规模持续增长，据锐观产业研究院报告，2024年我国光刻胶市场规模增长至114亿元以上，KrF光刻胶等中高端产品国产替代进程加快，预计2025年光刻胶市场规模可达123亿元。
重大突破
据科技日报，光刻技术是推动集成电路芯片制程工艺持续微缩的核心驱动力之一。近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队及合作者通过冷冻电子断层扫描（cryo-electron tomography，cryo-ET）技术，首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的微观三维结构、界面分布与缠结行为，指导开发出可显著减少光刻缺陷的产业化方案。相关论文近日刊发于《自然-通讯》。
“显影”是光刻的核心步骤之一，通过显影液溶解光刻胶的曝光区域，将电路图案精确转移到硅片上。光刻胶如同刻画电路的颜料，它在显影液中的运动，直接决定电路画得准不准、好不好，进而影响芯片良率。长期以来，光刻胶在显影液中的微观行为是“黑匣子”，工业界的工艺优化只能靠反复试错，这成为制约7纳米及以下先进制程良率提升的关键瓶颈之一。
为破解难题，研究团队首次将冷冻电子断层扫描技术引入半导体领域。他们在晶圆上进行标准的光刻曝光后，将含有光刻胶聚合物的显影液快速吸取到电镜载网上，并在毫秒内将其急速冷冻至玻璃态，“定格”光刻胶在溶液中的真实状态。
随后，研究人员在冷冻电镜中倾斜该样品，采集一系列倾斜角度下的二维投影图像，再基于计算机三维重构算法，将这些二维图像融合成一张高分辨率的三维视图，分辨率优于5纳米。这种方法一举解决了传统技术无法原位、三维、高分辨率观测的三大痛点。
该技术带来诸多新发现。论文通讯作者之一、北京大学化学与分子工程学院高毅勤教授介绍，以往业界认为溶解后的光刻胶聚合物主要分散在液体内部，然而三维图像显示它们大多吸附在气液界面；团队还首次直接观察到光刻胶聚合物的“凝聚缠结”，其依靠较弱的力或者疏水相互作用结合；而且，吸附在气液界面的聚合物更易发生缠结，形成平均尺寸约30纳米的团聚颗粒，这些“团聚颗粒”正是潜在的缺陷根源，它们容易沉积到精密的电路图案上，让本该分开的电路连在一起。
团队为控制缠结提出了两项实用方案：适当提高曝光后烘烤温度，抑制聚合物缠结，减少大团聚体生成；优化显影工艺，让晶圆表面始终有连续液膜，使其可以带走聚合物，避免其沉积。两种方案结合，12英寸晶圆表面的光刻胶残留物引起的图案缺陷被成功消除，缺陷数量降幅超过99%。
影响多大？
该研究的意义远超光刻领域本身。其所展现的冷冻电子断层扫描技术威力，为在原子 / 分子尺度上原位研究各类发生在液体环境中的化学反应（如催化、合成乃至生命过程）提供了强大的通用工具。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，将极大地推动包括光刻、蚀刻、清洗等在内的多个先进制造关键环节的缺陷控制和良率提升，为制造性能更强、更可靠的下一代芯片铺平道路。
据申港证券的研报，光刻是整个集成电路制造过程中耗时最长、难度最大的工艺，耗时占IC制造50%左右，成本约占IC生产成本的1/3。光刻胶是光刻过程最重要的耗材，光刻胶的质量对光刻工艺有着重要影响。
在光刻过程中，需在硅片上涂一层光刻胶，经紫外线曝光后，光刻胶的化学性质发生变化，在通过显影后，被曝光的光刻胶将被去除，从而实现将电路图形由掩膜版转移到光刻胶上。再经过刻蚀过程，实现电路图形由光刻胶转移到硅片上。在刻蚀过程中，光刻胶起防腐蚀的保护作用。
随着集成电路的发展，芯片制造特征尺寸越来越小，对光刻胶的要求也越来越高。光刻胶的核心技术参数包括分辨率、对比度和敏感度等。为了满足集成电路发展的需要，光刻胶朝着高分辨率、高对比度以及高敏感度等方向发展。
从需求端来看，光刻胶可分为半导体光刻胶、面板光刻胶和PCB光刻胶。其中，半导体光刻胶的技术壁垒最高。
根据全球市场调查机构QYResearch报告，光刻胶市场长期被东京应化、信越化学、JSR、富士胶片等国际巨头垄断。近年来，受诸多因素影响，我国加快半导体自主可控步伐，产业链上下游多个环节实现技术的重大突破。
随着中国半导体厂商的强势崛起以及下游需求的扩大，光刻胶作为半导体产业的重要环节，其规模也迎来显著增长。据锐观产业研究院报告，2023年我国光刻胶市场规模约109.2亿元，2024年增长至114亿元以上，KrF光刻胶等中高端产品国产替代进程加快，预计2025年光刻胶市场规模可达123亿元。
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