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冷凍電鏡助力！北京大學在光刻膠領域取得新突破
2025年10月27日 14:13:06
來源：化工儀器網 點擊量：3109
近日，北京大學研究團隊通過冷凍電子斷層掃描技術，首次在原位狀態下解析了光刻膠分子在液相環境中的微觀三維結構、界面分布與纏結行為，分辨率優于5納米，為提升光刻精度與良率提供了新解決方案。
光刻技術在半導體制造中扮演著至關重要的角色。它決定了芯片的結構和性能，使得在微米甚至納米級別上制造電路成為可能。隨著集成電路的復雜性和密度不斷增加，光刻技術的進步直接推動了芯片性能的提升和成本的降低。
近日，北京大學彭海琳教授、高毅勤教授、鄭黎明博士與清華大學王宏偉教授、香港大學劉楠博士等率先通過冷凍電子斷層掃描技術，首次在原位狀態下解析了光刻膠分子在液相環境中的微觀三維結構、界面分布與纏結行為，分辨率優于5納米。這一發現不僅揭示了光刻膠分子在溶液中的微觀物理化學行為，更指導開發出可顯著減少光刻缺陷的產業化方案，有效清除了12英寸晶圓圖案表面的光刻膠殘留，為提升光刻精度與良率提供了新解決方案。
“顯影”作為光刻的核心步驟之一，通過顯影液溶解光刻膠的曝光區域，將電路圖案精確轉移到硅片上。然而，由于液態環境本身具有復雜性與動態性，傳統表征技術如掃描電子顯微鏡無法對溶液中聚合物進行原位觀察，而原子力顯微鏡等手段所能提供的信息也十分有限。
因此，為破解這一難題，研究團隊首次將冷凍電鏡斷層掃描技術引入到半導體領域。他們設計了一套與光刻流程緊密結合的樣品制備方法：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上，并在毫秒內將其急速冷凍至玻璃態。這種超快冷凍速度(>104 K/s)能瞬間“凍結”光刻膠在溶液中的真實構象，最大限度地保持其原生狀態。
隨后，研究人員在冷凍電鏡中傾斜該冷凍樣品，從-60°到+60°采集一系列傾斜角度下的二維投影圖像。基于計算機三維重構算法，將這些二維圖像融合成一張高分辨率的三維視圖，分辨率優于5納米。這種方法一舉克服了傳統技術無法原位、三維、高分辨率觀測的三大痛點。
相關研究成果以“冷凍電鏡斷層成像重構液態薄膜中的聚合物以實現兼容晶圓廠的光刻工藝”(Cryo-electron tomography reconstructs polymer in liquid film for fab-compatible lithography)為題發表在《自然-通訊》上。
在當今競爭激烈的半導體市場中，光刻精度和良率的提升直接關系到產品的競爭力，該研究成果有望為我國半導體產業的發展注入新的動力，推動我國在光刻膠領域乃至整個半導體制造領域邁向更高的臺階。同時，這一成果也為全球半導體產業的技術進步提供了新的思路和方法，有望促進全球半導體產業的協同發展。
素材來源：北京大學
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