在芯片制造领域，光刻技术一直是推动工艺向更微缩尺度发展的关键力量。近日，北京大学化学与分子工程学院的一支科研团队及其合作伙伴，在芯片制造技术的研究上取得了突破性进展，相关成果发表于《自然·通讯》期刊，引发了行业内外的广泛关注。
光刻，作为芯片制造中不可或缺的一环，其作用类似于为半导体晶圆（如硅片）“绘制电路图”。科研人员利用超精密的“投影仪”，将设计好的电路图案缩小后精准地印在硅片表面的特殊薄膜上，再经过冲洗等步骤完成定型。这一过程不仅决定了芯片的核心结构，更被视为微纳加工领域的“巅峰技术”。而显影液在这一过程中扮演着重要角色，光刻胶的曝光区域会选择性地溶解在显影液的液膜中，液膜中光刻胶分子的行为直接影响着晶圆表面图案的质量，进而关乎芯片的性能和良率。
长期以来，国际科研界一直在探索光刻的微观过程和机理，常用的技术包括“原子力显微镜”“扫描电子显微镜”“飞行时间质谱”等。然而，这些技术在观察光刻胶高分子在显影液中的动态行为时，往往难以达到理想的清晰度。为了突破这一瓶颈，北京大学的研究团队首次将冷冻电镜断层扫描技术引入半导体领域，并设计了一套与光刻流程紧密结合的样品制备方法。
具体操作中，科研人员在晶圆上完成标准的光刻曝光后，迅速将含有光刻胶聚合物的显影液吸取到电镜载网上，并在极短时间内将其急速冷冻至玻璃态，从而“凝固”住光刻胶在溶液中的真实状态。随后，利用冷冻电镜从多个角度对样品进行倾斜拍摄，采集二维投影图像，并通过计算实现三维重构，分辨率可达亚纳米级。这一方法不仅克服了传统技术的局限，还能高分辨率地重建液膜中光刻胶聚合物的三维结构与界面分布，甚至解析出分子的缠结现象。通过冷冻电镜断层扫描的三维重构，研究团队获得了一系列新发现。论文的通讯作者之一指出，此前业界普遍认为溶解后的光刻胶聚合物主要分散在液体内部，但三维图像显示，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”，这种缠结依靠较弱的力或疏水相互作用形成。吸附在气液界面的聚合物更容易发生缠结，形成平均尺寸约30纳米的团聚颗粒，而这些颗粒正是光刻过程中潜在缺陷的根源。
基于这些发现，研究团队提出了两项与现有半导体产线兼容的解决方案：一是抑制缠结，二是界面捕获。实验结果表明，将这两种策略结合使用后，12英寸晶圆表面因光刻胶残留物引起的图案缺陷被成功消除，缺陷数量减少了超过99%，且该方案具有极高的可靠性和重复性。这一成果不仅为提升光刻精度和良率提供了新思路，也证明了冷冻电子断层扫描技术在解析液相界面反应中的强大潜力，未来有望在高分子、增材制造和生命科学等领域发挥更大作用。
