自半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)誕生以來(lái)，光刻技術(shù)始終發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是推動(dòng)集成電路芯片制程工藝持續(xù)微縮的核心驅(qū)動(dòng)力之一。在芯片制造過(guò)程中，光刻肩負(fù)著將設(shè)計(jì)圖紙上的電路圖案轉(zhuǎn)印至硅片的關(guān)鍵任務(wù)，其中，光刻膠在顯影液中的“一舉一動(dòng)”，直接決定了數(shù)以?xún)|計(jì)晶體管的形態(tài)與芯片的最終良率。然而，這個(gè)發(fā)生在液態(tài)環(huán)境中的微觀(guān)過(guò)程，始終是無(wú)法被直接觀(guān)測(cè)的“黑匣子”，困擾著全球科學(xué)界。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授彭海琳、教授高毅勤、博士鄭黎明與清華大學(xué)教授王宏偉、香港大學(xué)博士劉楠等，利用前沿的冷凍電子斷層掃描技術(shù)，成功揭開(kāi)了這個(gè)“黑匣子”的神秘面紗，首次捕捉到光刻膠分子在溶液中的真實(shí)三維形態(tài)，更據(jù)此開(kāi)發(fā)出能顯著減少缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案，為先進(jìn)芯片制程的良率提升掃除了一大障礙。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然·通訊》。
彭海琳告訴記者，在芯片制造的光刻流程中，“顯影”是決定圖案成敗的核心一步。顯影液需要精確溶解光刻膠的特定區(qū)域，從而將預(yù)設(shè)的電路圖形精確轉(zhuǎn)移到硅片上。這個(gè)在液固界面上發(fā)生的微妙反應(yīng)，其精度直接影響著芯片性能。盡管產(chǎn)業(yè)界投入巨大，但由于液態(tài)環(huán)境的復(fù)雜與動(dòng)態(tài)特性，傳統(tǒng)觀(guān)測(cè)手段無(wú)法進(jìn)行原位觀(guān)察。因此，大家對(duì)光刻膠聚合物的溶解機(jī)制、相互作用及其缺陷形成機(jī)理等基本問(wèn)題知之甚少。這也導(dǎo)致工業(yè)界工藝優(yōu)化長(zhǎng)期依賴(lài)反復(fù)“試錯(cuò)”，成為制約7納米及以下先進(jìn)制程良率提升的關(guān)鍵瓶頸之一。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，首次將冷凍電子斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體研究并取得奇效。研究人員最終合成出一張分辨率優(yōu)于5納米的微觀(guān)三維“全景照片”，克服了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法原位、三維、高分辨率觀(guān)測(cè)的三大痛點(diǎn)。
高毅勤說(shuō)，首次出現(xiàn)的清晰三維視圖帶來(lái)了一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)。研究不僅推翻了業(yè)界長(zhǎng)期認(rèn)為的“溶解后聚合物均勻分散”觀(guān)點(diǎn)，還首次在三維空間直接捕捉到了光刻膠聚合物之間的“纏結(jié)”行為，并由此找到了芯片圖案上的缺陷根源——“團(tuán)聚顆?！薄Ｔ诠I(yè)顯影中，由于光刻膠本身疏水性強(qiáng)，這些團(tuán)聚體會(huì)重新沉積到精密的電路圖案上，造成致命缺陷。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)缺陷表征發(fā)現(xiàn)，一塊12英寸晶圓上的缺陷數(shù)量可高達(dá)6617個(gè)，這是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所無(wú)法接受的。
基于這些微觀(guān)發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩項(xiàng)簡(jiǎn)潔高效且與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線(xiàn)兼容的解決方案?！皩?shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮：12英寸晶圓表面由光刻膠殘留引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量驟降超過(guò)99%，且方案表現(xiàn)出極高的可靠性和重復(fù)性?！蓖鹾陚フf(shuō)。
“這項(xiàng)研究運(yùn)用的冷凍電子斷層掃描技術(shù)，其應(yīng)用潛力不限于芯片與光刻領(lǐng)域。”彭海琳指出，它為在原子/分子尺度上窺探各種液相界面反應(yīng)（如催化、合成與生命過(guò)程）提供了強(qiáng)大工具。對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，這次對(duì)液體中聚合物微觀(guān)行為的成功解碼，將推動(dòng)先進(jìn)制程中光刻、蝕刻、濕法清洗等關(guān)鍵工藝的缺陷控制與良率攀升，為芯片性能跨越式發(fā)展注入新動(dòng)能。
編輯：李華山
