关于芯片,我国科学家又有新突破!
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2025-10-24 00:04:59
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自半导体产业诞生以来,光刻技术始终发挥着关键作用,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。在芯片制造过程中,光刻肩负着将设计图纸上的电路图案转印至硅片的关键任务,其中,光刻胶在显影液中的“一举一动”,直接决定了数以亿计晶体管的形态与芯片的最终良率。然而,这个发生在液态环境中的微观过程,始终是无法被直接观测的“黑匣子”,困扰着全球科学界。

北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授、高毅勤教授、郑黎明博士与清华大学王宏伟教授、香港大学刘楠博士等,利用前沿的冷冻电子断层扫描技术,成功揭开了这个黑匣子的神秘面纱,不仅首次捕捉到光刻胶分子在溶液中的真实三维形态,更据此开发出能显著减少缺陷的产业化方案,为先进芯片制程的良率提升扫除了一大障碍。相关研究成果日前发表于《自然·通讯》。

彭海琳告诉记者,在芯片制造的光刻流程中,“显影”是决定图案成败的核心一步。显影液需要精确溶解光刻胶的特定区域,从而将预设的电路图形精确转移到硅片上。这个在液固界面上发生的微妙反应,其精度直接影响着芯片性能。尽管产业界投入巨大,但由于液态环境的复杂与动态特性,传统观测手段如扫描电镜无法进行原位观察。因此,大家对光刻胶聚合物的溶解机制、相互作用及其缺陷形成机理等基本问题知之甚少。这也导致工业界工艺优化长期依赖于反复“试错”,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。

面对这一挑战,研究团队另辟蹊径,首次将“冷冻电子断层扫描”技术首次引入半导体研究并取得奇效。研究人员最终合成出一张分辨率优于5纳米的微观三维“全景照片”,一举克服了传统技术无法原位、三维、高分辨率观测的三大痛点。

高毅勤说,首次出现的清晰三维视图带来了一系列颠覆性发现。研究不仅推翻了业界长期认为的“溶解后聚合物均匀分散”观点,还首次在真实三维空间直接捕捉到了光刻胶聚合物之间的“缠结”行为,并由此找到了芯片图案上的缺陷根源——“团聚颗粒”。在工业显影中,由于光刻胶本身疏水性强,这些团聚体会重新沉积到精密的电路图案上,造成如“桥连”之类的致命缺陷。研究团队通过缺陷表征发现,一块12英寸晶圆上的缺陷数量可高达6617个,这是大规模工业生产所无法接受的。

基于这些微观发现,研究团队提出了两项简洁高效且与现有半导体产线兼容的解决方案。“实验结果令人振奋:12英寸晶圆表面由光刻胶残留引起的图案缺陷被成功消除,缺陷数量骤降超过99%,且方案表现出极高的可靠性和重复性。”王宏伟说。

“这项研究运用的冷冻电子断层扫描技术,其应用潜力远不限于芯片与光刻领域。”彭海琳指出,它为在原子/分子尺度上窥探各种液相界面反应(如催化、合成与生命过程)提供了强大工具。对于半导体产业而言,这次对液体中聚合物微观行为的成功解码,将推动先进制程中光刻、蚀刻、湿法清洗等关键工艺的缺陷控制与良率攀升,为芯片性能跨越式发展注入新动能。

(光明日报全媒体记者晋浩天)

来源:光明日报全媒体记者晋浩天

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