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光刻技術(shù)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。近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授團(tuán)隊(duì)及合作者通過(guò)冷凍電子斷層掃描（cryo-electron tomography，cryo-ET）技術(shù)，首次在原位狀態(tài)下解析了光刻膠分子在液相環(huán)境中的微觀三維結(jié)構(gòu)、界面分布與纏結(jié)行為，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。相關(guān)論文近日刊發(fā)于《自然-通訊》。

“顯影”是光刻的核心步驟之一，通過(guò)顯影液溶解光刻膠的曝光區(qū)域，將電路圖案精確轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻膠如同刻畫(huà)電路的顏料，它在顯影液中的運(yùn)動(dòng)，直接決定電路畫(huà)得準(zhǔn)不準(zhǔn)、好不好，進(jìn)而影響芯片良率。長(zhǎng)期以來(lái)，光刻膠在顯影液中的微觀行為是“黑匣子”，工業(yè)界的工藝優(yōu)化只能靠反復(fù)試錯(cuò)，這成為制約7納米及以下先進(jìn)制程良率提升的關(guān)鍵瓶頸之一。

為破解難題，研究團(tuán)隊(duì)首次將冷凍電子斷層掃描技術(shù)引入半導(dǎo)體領(lǐng)域。他們?cè)诰A上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)上，并在毫秒內(nèi)將其急速冷凍至玻璃態(tài)，“定格”光刻膠在溶液中的真實(shí)狀態(tài)。

隨后，研究人員在冷凍電鏡中傾斜該樣品，采集一系列傾斜角度下的二維投影圖像，再基于計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)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(yōu)于5納米。這種方法一舉解決了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法原位、三維、高分辨率觀測(cè)的三大痛點(diǎn)。

光刻膠高分子的界面分布、三維結(jié)構(gòu)及纏結(jié)方式。北京大學(xué)供圖

該技術(shù)帶來(lái)諸多新發(fā)現(xiàn)。論文通訊作者之一、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤教授介紹，以往業(yè)界認(rèn)為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內(nèi)部，然而三維圖像顯示它們大多吸附在氣液界面；團(tuán)隊(duì)還首次直接觀察到光刻膠聚合物的“凝聚纏結(jié)”，其依靠較弱的力或者疏水相互作用結(jié)合；而且，吸附在氣液界面的聚合物更易發(fā)生纏結(jié)，形成平均尺寸約30納米的團(tuán)聚顆粒，這些“團(tuán)聚顆粒”正是潛在的缺陷根源，它們?nèi)菀壮练e到精密的電路圖案上，讓本該分開(kāi)的電路連在一起。

團(tuán)隊(duì)為控制纏結(jié)提出了兩項(xiàng)實(shí)用方案：適當(dāng)提高曝光后烘烤溫度，抑制聚合物纏結(jié)，減少大團(tuán)聚體生成；優(yōu)化顯影工藝，讓晶圓表面始終有連續(xù)液膜，使其可以帶走聚合物，避免其沉積。兩種方案結(jié)合，12英寸晶圓表面的光刻膠殘留物引起的圖案缺陷被成功消除，缺陷數(shù)量降幅超過(guò)99%。

彭海琳表示，冷凍電子斷層掃描技術(shù)為在原子/分子尺度上解析各類(lèi)液相界面反應(yīng)提供了強(qiáng)大工具。深入掌握液體中聚合物的結(jié)構(gòu)與微觀行為，可推動(dòng)先進(jìn)制程中光刻、蝕刻和濕法清洗等關(guān)鍵工藝的缺陷控制與良率提升。