近日，我国半导体材料领域迎来重大突破。北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队及合作者通过冷冻电子断层扫描技术，首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的微观三维结构、界面分布与缠结行为，成功研发出可显著减少光刻缺陷的产业化方案。相关研究成果已刊发于国际顶级期刊《自然·通讯》，标志着我国在光刻胶关键材料领域取得实质性突破。
此次成果对国产芯片制造而言具有里程碑式意义：团队利用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术，首次在液相原位捕获了光刻胶分子网络的三维纳米级构象。这一成果意味着，长期困扰先进芯片制造的显影缺陷问题，获得了具有高度可行性的优化路径。
全球光刻胶产业格局
光刻胶，作为光刻“三剑客”之一（其余为光刻机、光掩膜），是光刻环节关键耗材，直接关乎芯片的质量与良品率。全球光刻胶产业呈现高度集中的市场格局，日本企业占据主导地位，尤其在高端半导体领域形成寡头垄断。
从全球市场规模来看，统计数据显示，2024年全球光刻胶市场规模约为49.6亿美元，预计到2030年将达到67亿美元，2025年至2030年的复合年增长率（CAGR）为5.24%。当前，国际大厂如日本JSR、TOK、住友化学、信越化学、富士胶片及美国陶氏化学等控制着超过90%的市场份额。其中，日本厂商占比最高，TOK、JSR、信越化学、富士胶片等日本企业合计占据全球光刻胶市场75%以上的份额，在高端光刻胶领域更是占据96.7%的全球供应份额。
光刻胶市场之所以高度集中，核心在于其材料的特殊性。光刻胶的配方研发需通过对数百种乃至数千种树脂、光酸和添加剂的排列组合试验完成，涉及多种化学成分的精确配比，无法通过现有产品反推配方，需投入充足的研发资源并积累丰富经验。其中，主体树脂的结构设计需满足特定波长下的透明度要求、与基片的良好粘附力、高抗干法腐蚀性等关键性能。
从价值维度看，光刻胶虽仅占芯片材料成本的5%，但其性能直接影响芯片良率。1%的良率波动可能导致数千万美元损失，因此厂商对光刻胶价格敏感度较低，更关注其稳定性和分辨率。
国产光刻胶重磅突破
光刻胶作为芯片制造过程中的“关键颜料”，直接影响电路图案的精确转移和芯片良率。长期以来，光刻胶在显影液中的微观行为一直被视为“黑匣子”，工业界只能依靠反复试错优化工艺，这成为制约7纳米及以下先进制程良率提升的关键瓶颈。
当工艺推进至5nm节点，挑战更为突出。若将5 nm工艺比作“在头发丝断面刻出一座紫禁城”，光刻胶便是决定图案能否“纤毫毕现”的“纳米宣纸”。过去三年，国产ArF光刻胶始终面临三大性能“天花板”：
– 分子级缺陷：传统表征仅能观测“成品”图案，无法追溯液相曝光瞬间的分子缠结状态，导致随机桥接、线边缘粗糙度（LER）超标，良率提升收效甚微；
– 界面散射：当线宽≤20 nm时，光刻胶-衬底界面1 nm级起伏即可引发光学散射，造成临界尺寸（CD）漂移，同时缩短EUV二次电子逃逸距离，频繁引发图形塌陷问题；
– 刻蚀选择性：国产胶对金属硬掩模的刻蚀比长期处于低位，难以承受双大马士革刻蚀工艺冲击，使得金属线短路成为“头号杀手”。
这些性能瓶颈最终将在良率上显现，造成先进制程下国产芯片高昂的成本。彭海琳教授团队在研究中，实际观测到光刻胶聚合物间存在显著“缠结”行为，易形成“团聚颗粒”。这些颗粒在工业显影过程中会重新沉积到精密电路图案上，造成“桥连”等致命缺陷。团队首次在真实空间中直接观测到光刻胶分子的“凝聚缠结”现象——分子并非紧密交织，而是通过较弱的分子作用力松散连接，呈现局部平行排列状态。正是这些吸附于界面并发生缠结的分子，易形成平均约30纳米、部分超40纳米的团聚颗粒，在显影环节重新沉积到精密电路上，造成致命缺陷。
图源：彭海琳教授团队研究成果
“实验结果令人振奋：12英寸晶圆表面由光刻胶残留引发的图案缺陷被成功消除，缺陷数量骤降超99%，且方案具备极高的可靠性和重复性。”研究团队核心成员王宏伟表示。这一突破不仅解决了光刻胶显影过程中的核心缺陷问题，更为5纳米及以下先进制程芯片制造提供了关键技术支撑。
彭海琳教授团队的研究成果，核心在于攻克了传统5nm制造中“无法原位、三维、高分辨率观测光刻胶分子行为”的关键瓶颈。团队通过冷冻电子断层扫描技术，首次在真实三维空间直接捕捉到光刻胶聚合物的“缠结”行为，实现了光刻胶分子在液相环境中原位状态的三维解析，揭示了缺陷产生的根本原因；基于对分子缠结行为的精准认知，团队开发出新型分子调控方案，通过优化聚合物链长度与交联密度，显著降低异常缠结概率，最终实现12英寸晶圆光刻胶残留缺陷消除超99%。
图源：彭海琳教授团队研究成果
“它为在原子/分子尺度窥探各类液相界面反应提供了强大工具，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提升。”团队成员指出，“同时，这项研究运用的冷冻电子断层扫描技术，应用潜力远不限于芯片光刻领域。”
文章来自：电子发烧友
