这项光刻胶新发现为何重要
中国研究人员表示，他们直接观测了芯片光刻所用液膜中的光刻胶分子行为，并据此提出一种可在工厂应用的改进方案，大幅减少缺陷。这项研究由北京大学团队与产业伙伴合作完成，于2025年9月30日发表于《自然·通讯》。团队称，在真实制造条件下，该方案使12英寸晶圆上的聚合物残留最多减少99%，有望提高7纳米及更先进制程节点的良率。
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光刻胶是一种感光涂层，用于在硅晶圆上定义晶体管和布线图形。在光刻过程中，扫描设备将电路图像投射到光刻胶上。曝光区域的溶解性会发生变化，随后通过显影和清洗显现图形。残留的微小颗粒或浮渣可能导致线路短路、接触点断开，并在后续工序中引发故障。在先进制程节点，线路更窄、间距更小，即使少量分子出现在不该出现的位置，也可能导致芯片裸片报废。
中国对进口光刻胶，尤其是高端产品，依赖程度很高。这也是国内晶圆厂难以提高最先进制程节点良率的原因之一。自2019年以来，阿斯麦（ASML）最先进的极紫外光刻扫描设备被禁止进入中国市场，国内芯片制造商因此采用多重深紫外光刻来实现7纳米级特征尺寸。这种方法进一步凸显了光刻胶的作用，因为晶圆在数十道工序中需要经历更多次曝光、显影和湿法清洗。任何随机缺陷的减少，都有助于提高每片晶圆上的合格芯片数量。
研究人员具体做了什么
北京大学团队对光刻胶薄膜应用了冷冻电子断层成像技术，在聚合物仍处于原生液态环境时进行观察。该成像方法会极快地冷冻薄样品，将分子固定在原位，再用透射电子显微镜拍摄一系列倾斜角度的图像。软件随后重建出纳米级分辨率的三维图谱。借助这一方法，研究人员观察了显影和冲洗过程中，光刻胶聚合物在薄膜内部以及气液界面处的排列与缠结情况。
这些图像结合工艺实验，揭示了一个隐蔽的残留来源：长链聚合物会在靠近界面的薄膜顶部相互缠结，随后在冲洗和干燥过程中被困在图形凹槽中。根据这些图谱，团队设计了一种抑制界面处聚合物缠结的工艺方案。他们称，在工业环境下，该方案使12英寸晶圆上几乎所有与残留有关的缺陷都得以消除。
从生物学到芯片制造：什么是冷冻电子断层成像
冷冻电子断层成像通常简称为cryo ET，最初发展于结构生物学，用于按蛋白质和细胞的原生形态进行成像。样品经过玻璃化处理，也就是说，水和溶剂会冻结成类似玻璃的状态，不会形成破坏结构的晶体。随后，将一系列不同倾斜角度的电子图像重建为三维体积图。其关键优势是能让分子保持原位，而不会像干燥或染色那样移动或损伤脆弱结构。将cryo ET用于半导体材料，研究人员便能观察通常会在溶液中流动、重新排列的聚合物，捕捉它们形成致缺陷网络的过程。
聚合物缠结为何会造成缺陷
显影过程中，曝光区域的光刻胶会溶解，未曝光区域则保留下来，保护下面的薄膜。横跨这两个区域的缠结链条可能在显影后留下薄薄的残膜，这种缺陷通常称为浮渣。在沟槽和接触孔中，聚合物团结可能卡住并抵抗冲洗，形成残留物，进而影响后续刻蚀或金属沉积。这些都是典型的良率杀手。它们会增加线边缘粗糙度，导致线路之间形成微桥，并迫使晶圆返工。如果受影响的图形过多，整片晶圆就会报废。几何尺寸越小，问题越严重，因为多出的几纳米材料就可能封闭间隙或改变关键尺寸。
这项技术如何影响先进制程节点的量产良率
良率是晶圆上经过图形化的芯片裸片中，最终成为合格芯片的比例。在7纳米及以下制程中，一颗现代片上系统可能包含数百亿个晶体管，并需要数百道工序。随机缺陷很快就会累积。如果调整光刻胶能消除多个层中常见的残留来源，其效果就会在整个制造流程中逐步放大。最终良率可能提高数个百分点。对于晶圆代工厂而言，这意味着每颗合格裸片的成本大幅下降。
光刻胶性能影响的不只是曝光和显影。刻蚀选择性、等离子体损伤和湿法清洗都取决于聚合物网络如何形成以及如何分解。研究团队称，同一种界面控制方法不仅能减少光刻中的残留，还能减少缺陷在刻蚀和清洗工序中的传递。这有助于稳定关键尺寸和线条粗糙度，进而改善器件性能和差异性。
减少返工循环，提高每片晶圆的合格裸片数
晶圆代工厂经常让晶圆重新经过清洗或修复工序，以挽回良率。每次循环都会增加时间、成本和风险。如果残留减少99%，额外工序的需求就会下降，从而释放设备产能、缩短生产周期并减少化学品用量。对客户而言，潜在缺陷减少意味着芯片在老化测试和实际使用中更加可靠。对芯片设计人员而言，线路宽度和接触点分布更集中，有助于更准确地预测时序和功耗。
这项研究在中国芯片战略中的位置
材料和光刻是中国降低对外国供应商依赖的核心领域。光刻胶是明显的薄弱环节。国内供应商已在面向KrF和ArF设备的中端产品上取得进展，但高端产品仍由日本、美国和韩国企业主导。行业估算显示，2024年中国光刻胶市场规模约为114亿元人民币，预计2025年将继续增长。去年全球光刻胶需求规模接近27亿美元，到2031年可能达到45亿美元，反映出芯片层数增加、设计规则日趋严格的趋势。
决策者已在国家集成电路产业投资基金最新一轮资金安排中将材料列为重点。据分析人士称，第三期基金将为化学品、光刻胶及相关工艺投入超过500亿元人民币，同时投资设备和工具。推动统一标准也是这一布局的一部分。中国国家标准化管理委员会已发布极紫外光刻胶国家测试规范。统一的测试方法有助于高校和企业比较结果、认证供应商并为试点生产做准备。
高校和企业推进新材料研发
中国高校和初创企业也在研发面向极紫外光刻时代的新型化学材料。清华大学团队7月报告了一种聚碲氧烷光刻胶，在聚合物主链中引入碲原子，以增强对13.5纳米光线的吸收。曝光后，碲氧键更容易断裂，这有望在保持低分子量、提高分辨率的同时提升灵敏度。如果这种材料能够实现规模化生产，就可能为极紫外光刻提供一条国产路线，并改善灵敏度、线条粗糙度和出气量之间的权衡。
企业方面，SiCarrier旗下材料部门展示了一种金属团簇光刻胶。专利文件称，该材料以氧化锡团簇为基础，所声称的图形化范围为3纳米至50纳米。这些说法仍需在晶圆代工产线上独立验证，但也反映出更广泛的趋势：中国企业正加入光刻胶竞赛，与此同时，设备制造商也在拓展国产光刻方案。上海微电子装备的一家新分拆公司展示了用于化合物半导体的步进式光刻机、激光退火系统和检测设备。中国仍无法获得阿斯麦先进的极紫外光刻扫描设备，但整个产业生态正着力弥补材料、计量和设计软件等领域的短板。
这项突破是什么，又不是什么
北京大学的研究成果针对一个非常具体的痛点：显影和冲洗期间，液膜中的光刻胶聚合物以及它们在与空气接触的界面处的行为。通过直接成像这些结构并改变其形成方式，团队提出了一种减少常见污染来源的方法。这项成果很有价值，因为它能缩短工艺调试时间，减少反复试错，而这两者一直是晶圆厂导入新制程节点时的主要延误因素。
这并不能取代实现最小几何尺寸所需的最先进扫描设备、掩模和光刻胶。极紫外光刻面临的挑战远不止残留。光源亮度有限，光子散粒噪声会导致线边缘随机变化，而光刻胶必须在灵敏度、线条粗糙度和图形倒塌之间作出权衡。掩模需要配备能够承受高能光的薄膜保护罩，污染控制也要求很高。界面控制会有所帮助，但中国晶圆厂仍会受到可采购和可制造设备的限制。
这些研究结论也需要更广泛的验证。在一种环境中测得残留减少99%，未必适用于所有光刻胶或每一层图形。不同的图形密度、显影液、冲洗方式和刻蚀化学体系会以复杂方式相互作用。下一步应在多家晶圆厂和多种工艺中复现结果，并提供器件层面的数据，将残留减少与最终良率及可靠性提升联系起来。
研究与产业的下一步
几个里程碑将有助于判断这项进展能否在实际生产中发挥作用。首先，独立晶圆厂和材料供应商可以在常用的ArF浸没式光刻工艺和极紫外干法工艺中测试该方案，并公布工艺窗口。其次，晶圆代工厂可以报告：在关键层应用该方法后，返工量减少了多少，线边缘粗糙度和关键尺寸变化是否有所改善。第三，设备和化学品供应商可以提出相应的设备参数和配方，将界面控制纳入开箱即用的工艺方案，让客户无需大幅改动就能采用。
中国的政策信号表明，光刻胶材料仍将获得持续投入。极紫外光刻胶国家测试标准应能使性能对比和批次认证更加便利。包括清华大学碲基聚合物研究在内的高校项目，持续为行业培养人才。企业开始在公开活动中展示各种扫描设备、检测系统和新型光刻胶，表明更多试点项目即将展开。在中国以外，美国、欧洲、日本和韩国的政府支持项目也正向芯片研究投入数十亿美元。随着各地区都试图掌控更多材料环节，光刻胶技术领域的竞争可能日益激烈。
要点
- 北京大学及合作伙伴利用冷冻电子断层成像技术，对液膜中和界面处的光刻胶分子进行了成像，并据此设计工艺方案。团队称，该方案使12英寸晶圆上的聚合物残留最多减少99%。
- 这项研究于2025年9月30日发表于《自然·通讯》，旨在减少7纳米及更先进制程节点的良率损失，因为微小残留物就可能导致芯片裸片报废。
- 中国仍依赖进口高端光刻胶，并因出口管制无法获得阿斯麦先进的极紫外光刻扫描设备。
- 中国已通过资金支持和标准制定推动材料发展，其中包括一项新的极紫外光刻胶国家测试规范。
- 清华大学报告了一种碲基极紫外光刻胶，中国企业也展示了金属团簇光刻胶和国产光刻设备，但许多相关说法仍待独立验证。
- 这项突破加深了对光刻胶界面行为的理解并提升了控制能力，但不能取代先进扫描设备、掩模和下一代光刻胶。
