芯片越做越小

缺陷卻越難搞定？

當(dāng)你以為冷凍電鏡

只是生命科學(xué)的“顯微鏡明星”時

北京大學(xué)彭海琳教授團(tuán)隊卻打破邊界

讓這臺“生物神器”跨界闖入芯片制造

還交出了缺陷率大降99%的亮眼成績單

一起來看看，這是怎么個事兒？

近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳團(tuán)隊聯(lián)合清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、香港大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，成功將冷凍電鏡斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，首次原位解析了光刻膠在顯影液中的微觀行為，并開發(fā)出顯著降低光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。這一突破性研究成果于2025年9月30日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。

彭海琳團(tuán)隊研究成果發(fā)布在 Nature Communications 期刊網(wǎng)站

本成果的主要參與者：鄭黎明（右）、彭海琳（中）、劉楠（左）

看不明白這項研究內(nèi)容是啥？為啥重要？

來看看課代表總結(jié)版：

芯片的核心是電路，光刻就是給芯片“印電路”的關(guān)鍵步驟：用超精密“投影儀”縮小電路圖案印在硅片薄膜上，經(jīng)顯影液沖洗定型。因此，顯影液中光刻膠分子的吸附、纏繞狀態(tài)，直接決定晶圓是否出現(xiàn)缺陷，進(jìn)而影響芯片性能。

過去的許多技術(shù)始終看不清顯影液里光刻膠分子的“一舉一動”。彭海琳教授團(tuán)隊的創(chuàng)新是引入冷凍電鏡斷層掃描技術(shù)，瞬間“凍結(jié)”顯影液中的光刻膠分子，讓其“無處遁形”，借以觀察其三維形態(tài)、界面分布以及分子間的“纏結(jié)”。

這場“跨界”觀察產(chǎn)生了顛覆性的發(fā)現(xiàn)：業(yè)界曾認(rèn)為光刻膠分子分散在液體內(nèi)部，實(shí)則多吸附在氣液界面，且會“抱團(tuán)纏結(jié)”形成約30納米團(tuán)聚顆粒，這正是光刻缺陷的根源。

針對此，團(tuán)隊提出“抑制纏結(jié)”“界面捕獲”兩套方案，使12英寸晶圓的光刻膠殘留缺陷被消除，降幅超99%。該技術(shù)意義不止于芯片：既可為鋰電池、催化反應(yīng)等液相界面反應(yīng)研究提供工具，還能闡釋高分子、增材制造等領(lǐng)域的“纏結(jié)”現(xiàn)象，為高端制造精度提升開辟新路徑。

 明白了大致原理 

 來聽聽團(tuán)隊的專業(yè)解讀 

打開光刻技術(shù)的“黑匣子”

以冷凍電鏡打開微觀世界大門

光刻作為芯片制造的核心工藝，其精度直接決定集成電路性能。然而，光刻膠在顯影液中的微觀行為，長期如“黑匣子”一般制約著先進(jìn)制程良率提升。

“光刻就是給半導(dǎo)體晶圓‘印電路’，核心是用超精密‘投影儀’把設(shè)計好的電路圖案縮小后印在硅片的特殊薄膜上。”

彭海琳形象地解釋道，“而顯影液在電路圖案的形成過程中發(fā)揮著重要作用，液膜中光刻膠分子的吸附與纏結(jié)行為，是影響晶圓表面圖案缺陷形成的關(guān)鍵因素?！?/p>

在突破技術(shù)瓶頸的嘗試中，傳統(tǒng)表征技術(shù)面臨重大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)界工藝優(yōu)化技術(shù)嚴(yán)重依賴試錯，成為制約7納米及以下先進(jìn)制程的瓶頸。彭海琳指出：

“目前國際同行使用的原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡等技術(shù)，很難‘看清’光刻膠高分子在顯影液中的一舉一動。而這項工作首次用“超級CT”看清楚了照相底片在“顯影液”里是如何溶解的，并由此找到了解決芯片制造中“顯影花斑”這個老大難問題的關(guān)鍵方案。簡言之，這項研究就像給芯片制造中的‘顯影’環(huán)節(jié)裝了一個高清監(jiān)控?！?/p>

再現(xiàn)時空：建立3D立體模型

為聚合物切片，還原光子運(yùn)動軌跡

研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地將冷凍電子斷層掃描（cryo-electron tomography，cryo-ET）技術(shù)引入半導(dǎo)體領(lǐng)域?！拔覀冊O(shè)計了一套與光刻流程緊密結(jié)合的樣品制備方法?！迸砗Ａ战榻B道，

“在晶圓上進(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)急速冷凍至玻璃態(tài)。”

這種方法成功實(shí)現(xiàn)了對光刻膠分子在液相環(huán)境中真實(shí)構(gòu)象的“瞬間凍結(jié)“，隨后通過傾斜冷凍樣品（-60°至+60°）采集系列二維投影圖像，并基于計算機(jī)三維重構(gòu)算法融合成高分辨率三維視圖，分辨率優(yōu)于5納米。該方法一舉克服了傳統(tǒng)技術(shù)無法原位、三維、高分辨率觀測的三大痛點(diǎn)。

冷凍電鏡斷層掃描技術(shù)解析溶液中的光刻膠高分子

冷凍電鏡斷層掃描的三維重構(gòu)打破業(yè)界傳統(tǒng)認(rèn)知，帶來了一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)。論文共同通訊作者之一、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授高毅勤表示：

“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，但三維圖像顯示它們大多吸附在氣液界面?！?/p>

更重要的是，團(tuán)隊首次直接觀測到光刻膠聚合物的“凝聚纏結(jié)”現(xiàn)象。“這種纏結(jié)依靠較弱的范德華力或疏水相互作用結(jié)合，形成平均尺寸約30納米的團(tuán)聚顆粒，這些‘團(tuán)聚顆?！枪饪虧撛诘娜毕莞础！备咭闱谘a(bǔ)充道。而通過冷凍電鏡斷層掃描的三維重構(gòu)，結(jié)合理論模擬，高毅勤團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了對“團(tuán)聚顆?！钡奈⒂^再現(xiàn)。

再造新工具：打破液相科研局限

極高的可靠性和重復(fù)性為各領(lǐng)域應(yīng)用提供可信度

基于當(dāng)前的機(jī)理解析，團(tuán)隊提出兩項創(chuàng)新解決方案。彭海琳詳細(xì)介紹：“我們提出了兩項簡單、高效且與現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)線兼容的解決方案：一是抑制纏結(jié)，二是界面捕獲。”抑制纏結(jié)策略利用纏結(jié)的熱敏感性，通過適當(dāng)提高曝光后烘烤溫度，有效促使聚合物解纏結(jié)。界面捕獲策略則通過優(yōu)化顯影工藝，維持連續(xù)液膜來捕獲并移除聚合物。

“實(shí)驗表明，兩種策略結(jié)合后，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99%?！?/p>

彭海琳透露，“該方案具備很高的可靠性和重復(fù)性，具有產(chǎn)線推廣應(yīng)用價值?！?/p>

這項研究的價值遠(yuǎn)超光刻領(lǐng)域本身，彭海琳強(qiáng)調(diào)：“研究說明冷凍電子斷層掃描技術(shù)為在原子或分子尺度上解析各類液相界面反應(yīng)提供了強(qiáng)大工具，也有助于闡釋高分子、增材制造和生命科學(xué)中廣泛存在的纏結(jié)現(xiàn)象。”

對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，這一突破意味著工藝優(yōu)化將從“試錯模式“邁向“精準(zhǔn)設(shè)計”時代。彭海琳表示：“我們的方案能為提升光刻精度與良率開辟新路徑，對推動先進(jìn)制程發(fā)展具有重要意義。”

該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、騰訊新基石科學(xué)基金會等多項資助，展現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用深度融合的巨大潛力。隨著這一技術(shù)的進(jìn)一步推廣，芯片制造業(yè)有望迎來新一輪的良率提升與成本優(yōu)化。