◎ 科技日報記者 張蓋倫

光刻技術是推動芯片制程工藝持續微縮的核心驅動力之一。近日，北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊及其合作者在《自然通訊》上披露了他們的新發現。該團隊通過冷凍電子斷層掃描技術，首次在原位狀態下解析了光刻膠分子在液相環境中的微觀三維結構、界面分布與纏結行為，指導開發出可顯著減少光刻缺陷的產業化方案。

該成果經媒體報道后，引起多方關注。冷凍電鏡這一常被認為用于生命科學領域的技術，如何進入芯片制造業并為業界提供指導？

一問：光刻為什么重要？

彭海琳表示，光刻是芯片制造中關鍵的步驟之一，通俗理解，光刻就是給半導體晶圓（比如硅片）“印電路”，核心是用超精密“投影儀”把設計好的電路圖案，縮小后印在硅片的特殊薄膜上，再通過沖洗定型。光刻是芯片制造的核心技術之一，更是微納加工領域“皇冠上的明珠”。

顯影液則在電路圖案形成過程中發揮著重要作用。在光刻膠顯影過程中，光刻膠的曝光區域會選擇性地溶解在顯影液的液膜中。液膜中光刻膠分子的吸附與纏結行為，是影響晶圓表面圖案缺陷形成的關鍵因素，進而可直接影響芯片性能和良率。

二問：為什么使用冷凍電鏡斷層掃描技術？

目前，國際同行正在利用“原子力顯微鏡”“掃描電子顯微鏡”“飛行時間質譜”等技術研究光刻的微觀過程和機理，但是這些技術很難“看清”光刻膠高分子在顯影液中的一舉一動。

此次，團隊首次將冷凍電鏡斷層掃描技術引入到半導體領域，設計了一套與光刻流程緊密結合的樣品制備方法。

具體來說，他們在晶圓上進行標準的光刻曝光后，將含有光刻膠聚合物的顯影液快速吸取到電鏡載網上，并在毫秒內將其急速冷凍至玻璃態，瞬間“凍結”光刻膠在溶液中的真實構象。之后在冷凍電鏡下傾斜該樣品，通過采集多角度下的二維投影圖像，實現三維重構，分辨率可達亞納米級。

與傳統方法相比，冷凍電子斷層掃描分析具有顯著優勢，可高分辨率重建液膜中光刻膠聚合物的三維結構與界面分布，還能解析光刻膠分子的聚合物纏結現象。

三問：該發現對產業界意味著什么？

冷凍電鏡斷層掃描的三維重構帶來了一系列新發現。

論文通訊作者之一、北京大學化學與分子工程學院高毅勤教授表示，以往業界認為溶解后的光刻膠聚合物主要分散在液體內部，可三維圖像顯示它們大多吸附在氣液界面。團隊還首次直接觀察到光刻膠聚合物的“凝聚纏結”，其依靠較弱的力或者疏水相互作用結合。而且，吸附在氣液界面的聚合物更易發生纏結，形成平均尺寸約30納米的團聚顆粒，這些“團聚顆粒”正是光刻潛在的缺陷根源。

“我們由此提出了兩項簡單、高效且與現有半導體產線兼容的解決方案。一是抑制纏結，二是界面捕獲。”彭海琳說，實驗表明，兩種策略結合，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，缺陷數量降幅超過99%，且該方案具備極高的可靠性和重復性。

彭海琳表示，研究說明冷凍電子斷層掃描技術為在原子/分子尺度上解析各類液相界面反應提供了強大工具，也有助于闡釋高分子、增材制造和生命科學中廣泛存在的“纏結”現象。“我們的方案能為提升光刻精度與良率開辟新路徑。”彭海琳說。