在芯片制造的精密工藝中，光刻技術猶如一支精準的畫筆，將復雜的電路圖案精細地“描繪”在硅晶圓表面。然而，這一核心環(huán)節(jié)中，光刻膠在顯影液中的微觀行為長期籠罩在迷霧之中，成為制約7納米及更先進制程芯片量產良率的關鍵障礙。近日，一支跨學科研究團隊通過創(chuàng)新技術，首次在液相環(huán)境中直接觀測到光刻膠分子的三維結構與動態(tài)行為，為突破這一技術瓶頸開辟了新路徑。

這項突破性研究由北京大學化學與分子工程學院與清華大學、香港大學的科研人員聯(lián)合完成。研究團隊創(chuàng)造性地將冷凍電子斷層掃描技術（cryo-ET）引入半導體制造領域——這項原本用于生命科學研究的成像技術，能夠以每秒超過萬攝氏度的極快速度將顯影液中的光刻膠分子瞬間凍結，完整保留其在液態(tài)環(huán)境中的原始構象。通過先進的成像與三維重建技術，科學家們獲得了分辨率優(yōu)于5納米的微觀結構圖，首次在原子尺度上清晰呈現了光刻膠分子在顯影液中的三維排列、界面分布及相互纏結的細節(jié)。

三維成像結果顛覆了傳統(tǒng)認知。研究發(fā)現，光刻膠分子并非均勻分散在顯影液中，而是傾向于聚集在液體與空氣的界面處。更關鍵的是，分子間通過較弱的相互作用力形成松散的“凝聚纏結”結構，呈現出局部平行排列的特征。這些吸附在界面上的纏結分子極易形成直徑達30納米（部分超過40納米）的團聚顆粒。在芯片制造的顯影過程中，這些團聚體可能重新沉積到精密電路圖案上，導致單塊12英寸晶圓出現數千個缺陷，嚴重制約先進芯片的量產效率。

為破解這一難題，研究團隊通過分子動力學模擬深入探究了分子聚集的能量驅動機制。基于實驗與模擬的雙重驗證，團隊提出了兩項與現有芯片生產線完全兼容的創(chuàng)新解決方案：其一，通過適度提高顯影前的烘烤溫度，利用纏結結構的熱敏感性促使大團聚體解離為更小、更分散的分子鏈；其二，優(yōu)化顯影工藝，在晶圓表面形成連續(xù)的液膜，利用液膜的沖刷作用捕獲并帶走界面上的分子團簇，防止其污染電路圖案。實驗表明，兩種策略結合使用后，12英寸晶圓上由光刻膠殘留引發(fā)的缺陷減少了99%以上。

這項成果的意義不僅限于光刻領域。冷凍電子斷層掃描技術展現出的原子級分辨率與原位觀測能力，為研究液體環(huán)境中的化學反應（如催化、合成及生命過程）提供了通用型工具。對于芯片產業(yè)而言，精準掌握液體中聚合物材料的微觀行為，將推動光刻、蝕刻、清洗等關鍵制造環(huán)節(jié)的缺陷控制，為制造性能更強、可靠性更高的下一代芯片奠定技術基礎。

相關研究論文已于9月30日發(fā)表于國際頂級學術期刊《自然·通訊》，詳細數據與實驗方法可通過論文鏈接（https://www.nature.com/articles/s41467-025-63689-4）獲取。