论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63689-4
彭海琳表示，光刻是芯片制造中关键的步骤之一，通俗理解，光刻就是给半导体晶圆（比如硅片）“印电路”，核心是用超精密“投影仪”把设计好的电路图案，缩小后印在硅片的特殊薄膜上，再通过冲洗定型。光刻是芯片制造的核心技术之一，更是微纳加工领域“皇冠上的明珠”。
显影液则在电路图案形成过程中发挥着重要作用。在光刻胶显影过程中，光刻胶的曝光区域会选择性地溶解在显影液的液膜中。液膜中光刻胶分子的吸附与缠结行为，是影响晶圆表面图案缺陷形成的关键因素，进而可直接影响芯片性能和良率。
《自然-通讯》报道的简介中提到，尽管经过数十年的研究，光刻胶在液膜和界面处的微观行为仍然难以捉摸，导致工业界对图案缺陷的控制很大程度上是一个反复试验的过程。在这里，我们利用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）方法揭示了液膜和气液界面处光刻胶聚合物的纳米结构和动力学。与传统方法相比，cryo-ET 以显著提高的分辨率重建了光刻胶聚合物的天然态三维结构。Cryo-ET 重建解决了光刻胶聚合物在本体溶液中气液界面上的空间分布，揭示了聚合物链之间的内聚缠结。通过抑制聚合物缠结并利用光刻胶在气液界面的吸附，在工业条件下消除了 12 英寸晶圆上的污染，使与晶圆厂兼容的光刻图案缺陷减少率提高了 99% 以上。
注：a光刻胶显影后 12 英寸晶圆的光学图像。b显影纳米图案的 SEM 图像。c光刻胶（化学放大光刻胶）的水接触角测量。插图：光学图像显示光刻胶的水接触角约为 85°。d示意图显示光刻胶润湿性差导致缠结聚合物吸附在图案表面。e、f光刻胶显影后12 英寸晶圆的缺陷映射（e），其中每个红点表示图案缺陷的发生（f）。g cryo -ET 切片显示，当将曝光后烘烤温度（T）从 95°C（左）增加到 105°C（右）时，聚合物缠结受到抑制。h通过抑制气液界面处的聚合物缠结来去除缺陷的示意图，防止大尺寸聚合物残留物的形成和沉积。i消除缺陷的 12 英寸晶圆。j通过抑制气液界面处的聚合物缠结，显影图案的聚合物残留量降低了 99% 以上。插图：无缺陷显影图案的典型 SEM 图像。比例尺，80 纳米。
冷冻电镜断层扫描的三维重构带来了一系列新发现。
论文通讯作者之一、北京大学化学与分子工程学院高毅勤教授表示，以往业界认为溶解后的光刻胶聚合物主要分散在液体内部，可三维图像显示它们大多吸附在气液界面。团队还首次直接观察到光刻胶聚合物的“凝聚缠结”，其依靠较弱的力或者疏水相互作用结合。而且，吸附在气液界面的聚合物更易发生缠结，形成平均尺寸约30纳米的团聚颗粒，这些“团聚颗粒”正是光刻潜在的缺陷根源。
“我们由此提出了两项简单、高效且与现有半导体产线兼容的解决方案。一是抑制缠结，二是界面捕获。”彭海琳说，实验表明，两种策略结合，12英寸晶圆表面的光刻胶残留物引起的图案缺陷被成功消除，缺陷数量降幅超过99%，且该方案具备极高的可靠性和重复性。
彭海琳表示，研究说明冷冻电子断层扫描技术为在原子/分子尺度上解析各类液相界面反应提供了强大工具，也有助于阐释高分子、增材制造和生命科学中广泛存在的“缠结”现象。“我们的方案能为提升光刻精度与良率开辟新路径。”彭海琳说。
这项由我国科学家主导的重大突破，是基础科学研究与产业应用需求紧密结合的典范。正如论文作者所言，这项工作为解读水界面化学反应的结构和动力学铺平了道路，而该领域的理论制定仍处于早期阶段。低温电子断层扫描 (cryo-ET) 在解决聚合物科学、增材制造和生命科学中普遍存在的纠缠方面也显示出巨大的潜力。在半导体工业的应用方面，液膜中的聚合物纳米结构和动力学有望有利于光刻、蚀刻和湿法工艺领域的缺陷控制，而这些领域对于制造下一代电子产品至关重要。
