10月27日，多只光刻膠概念股表現(xiàn)強勁。萬潤股份漲停，晶瑞電材漲超16%，艾森股份漲超6%，南大光電漲超5%，彤程新材漲超4%。這一市場表現(xiàn)背后的原因是國內(nèi)研究團隊在光刻膠領(lǐng)域取得了新的突破。

北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊及合作者撰寫的一篇論文發(fā)表在《自然·通訊》上，引起了廣泛關(guān)注。這篇論文將冷凍電子斷層掃描技術(shù)（Cryo-ET）引入半導體領(lǐng)域，通過該技術(shù)在原位狀態(tài)下解析了光刻膠分子在液相環(huán)境中的微觀三維結(jié)構(gòu)、界面分布與纏結(jié)行為，并指導開發(fā)出可顯著減少光刻缺陷的產(chǎn)業(yè)化方案。該方案能使光刻技術(shù)在減少圖案缺陷方面取得大于99%的改進。彭海琳表示，該研究成果可直接用于半導體制造，技術(shù)方案可行，與現(xiàn)有的裝備兼容。

光刻膠是半導體光刻過程中的一種關(guān)鍵材料，在光刻工藝中用作抗腐蝕涂層。光刻過程利用光和光刻膠之間的化學反應，采用深紫外光、極紫外光等將掩膜上的圖案轉(zhuǎn)移到硅晶圓上。光刻膠顯影是通過顯影液溶解曝光后光刻膠可溶解區(qū)域，形成納米級電路圖案，直接影響集成電路的尺寸精度。然而，光刻膠在顯影液中的行為長期是一個“黑匣子”，產(chǎn)業(yè)界在進行工藝優(yōu)化時只能反復試錯，阻礙了大批量制造時的技術(shù)優(yōu)化，成為制約7納米及更先進制程良率提升的瓶頸之一。

隨著圖案的特征尺寸接近光刻膠聚合物的輪廓長度，液膜內(nèi)光刻膠分子的吸附和糾纏行為成為控制圖案缺陷形成的關(guān)鍵因素，最終決定半導體器件的穩(wěn)定性和良率。盡管經(jīng)過數(shù)十年的研究，光刻膠在液膜以及在氣液界面處的微觀行為仍難以捉摸，導致產(chǎn)業(yè)界在控制圖案缺陷方面基本上是一個不斷試錯的過程。此前業(yè)內(nèi)主要通過掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等技術(shù)表征光刻圖案，這些技術(shù)受限于“與液體環(huán)境不兼容”或“較低的分辨率”，導致光刻膠在液膜中的微觀結(jié)構(gòu)和界面行為不清楚。

彭海琳及其團隊采用Cryo-ET技術(shù)，揭示了光刻膠聚合物在液膜和氣液界面處的納米結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性，將氣液界面處光刻膠聚合物的空間分布細化到溶液本體，并揭示了聚合物鏈之間的結(jié)合纏結(jié)現(xiàn)象。研究人員合成出一張分辨率優(yōu)于5納米的微觀三維“全景照片”。該論文進一步提出，在光刻膠顯影過程中抑制聚合物纏結(jié)，可能是緩解圖案表面缺陷形成的關(guān)鍵。提高曝光后烘烤（PEB）溫度可以有效抑制聚合物纏結(jié)。當PEB溫度升高到105°C時，光刻膠聚合物傾向于解纏和分離，輪廓長度縮短。論文還建議在整個光刻膠顯影過程中使用連續(xù)的液膜，以確保在氣液界面處可靠地捕獲解纏結(jié)的聚合物，并防止其重新沉積。通過這種策略，可以在整個12英寸晶圓上消除聚合物殘留物造成的缺陷，缺陷數(shù)量降幅超過99%。

交叉學科研究在這項研究中起到了關(guān)鍵作用。Cryo-ET技術(shù)此前主要用于結(jié)構(gòu)生物學，近期斯坦福大學研究人員將其應用于電池領(lǐng)域，而彭海琳團隊則首次將其應用于光刻領(lǐng)域。彭海琳表示，他所在的課題組與清華大學生命學院一直密切合作，開發(fā)高分辨冷凍電鏡成像技術(shù)有較好的研究基礎(chǔ)。課題組內(nèi)不同領(lǐng)域的研究人員容易碰撞出火花，很自然就想到用Cryo-ET技術(shù)來解析溶液中的光刻膠高分子。

近年來，國內(nèi)學界在光刻膠研究領(lǐng)域取得了一些重要進展，一些研究成果已經(jīng)在賦能半導體制造。除了彭海琳教授團隊及合作者的最新研究成果，今年7月，清華大學化學系許華平教授在極紫外（EUV）光刻材料上取得了重要進展，開發(fā)出一種基于聚碲氧烷的新型光刻膠，有望推動下一代EUV光刻材料的發(fā)展。去年，復旦大學魏大程團隊設(shè)計了一種功能型光刻膠，利用光刻技術(shù)在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個有機晶體管并實現(xiàn)了互連，助力實現(xiàn)特大規(guī)模集成度有機芯片制造。此外，華中科技大學與湖北九峰山實驗室組成聯(lián)合研究團隊，突破了“雙非離子型光酸協(xié)同增強響應的化學放大光刻膠”技術(shù)，已在生產(chǎn)線上完成了初步工藝驗證，實現(xiàn)了從技術(shù)開發(fā)到成果轉(zhuǎn)化全鏈條打通。

彭海琳表示，需要由產(chǎn)業(yè)界提需求，學術(shù)界進行基礎(chǔ)研究并反饋給產(chǎn)業(yè)界。隨著集成電路工藝演進，光刻機也從DUV演變到能生產(chǎn)7nm及更先進制程的EUV。國際同行早在2000年左右就對深紫外光刻膠和極紫外光刻膠進行了大量研究，國內(nèi)學者目前處于努力追趕的狀態(tài)。據(jù)市場研究機構(gòu)QYResearch數(shù)據(jù)，2024年全球半導體光刻膠市場規(guī)模約26.85億美元，預計2031年將達45.47億美元。光刻膠核心廠商包括東京應化 TOK、JSR、信越化學Shin – Etsu等，主要來自日本、美國和韓國，2023年前五大廠商約占86%市場份額。國內(nèi)企業(yè)已在部分中低端產(chǎn)品領(lǐng)域取得突破，并投入EUV光刻膠研發(fā)，推動光刻膠國產(chǎn)化進程。彭海琳認為，國內(nèi)雖然在光刻機領(lǐng)域有所受限，但仍需要在極紫外光刻膠領(lǐng)域進行提前布局，追趕國際同行的步伐。