研究人員的發現
中國一支研究團隊捕捉到迄今最清晰的影像之一，呈現晶片圖案顯影過程中光阻的變化。他們運用冷凍電子斷層掃描（cryo-ET），以奈米尺度觀察溶解的光阻聚合物如何在顯影液中移動、聚集並形成團塊。影像顯示，大量聚合物會移至氣液界面並形成團簇，之後可能掉回晶圓表面，造成圖案缺陷。掌握這項發現後，研究團隊發現，稍微提高曝光後烘烤溫度，並讓顯影液薄膜持續覆蓋表面，可避免團簇形成；採用深紫外光微影時，在 300 毫米晶圓上能將缺陷數量降低逾 99%。
目錄
這項發現針對的是半導體製程中最棘手的問題之一。晶片製造可能要經過數千道步驟，任何階段出現的微小殘留物或顆粒，都可能造成短路、斷線或邊緣粗糙，降低良率。顯影是風險升高的關鍵步驟：曝光後的光阻必須乾淨且穩定地溶解，同時維持圖案清晰。這項新研究並未改變圖案轉移的基本化學原理，卻揭示了一條隱藏的形成途徑，說明為何即使製程受到嚴密控制，仍會出現殘留物。
實驗中，研究人員以優於 5 奈米的解析度，觀察化學放大型光阻聚合物在原始液態環境中的狀態。聚合物呈現柔韌、細絲狀的鏈條。在厚度約 25 至 100 奈米的液膜中，研究人員測得約 80% 的聚合物質量移至液層頂部，接近顯影液與空氣接觸的位置。聚合物在該界面形成糾纏程度較弱的團簇，尺寸通常達數十奈米；若沉積到晶圓上，便足以造成圖案缺陷。加熱可以解除這些糾纏，這也符合較高的曝光後烘烤溫度能抑制團簇形成的觀察結果。
研究團隊提出兩項可實際採用的調整：將曝光後烘烤溫度從約 95 攝氏度提高至約 105 攝氏度，並讓均勻的顯影液薄膜維持在表面，使界面保持穩定、團簇能隨液體帶走。在 12 吋晶圓上進行的測試採用現有光阻配方，以及標準的深紫外塗佈、曝光、烘烤與顯影設備；兩項調整合併使用後，可使可見的殘留物類缺陷減少逾 99%。不過，作者提醒，這種調高溫度的做法不適用於極紫外光微影，因為它會使酸擴散，模糊最精細的特徵。
光阻如何顯影出圖案
微影製程會製作電路模板，用以形成晶片上的各種金屬與介電層結構。晶圓先塗佈光阻，再以圖案化光線曝光，接著烘烤以促進關鍵反應，並浸入能去除指定區域的液體中顯影，之後沖洗、乾燥。無論是波長 193 奈米的深紫外光，還是波長 13.5 奈米的極紫外光，最常見的材料都是化學放大型光阻。這類塗層含有光酸產生劑，受光照射的區域會釋放酸。在曝光後烘烤期間，酸會催化聚合物中的反應：正光阻中，曝光區域因此更容易溶解；負光阻中，曝光區域則會變得較難溶解。
從外觀看來，顯影似乎很簡單，但在薄薄的液層內，物理與化學作用十分複雜。顯影液會溶解經光照及曝光後烘烤活化區域中的聚合物片段。液體以受控的液滴或噴灑方式鋪展在晶圓上；溶解持續進行時，表面會留下一層極薄的液膜。此時界面十分重要。受表面作用力影響，聚合物鏈可能被吸引至氣液交界處，接著互相糾纏並形成團簇。如果團簇或尚未完全溶解的鏈段重新沉積在邊緣或相鄰線條之間，就可能造成線條橋接、斷裂或粗糙，成為後續製程中可見的缺陷。
中國研究團隊直接觀察到這種糾纏。團簇由微弱且可逆的作用力維繫，因此容易受些微溫度變化與液體流動歷程影響。較高的曝光後烘烤溫度增加了鏈段的活動性，也有助反應完成，提升溶解均勻度。較穩定的顯影液薄膜則減少團簇在氣液界面形成的機會，也更容易在沖洗與乾燥之前帶走游離鏈段。
為何提高烘烤溫度有利 DUV，卻不利 EUV
能減少深紫外光製程殘留物的同一項溫度微調，可能損害極紫外光圖案的保真度。在 193 奈米浸潤式製程中，曝光後烘烤溫度通常落在 95 至 110 攝氏度。只要在這個範圍內調整，就能提升溶解對比、減少殘留物，並擴大可用製程窗口。額外熱能可使可逆的鏈段糾纏鬆開，並加速決定哪些區域會溶解、哪些會保留的化學反應。仍須審慎調校，但研究人員所報告的升溫幅度，符合深紫外光軌道設備與光阻的常見使用範圍。
極紫外光圖案化對額外擴散的容忍度低得多。特徵尺寸更小，而且單位面積吸收的光子數較少，因此隨機變異更大。稍微提高曝光後烘烤溫度，就會增加酸的擴散距離及其他物質的移動，讓潛像擴散、邊緣變模糊，並提高線邊粗糙度。這也會增加最小間距處線條缺失或合併的機率。因此，EUV 製程會設法限制擴散，包括控制烘烤溫度、調整淬熄劑含量，以及改用不仰賴長距離化學放大的材料。
許多 EUV 開發計畫正轉向含金屬或金屬氧化物光阻，這類材料有較高的 EUV 吸收率，反應距離也較短。它們能以較少的酸擴散製作精細圖案。這項策略搭配曝光劑量最佳化及軌道製程改善，目標是在維持解析度、抑制隨機缺陷的同時，避免提高烘烤溫度造成圖案模糊。
冷凍電子斷層掃描進入晶片製造實驗室
從細胞到電路
冷凍電子斷層掃描一直是結構生物學的重要工具。這種方法以快速玻璃化將分子固定在接近原生的狀態，再根據一系列不同傾角的二維電子顯微影像，重建三維影像。要將這項方法應用於半導體化學，必須精準掌握時間並妥善處理樣本。研究團隊依照標準流程對晶圓曝光與烘烤，抽取含有溶解光阻鏈的小量顯影液樣本，並在數毫秒內將樣本玻璃化，固定於電子顯微鏡載網上。接著，他們在電子顯微鏡內旋轉冷凍樣本並拍攝多個角度的影像，重建液體中聚合物的三維排列。
這項成果提供了過去無法取得的顯影步驟全貌。傳統工具不是觀察乾燥後的殘留物（乾燥可能改變其形態），就是依據溶解速率、事後測得的粗糙度等間接指標推測行為。冷凍電子斷層掃描則能原位觀察。本研究影像顯示，鏈條呈隨機線團形狀、在氣液表面附近大量聚集，並以加熱即可解除的弱作用力互相糾纏。這些證據支持深紫外光製程採取直接的改善方式：適度調整烘烤溫度，並控制軌道設備上的顯影液薄膜。
研究團隊的數據也有助於解釋，為何領先晶圓廠很少將大型界面團簇列為最小節點的主要缺陷來源。先進間距下造成致命影響的缺陷，通常比此處觀察到的團簇更小，這表示高階產線已透過最佳化烘烤、嚴格控制軌道條件及先進沖洗流程，抑制這種機制。冷凍電子斷層掃描能提供更精確的診斷工具，讓研究人員確認抑制效果，也能找出尺寸縮小後可能影響製程的其他液相作用途徑。
這對中國與全球競賽的意義
中國晶片製造商正試圖提高良率，同時面臨取得極紫外光設備及其他先進設備的限制。採用多重圖案化的深紫外光仍是製作精細特徵不可或缺的技術，但每增加一次曝光步驟，成本與風險也會隨之提高。報導指出，中國大型晶圓代工廠大力推進舊世代平台，使缺陷控制與清潔對維持可接受良率更加重要。在這種情況下，能以現有設備可靠減少顯影殘留物的方法格外有價值。
這項研究提出的配方對中國本土產線很有吸引力，因為不需要新的曝光平台或特殊材料，而是使用標準深紫外光光阻與軌道設備。建議的調整包括稍微提高曝光後烘烤溫度，以及修改設備或配方以維持穩定的顯影液薄膜；這些做法都在常見軌道設備的能力範圍內。在成熟與中階節點上，良率提升可直接轉化為每片晶圓產出更多可用晶片。
同樣的研究成果無法縮小極紫外光圖案化的差距。反而凸顯 EUV 的成功有賴於能限制反應範圍的材料，以及對擴散的嚴格管理。該領域的進展來自新型光阻、更高功率光源與更精良的量測技術，而非提高烘烤溫度。冷凍電子斷層掃描的方法仍然重要，因為它能釐清其他會影響最終良率的濕式製程步驟中的液相行為。
研究限制與領先晶圓廠的既有作法
研究本身指出，觀察到的界面團簇可以逆轉，而且尺寸相對較大。領先晶圓廠早已避免在敏感製程區間留下裸露的氣液界面，並讓顯影液薄膜保持連續，以降低再沉積風險。軌道模組會管理液滴形成、供液速率與晶圓旋轉曲線，將膜厚和停留時間都控制在狹窄範圍內。烘烤板會逐區校準，涵蓋整片 300 毫米晶圓；濾網與溶液管理則用來減少微粒及溶解有機物殘留。
現代微影軌道設備也內建感測器與線上檢查機制，以監控製程漂移。缺陷柏拉圖分析與審慎的實驗設計，多年來已協助設定安全的烘烤溫度與顯影時間。冷凍電子斷層掃描影像提供的是一套機制層面的解釋，與實務經驗相互印證。工程師可確認表面糾纏作用力較弱、由熱效應主導，且會因薄膜控制而改變。當導入新化學材料，或在提升良率期間將既有配方推向極限時，這項確認能提高信心。
EUV 相關材料的發展方向
化學放大型有機光阻仍主導深紫外光產線，但極紫外光領域正逐漸轉向含金屬系統。以錫、鉿、鋯及相關元素為基礎的金屬氧化物與金屬團簇光阻，每單位厚度能吸收更多 EUV 光子。這些材料曝光後也會形成網狀結構，不依賴酸長距離移動。這些特性有助降低線寬粗糙度，並以量產設備可行的曝光劑量，支援小於 15 奈米尺寸的圖案化。研究人員正調整合成方法，包括氣相滲入與非水相溶膠凝膠化學，以製作均勻、抗缺陷且靈敏度可控的塗層。
近期一項研究混合兩種氧化錫團簇，以兼顧高靈敏度及更佳的抗蝕刻能力。這種混合材料在每平方公分約 50 至 60 毫焦耳的曝光劑量下，製作出半間距約 13 至 16 奈米的圖案，並提升抗蝕刻能力，使圖案更厚實耐用。光譜分析顯示，曝光與曝光後反應期間，兩種團簇之間可能產生協同作用。這類研究指出了一條材料發展路徑，可形成更銳利的 EUV 影像，同時不必承受提高烘烤溫度所帶來的擴散代價。
這個領域的後續研究將聚焦於配體設計、新的金屬組合及合成控制，以抑制隨機缺陷形成，同時維持解析度。若能成功，這些材料將降低對強化烘烤步驟的依賴，讓軌道設備工程師有更大空間微調顯影製程，而不犧牲邊緣清晰度。
製造端值得關注的事項
對採用深紫外光製程的晶片製造商而言，眼前的重點很務實：以產線上的特定光阻確認烘烤與顯影的製程窗口，並量化殘留物缺陷是否有所變化。晶圓上的烘烤均勻度、顯影液液滴的作用時間及供液動態，都可能影響團簇形成與再沉積的機會。研究所用的溫度範圍落在許多晶圓廠現有的使用範圍內，簡化了評估工作。不過，仍須避免溫度或時間過度增加，以免損害光阻，或使尺寸超出公差。
檢測與量測和配方同樣重要。在提升良率期間，能及早偵測並分類殘留物的產線，就能迅速調整。缺陷圖、線邊粗糙度指標與沖洗最佳化，都與文中所述的烘烤調整密切相關。儘管這套方法與 EUV 的關聯有限，成像架構本身仍是很有價值的新工具。冷凍電子斷層掃描可用來檢視顯影後沖洗或選擇性濕式清洗等其他步驟中的液相作用；這些製程中的微小分子聚集物，往往會左右製程是否穩定。
重點整理
- 冷凍電子斷層掃描首次讓研究人員得以直接以三維影像觀察顯影液中的溶解光阻聚合物，並揭示氣液界面的團簇形成現象。
- 將曝光後烘烤溫度從約 95 攝氏度提高至 105 攝氏度，並維持連續的顯影液薄膜，可使 300 毫米深紫外光晶圓上的殘留物類缺陷減少逾 99%。
- 團簇中的鏈段糾纏作用力微弱，且可受熱逆轉，說明為何不大的溫度變化就能使其瓦解。
- 同樣的升溫會增加酸擴散、模糊邊緣並提高線邊粗糙度，降低極紫外光圖案的保真度。
- 領先晶圓廠早已調整烘烤與顯影條件，以避免這類表面團簇，因此它們很少被視為最小節點的致命缺陷。
- 採用深紫外光多重圖案化的中國晶圓廠，可能受惠於這項研究中適用於 DUV 的作法；但 EUV 設備取得與材料仍是更大的障礙。
- EUV 用金屬氧化物與金屬團簇光阻，旨在兼具高吸收率、優異抗蝕刻能力及短距離反應，藉此限制擴散而不必提高烘烤溫度。
- 冷凍電子斷層掃描開啟新的診斷途徑，可研究顯影、沖洗與濕式清洗中的液相作用，以及這些作用如何影響最終良率。
