這項光阻新發現為何重要
中國研究人員表示，他們直接觀察到光阻分子在晶片微影所用液膜中的行為，並據此提出可在工廠導入的改善方法，大幅減少缺陷。這項研究由北京大學團隊與業界夥伴共同進行，於 2025 年 9 月 30 日刊登在《Nature Communications》。團隊指出，在實際製程條件下，這套流程可使 12 吋晶圓上的聚合物殘留最多減少 99%，有望提高 7 奈米及更先進製程節點的良率。
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光阻是一種感光塗層，用來在矽晶圓上定義電晶體與配線的圖案。進行光刻時，曝光機會將電路影像投射到光阻上。曝光區域的溶解度隨之改變，再經顯影與清洗顯露出圖案。留下的微量殘留物或浮渣可能造成線路短路、接點斷路，並在後續製程中導致故障。在先進製程節點，線路狹窄、間距緊密，即使少量分子出現在不該出現的位置，也可能使一顆晶粒報廢。
中國高度仰賴進口光阻，尤其是高階產品。這也是中國本土晶圓廠難以在最先進製程節點提高良率的原因之一。自 2019 年起，ASML 頂尖的極紫外光曝光機遭禁止銷往中國市場，中國晶片製造商因而透過多重深紫外光圖案化，達到 7 奈米級的線寬。這種方法凸顯光阻的重要性，因為晶圓在數十道製程中會經歷更多次曝光、顯影與濕式清洗。任何能減少隨機缺陷的方法，都有助於提高每片晶圓上的良品數量。
研究人員具體做了什麼
北京大學團隊運用冷凍電子斷層掃描術，觀察仍處於原生液態環境中的光阻薄膜。這種成像方法會極快速地冷凍薄樣本，使分子固定在原位，再以穿透式電子顯微鏡拍攝一系列不同傾斜角度的影像。軟體隨後重建出具奈米尺度解析度的三維圖像。研究人員藉此觀察光阻聚合物在薄膜內部，以及顯影與沖洗期間氣液界面上的排列與纏結情形。
這些影像配合製程實驗，揭示了殘留物的一個隱藏來源。長鏈聚合物可能在薄膜頂部、靠近界面處相互打結，接著在沖洗與乾燥時被困在圖案凹槽中。團隊根據這些圖像設計出一套流程，以抑制界面上的聚合物纏結。他們表示，這項改變在 12 吋晶圓的業界環境中，幾乎消除了所有與殘留物相關的缺陷。
從生物學到晶片製造：什麼是冷凍電子斷層掃描術？
冷凍電子斷層掃描術通常簡稱 cryo-ET，最初應用於結構生物學，用來觀察蛋白質與細胞的原生形態。樣本會經玻璃化處理，也就是讓水與溶劑凍結成類似玻璃的狀態，不形成會破壞結構的晶體。接著，研究人員將一系列不同傾斜角度的電子影像重建為三維影像。這種方法的主要優點是能讓分子固定在原位，而非經過乾燥或染色；後兩者可能移動或損傷脆弱結構。將 cryo-ET 用於半導體材料，研究人員便能觀察平時會在溶液中流動、重新排列的聚合物，終於得以捕捉它們形成致缺陷網絡的過程。
聚合物纏結為何會造成缺陷
顯影時，曝光區域的光阻會溶解，未曝光區域則留下來保護下方薄膜。若纏結的聚合物鏈橫跨兩個區域，顯影後可能留下薄薄的殘膜，這種缺陷通常稱為浮渣。在溝槽與接觸孔中，聚合物結塊可能卡住並抵抗沖洗，形成殘留物，進而干擾後續蝕刻或金屬沉積。這些都是典型的良率殺手，會增加線緣粗糙度、造成線路間的微小橋接，並迫使晶圓返工。若受影響的結構太多，晶圓就得報廢。幾何尺寸越小，問題越嚴重，因為多出幾奈米的材料就可能封住間隙或改變關鍵尺寸。
這如何改變先進製程節點的量產良率
良率是晶圓上完成圖案化的所有晶粒中，最終成為良品的比例。在 7 奈米及以下製程中，現代系統單晶片可能包含數百億個電晶體，並需要數百道製程。隨機缺陷很快就會累積。如果調整光阻能在多個層次中消除常見的殘留來源，效果就會在整個製程流程中層層放大。最終良率可能因此提高數個百分點；以晶圓代工的經濟效益來看，這代表每顆良品晶粒的成本大幅降低。
光阻的特性不只影響曝光與顯影。蝕刻選擇比、電漿損傷與濕式清洗，都取決於聚合物網絡如何形成及分解。研究團隊表示，能在微影製程中減少殘留物的同一套界面控制方法，也能減少缺陷延續至蝕刻與清洗製程。這有助於穩定關鍵尺寸與線路粗糙度，進而改善元件變異性與效能。
減少返工次數，提高每片晶圓的良品數
晶圓代工廠經常讓晶圓重新進入清洗或修復流程，以挽救良率。每多一次循環，都會增加時間、成本與風險。若殘留物減少 99%，額外製程的需求也會降低，有助於釋出設備產能、縮短週期時間並減少化學品用量。對客戶而言，潛在缺陷減少，代表晶片在初期老化測試與實際使用時更可靠。對晶片設計者而言，線寬與接點的分布更集中，則能讓時序與功耗更容易預測。
這項研究在中國晶片策略中的定位
材料與微影是中國降低對外國供應商依賴的核心領域，光阻則是明顯的弱項。中國本土供應商已在 KrF 與 ArF 設備使用的中階產品上有所進展，但高階產品仍由日本、美國與南韓企業主導。業界估計，2024 年中國光阻市場規模約為 114 億元人民幣，預計 2025 年將持續成長。去年全球光阻需求的估值接近 27 億美元，預計到 2031 年可能達到 45 億美元，反映出層數增加與設計規則日益緊縮。
中國政策制定者已在國家積體電路產業投資基金最新一輪募資中，將材料列為目標。分析師指出，第三期基金對化學品、光阻及相關製程的投資超過 500 億元人民幣，並同時投入設備與工具。推動這項工作的措施之一，是訂定共同規範。中國國家標準化管理委員會已發布極紫外光光阻的國家測試規範。共同的測試方法有助於大學與企業比較結果、認證供應商，並為試量產做準備。
大學與企業推動新材料
中國的大學與新創公司也在為極紫外光時代研發新化學材料。清華大學團隊於 7 月發表一種聚碲氧烷光阻，將碲原子導入聚合物主鏈，以提升其對 13.5 奈米光線的吸收能力。碲氧鍵在曝光時較容易斷裂，可提高感光度，同時維持較低的分子量以改善解析度。如果這種材料能擴大生產，或可為極紫外光圖案化提供本土方案，在感光度、線路粗糙度與逸氣之間取得更好的平衡。
企業方面，思瑞浦旗下材料部門展示了一種金屬簇光阻。專利資料稱，這種光阻以氧化錫簇為基礎，宣稱可形成 3 至 50 奈米的圖案。這些說法仍須在晶圓代工產線上獲得獨立驗證，但也反映出更廣泛的趨勢。中國企業正加入光阻競賽，設備製造商則擴大本土微影選項。上海微電子裝備的一家新分拆公司展示了用於化合物半導體的步進式曝光機、雷射退火系統與檢測設備。中國仍無法取得 ASML 的先進極紫外光曝光機，但整體產業生態正致力於補足材料、量測技術與設計軟體等領域的缺口。
這項突破是什麼，又不是什麼
北京大學的研究成果針對一個非常具體的痛點：顯影與沖洗期間，光阻聚合物在液膜中及其與空氣接觸界面上的行為。團隊直接觀察這些結構，並改變它們的形成方式，提出一種減少常見污染來源的方法。這項成果具有價值，因為它能縮短製程調校時間、減少反覆試驗；晶圓廠導入新製程節點時，這兩者長期以來都是造成延誤的主要因素。
但這並不能取代製造最微小尺寸所需的尖端曝光機、光罩與光阻。極紫外光微影面臨的挑戰不只限於殘留物。光源亮度有限，散粒雜訊會造成線緣隨機變異，光阻也必須在感光度、線路粗糙度與圖案塌陷之間取得平衡。光罩需要能承受高能量光線的薄膜，而污染控制要求也十分嚴格。界面控制會有所幫助，但中國晶圓廠仍受限於可購買與自行製造的設備。
相關說法也需要更廣泛的驗證。在單一環境中測得殘留物減少 99%，不一定適用於所有光阻或每個製程層次。不同的圖案密度、顯影液、沖洗方式與蝕刻化學材料彼此作用，情況十分複雜。下一步是在多家晶圓廠及不同製程中重複驗證，並提供元件層級數據，證明殘留物減少確實能提高最終良率與可靠性。
研究與產業的下一步
幾個重要里程碑將顯示這項進展是否能在實際生產中帶來改變。第一，獨立晶圓廠與材料供應商可在常見的 ArF 浸潤式與極紫外光乾式製程堆疊上測試這套流程，並公布製程窗口。第二，晶圓代工廠可說明採用此方法後，返工量減少多少，以及關鍵層的線緣粗糙度與關鍵尺寸變異性改善幅度。第三，設備與化學品供應商可提出設備設定與配方，將界面控制納入可直接導入的整套製程方案，讓客戶不必大幅調整就能採用。
中國的政策訊號顯示，光阻材料仍將持續獲得投資。極紫外光光阻的國家測試標準應有助於比較效能並認證批次。包括清華大學碲基聚合物研究在內的大學計畫，則持續培育相關人才。企業開始在公開場合展示各種曝光機、檢測系統與新型光阻，顯示未來可能會有更多試產計畫。在中國以外，美國、歐洲、日本與南韓也透過政府支持的計畫，投入數十億美元進行晶片研究。各地區都試圖掌握更多材料供應鏈環節，光阻科學領域的競爭可能因此更加激烈。
重點
- 北京大學與合作夥伴運用冷凍電子斷層掃描術，觀察液膜及界面上的光阻分子，並設計出一套製程；團隊表示，這套製程可使 12 吋晶圓上的聚合物殘留最多減少 99%。
- 研究成果於 2025 年 9 月 30 日刊登在《Nature Communications》，目標是減少 7 奈米及更先進製程節點的良率損失；微量殘留物在這些節點就可能使晶粒報廢。
- 中國仍仰賴進口高階光阻，並因出口管制而無法取得 ASML 的先進極紫外光曝光機。
- 中國已透過資金與標準支持材料發展，包括制定新的極紫外光光阻國家測試規範。
- 清華大學發表碲基極紫外光光阻，中國企業也展示了金屬簇光阻與本土微影設備，但許多相關說法仍待獨立驗證。
- 這項突破有助於了解並控制光阻界面行為，但無法取代先進曝光機、光罩與下一代光阻。
