中國研究人員發現低溫技術可減少99%芯片缺陷

中國研究人員運用低溫電子斷層掃描技術"凍結"芯片制造過程中的化學反應，將光刻缺陷減少99%。

中國研究人員研發的新型"尖端工具"能精確定位芯片生產過程中的制造缺陷根源。研究團隊稱，這項新技術可減少最多99%的誤差，標志著國產半導體生產技術取得重大突破。目前計算機芯片制造中最精密的環節是光刻，該工藝本質上是通過光照在硅片上"印制"極其微小的電路圖案。

這一過程可類比為沖洗顯微照片：光刻設備先在硅片上覆蓋光刻膠（一種光敏液體），隨后讓紫外線穿過作為電路"藍圖"的圖案掩模版，最后光刻機通過化學方式顯影光刻膠，使部分區域溶解、部分區域保留。

保留區域將作為后續工藝（如金屬或硅蝕刻）的保護層。盡管這套工藝成熟高效，但長期來看仍存在嚴重問題。例如在顯影階段，光刻膠并不總是穩定反應，部分溶解材料會聚集成微米級顆粒重新附著在晶圓表面。

這些顆粒會導致橋接、斷裂或邊緣粗糙等缺陷，最終使芯片報廢。在5納米或更小節點（當前尖端芯片制程），僅30納米大小的顆粒（約發絲直徑的三千分之一）就足以損壞電路。由此造成的經濟損失可能極為驚人。此前制造商無法直接觀察顯影液內部的實時反應，整個過程如同黑箱。

為此，由北京大學、清華大學和香港大學彭海林教授帶領的研究團隊，采用通常用于生物細胞精細研究的低溫電子斷層掃描技術，將化學反應過程瞬時凍結并進行三維觀測。研究團隊在晶圓曝光顯影后，將顯影液急速冷凍至零下175攝氏度，使所有反應瞬間停滯，隨后通過電子斷層掃描獲取多角度圖像，重構出分子級別的三維視圖。

這使得他們能直觀觀測光刻膠聚合物在顯影過程中的真實行為。通過這種處理方法，團隊首次成功捕捉到故障成因 —— 例如發現光刻膠分子會通過疏水作用力像意大利面般糾纏纏繞，形成30-40納米的顆粒。

研究還顯示約70%的分子未能正常溶解，而是滯留于氣液界面。當晶圓進行沖洗時，這些團簇會重新沉積至表面形成缺陷。基于這些發現，團隊提出兩個簡單高效且與現有芯片制造工藝兼容的解決方案：建議適當提高曝光后的烘烤溫度以減少聚合物糾纏，實施后發現團簇形成數量大幅減少；同時改進顯影沖洗流程，在聚合物重新附著前通過調整流體將其清除。

經測試，12英寸（30.5厘米）晶圓的缺陷數量下降超99%，基本實現近乎完美的光刻質量。通過冷凍可視化技術，研究團隊將長期依賴推測的無解難題，轉化為可觀測、可理解、可控制的工藝流程。

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