国产光刻胶重大突破：攻克5nm芯片制造核心难题

2025-10-28

电子发烧友网综合报道，近日，我国半导体材料领域迎来重大进展。北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队及合作者借助冷冻电子断层扫描技术，首次在原位状态下解析了光刻胶分子在液相环境中的微观三维结构、界面分布与缠结行为，成功研发出能显著减少光刻缺陷的产业化方案。相关研究成果已发表在国际顶级期刊《自然 · 通讯》上，这标志着我国在光刻胶关键材料领域取得了实质性突破。

此次成果对国产芯片制造具有里程碑意义。团队利用冷冻电子断层扫描（cryo - ET）技术，首次在液相原位捕获了光刻胶分子网络的三维纳米级构象。这意味着长期困扰先进芯片制造的显影缺陷问题，有了高度可行的优化途径。

全球光刻胶产业格局

光刻胶是光刻“三剑客”之一（另外两个是光刻机、光掩膜），是光刻环节的关键耗材，直接关系到芯片的质量和良品率。全球光刻胶产业呈现出高度集中的市场格局，日本企业占据主导地位，尤其在高端半导体领域形成了寡头垄断。

从全球市场规模来看，统计数据显示，2024年全球光刻胶市场规模约为49.6亿美元，预计到2030年将达到67亿美元，2025年至2030年的复合年增长率（CAGR）为5.24%。目前，国际大厂如日本JSR、TOK、住友化学、信越化学、富士胶片及美国陶氏化学等控制着超过90%的市场份额。其中，日本厂商占比最高，TOK、JSR、信越化学、富士胶片等日本企业合计占据全球光刻胶市场75%以上的份额，在高端光刻胶领域更是占据96.7%的全球供应份额。

光刻胶市场高度集中的核心原因在于其材料的特殊性。光刻胶的配方研发需要通过对数百种乃至数千种树脂、光酸和添加剂进行排列组合试验来完成，涉及多种化学成分的精确配比，无法通过现有产品反推配方，需要投入充足的研发资源并积累丰富的经验。其中，主体树脂的结构设计要满足特定波长下的透明度要求、与基片的良好粘附力、高抗干法腐蚀性等关键性能。

从价值方面看，光刻胶虽然仅占芯片材料成本的5%，但其性能直接影响芯片良率。1%的良率波动可能导致数千万美元的损失，因此厂商对光刻胶价格的敏感度较低，更关注其稳定性和分辨率。

国产光刻胶重磅突破

光刻胶是芯片制造过程中的“关键颜料”，直接影响电路图案的精确转移和芯片良率。长期以来，光刻胶在显影液中的微观行为一直是个“黑匣子”，工业界只能依靠反复试错来优化工艺，这成为制约7纳米及以下先进制程良率提升的关键瓶颈。

当工艺推进到5nm节点时，挑战更为严峻。如果把5nm工艺比作“在头发丝断面刻出一座紫禁城”，光刻胶就是决定图案能否“纤毫毕现”的“纳米宣纸”。过去三年，国产ArF光刻胶一直面临三大性能“天花板”：

分子级缺陷：传统表征只能观测“成品”图案，无法追溯液相曝光瞬间的分子缠结状态，导致随机桥接、线边缘粗糙度（LER）超标，良率提升效果不佳；

界面散射：当线宽≤20nm时，光刻胶 - 衬底界面1nm级的起伏就会引发光学散射，造成临界尺寸（CD）漂移，同时缩短EUV二次电子逃逸距离，频繁引发图形塌陷问题；

刻蚀选择性：国产胶对金属硬掩模的刻蚀比长期处于低位，难以承受双大马士革刻蚀工艺的冲击，使得金属线短路成为“头号杀手”。

这些性能瓶颈最终会在良率上体现出来，导致先进制程下国产芯片成本高昂。彭海琳教授团队在研究中，实际观察到光刻胶聚合物间存在显著的“缠结”行为，容易形成“团聚颗粒”。这些颗粒在工业显影过程中会重新沉积到精密电路图案上，造成“桥连”等致命缺陷。团队首次在真实空间中直接观测到光刻胶分子的“凝聚缠结”现象——分子并非紧密交织，而是通过较弱的分子作用力松散连接，呈现局部平行排列状态。正是这些吸附于界面并发生缠结的分子，容易形成平均约30纳米、部分超40纳米的团聚颗粒，在显影环节重新沉积到精密电路上，造成致命缺陷。

“实验结果令人振奋：12英寸晶圆表面由光刻胶残留引发的图案缺陷被成功消除，缺陷数量骤降超99%，且方案具备极高的可靠性和重复性。”研究团队核心成员王宏伟表示。这一突破不仅解决了光刻胶显影过程中的核心缺陷问题，更为5纳米及以下先进制程芯片制造提供了关键技术支撑。

彭海琳教授团队的研究成果，关键在于攻克了传统5nm制造中“无法原位、三维、高分辨率观测光刻胶分子行为”的关键瓶颈。团队通过冷冻电子断层扫描技术，首次在真实三维空间直接捕捉到光刻胶聚合物的“缠结”行为，实现了光刻胶分子在液相环境中原位状态的三维解析，揭示了缺陷产生的根本原因；基于对分子缠结行为的精准认知，团队开发出新型分子调控方案，通过优化聚合物链长度与交联密度，显著降低异常缠结概率，最终实现12英寸晶圆光刻胶残留缺陷消除超99%。