Penyelidik China Petakan Molekul Photoresist, Dakwa Kecacatan Cip Lanjutan Berkurang 99 Peratus

Mengapa penemuan baharu tentang photoresist ini penting

Para penyelidik China berkata mereka telah memerhatikan secara langsung bagaimana molekul photoresist berkelakuan dalam filem cecair yang digunakan semasa litografi cip, kemudian menggunakan penemuan itu untuk menghasilkan penyelesaian yang sedia digunakan di kilang dan mengurangkan kecacatan dengan ketara. Kajian itu, yang diketuai pasukan dari Universiti Peking bersama rakan industri, diterbitkan dalam Nature Communications pada 30 September 2025. Pasukan itu melaporkan bahawa protokol mereka mengurangkan sisa polimer pada wafer 12 inci sehingga 99 peratus dalam keadaan fabrikasi sebenar, satu perubahan yang berpotensi meningkatkan hasil pengeluaran bagi nod proses 7 nm dan lebih kecil.

Photoresist ialah salutan peka cahaya yang membentuk corak transistor dan pendawaian pada wafer silikon. Semasa fotolitografi, pengimbas memancarkan imej litar ke dalam photoresist. Bahagian yang terdedah berubah keterlarutannya, kemudian proses pembangunan dan pembersihan menyingkap corak tersebut. Sisa atau lapisan nipis yang tertinggal boleh menyebabkan litar pintas, memutuskan sambungan, dan mencetuskan kegagalan pada peringkat seterusnya. Pada nod termaju yang mempunyai garisan sempit dan jarak rapat, sekumpulan kecil molekul di tempat yang salah pun boleh menyebabkan cip gagal.

China sangat bergantung pada photoresist import, khususnya produk gred tinggi. Kebergantungan itu antara sebab kilang fabrikasi domestik sukar meningkatkan hasil pengeluaran pada nod paling termaju. Sejak 2019, pengimbas ultraungu ekstrem terkemuka daripada ASML tidak dapat dipasarkan ke China. Oleh itu, pengeluar cip domestik menggunakan beberapa pusingan pemetaan corak ultraungu dalam untuk mencapai ciri bersaiz kelas 7 nm. Kaedah itu meningkatkan peranan photoresist kerana wafer melalui lebih banyak pendedahan, proses pembangunan dan pembersihan basah merentasi puluhan langkah. Sebarang pengurangan kecacatan rawak bermakna lebih banyak cip berfungsi dapat dihasilkan daripada setiap wafer.

Apakah yang sebenarnya dilakukan oleh para penyelidik

Pasukan Universiti Peking menggunakan tomografi elektron krio untuk mengkaji filem photoresist ketika polimernya masih berada dalam persekitaran cecair asal. Kaedah pengimejan itu membekukan sampel nipis dengan sangat pantas, mengunci molekul di tempatnya, kemudian menggunakan mikroskop elektron transmisi untuk merakam beberapa imej dari sudut condong. Perisian membina semula peta tiga dimensi dengan resolusi skala nanometer. Melalui pendekatan ini, para penyelidik dapat melihat susunan dan jalinan polimer photoresist dalam sebahagian besar filem serta pada antara muka gas-cecair semasa proses pembangunan dan pembilasan.

Imej tersebut, digabungkan dengan eksperimen proses, menunjukkan satu punca sisa yang sebelum ini tersembunyi. Rantai panjang boleh berbelit di bahagian atas filem berhampiran antara muka, kemudian terperangkap dalam lekuk corak semasa pembilasan dan pengeringan. Berdasarkan peta itu, pasukan berkenaan merangka protokol untuk menghalang jalinan polimer pada antara muka. Mereka melaporkan bahawa perubahan itu menghapuskan hampir semua kecacatan berkaitan sisa dalam persekitaran industri pada wafer 12 inci.

Daripada biologi kepada pembuatan cip, apakah itu tomografi elektron krio

Tomografi elektron krio, yang sering disingkatkan sebagai krio-ET, mula dibangunkan dalam biologi struktur untuk mengimej protein dan sel dalam bentuk asalnya. Sampel divitrifikasi, iaitu air dan pelarut dibekukan menjadi keadaan seperti kaca tanpa membentuk hablur yang boleh merosakkan struktur. Siri imej elektron dari sudut condong kemudian dibina semula menjadi isipadu tiga dimensi. Kelebihan utamanya ialah molekul dikekalkan di tempatnya dan tidak dikeringkan atau diwarnakan, yang boleh menggerakkan atau merosakkan struktur rapuh. Penggunaan krio-ET pada bahan semikonduktor membolehkan penyelidik memerhatikan polimer yang biasanya bergerak dan tersusun semula dalam larutan, sekali gus menangkap proses pembentukan rangkaian yang menyebabkan kecacatan.

Mengapa jalinan polimer menyebabkan kecacatan

Semasa proses pembangunan, bahagian photoresist yang terdedah larut, manakala bahagian yang tidak terdedah kekal untuk melindungi filem di bawahnya. Rantai yang berjalin merentasi kedua-dua bahagian boleh meninggalkan lapisan nipis selepas proses pembangunan, iaitu kecacatan yang sering disebut sebagai scumming. Dalam parit dan lubang sentuh, gumpalan polimer boleh tersangkut dan tidak tertanggal semasa pembilasan, lalu meninggalkan sisa yang kemudian mengganggu proses punaran atau pemendapan logam. Kecacatan ini lazimnya menjejaskan hasil pengeluaran. Ia meningkatkan kekasaran tepi garisan, menyebabkan jambatan mikro antara garisan, dan memerlukan kerja semula. Jika terlalu banyak ciri terjejas, wafer akan dibuang. Semakin kecil geometri, semakin serius masalahnya kerana lebihan bahan setebal beberapa nanometer boleh menutup ruang atau mengubah dimensi kritikal.

Bagaimana penemuan ini boleh mengubah hasil pengeluaran pada nod termaju

Hasil pengeluaran ialah bahagian cip yang berfungsi dan sampai ke penghujung proses fabrikasi berbanding jumlah keseluruhan cip yang dibentuk pada wafer. Pada 7 nm dan ke bawah, satu sistem pada cip moden mungkin mengandungi puluhan bilion transistor dan memerlukan ratusan langkah proses. Kecacatan rawak boleh terkumpul dengan pantas. Jika pelarasan photoresist menghapuskan punca lazim sisa pada beberapa lapisan, kesannya berganda sepanjang proses fabrikasi. Ini boleh meningkatkan hasil akhir beberapa mata peratusan, iaitu peningkatan besar dari segi kos bagi setiap cip berfungsi dalam ekonomi faundri.

Kelakuan photoresist mempengaruhi lebih daripada proses pendedahan dan pembangunan. Pemilihan punaran, kerosakan plasma dan pembersihan basah semuanya bergantung pada cara rangkaian polimer terbentuk dan terurai. Pasukan penyelidik berkata kawalan antara muka yang sama, yang mengurangkan sisa dalam litografi, turut mengurangkan pemindahan kecacatan ke proses punaran dan pembersihan. Ini dapat membantu menstabilkan dimensi kritikal dan kekasaran garisan, sekali gus meningkatkan kebolehubahan dan prestasi peranti.

Kurang kitaran kerja semula, lebih banyak cip berfungsi bagi setiap wafer

Faundri sering mengulangi proses pembersihan atau menggunakan teknik pembaikan untuk menyelamatkan hasil pengeluaran wafer. Setiap kitaran menambah masa, kos dan risiko. Jika sisa berkurang 99 peratus, keperluan untuk langkah tambahan turut menurun. Ini membebaskan kapasiti peralatan, memendekkan masa kitaran dan mengurangkan penggunaan bahan kimia. Bagi pelanggan, kurang kecacatan tersembunyi bermakna kebolehpercayaan yang lebih baik semasa ujian ketahanan dan penggunaan sebenar. Bagi pereka cip, taburan lebar garisan dan sentuhan yang lebih sekata memberikan ramalan pemasaan dan penggunaan kuasa yang lebih tepat.

Kedudukan penemuan ini dalam strategi cip China

Bahan dan litografi menjadi tumpuan usaha China untuk mengurangkan kebergantungan pada pembekal asing. Photoresist merupakan kelemahan yang ketara. Pengeluar domestik telah mencapai kemajuan dalam produk kelas pertengahan untuk peralatan KrF dan ArF, tetapi produk gred tinggi masih dikuasai syarikat di Jepun, Amerika Syarikat dan Korea Selatan. Anggaran industri meletakkan nilai pasaran photoresist China pada kira-kira 11.4 bilion yuan pada 2024, dengan pertumbuhan berterusan dijangka pada 2025. Permintaan global bagi photoresist bernilai hampir 2.7 bilion dolar tahun lalu dan boleh mencecah 4.5 bilion dolar menjelang 2031, sejajar dengan peningkatan jumlah lapisan dan peraturan reka bentuk yang semakin ketat.

Pembuat dasar menyasarkan bahan dalam pusingan pembiayaan terkini Dana Pelaburan Industri Litar Bersepadu Nasional. Penganalisis melaporkan bahawa Fasa Tiga memperuntukkan lebih 50 bilion yuan untuk bahan kimia, photoresist dan proses berkaitan, selain pelaburan dalam peralatan dan kelengkapan. Penetapan peraturan bersama merupakan sebahagian daripada usaha itu. Pentadbiran Standardisasi China telah mengeluarkan spesifikasi ujian kebangsaan untuk photoresist ultraungu ekstrem. Kaedah ujian yang seragam membantu universiti dan syarikat membandingkan keputusan, melayakkan pembekal dan membuat persediaan untuk pembuatan rintis.

Universiti dan syarikat membangunkan bahan baharu

Universiti dan syarikat pemula China turut meneroka bahan kimia baharu untuk era ultraungu ekstrem. Pasukan Universiti Tsinghua melaporkan photoresist politeluroksana pada Julai, yang memasukkan atom telurium ke dalam rangka utama polimer bagi meningkatkan penyerapan pada 13.5 nm. Ikatan Te-O lebih mudah terurai apabila terdedah, yang boleh meningkatkan kepekaan sambil mengekalkan berat molekul rendah untuk memperbaik resolusi. Jika bahan itu dapat dihasilkan secara besar-besaran, ia boleh menawarkan laluan domestik kepada pemetaan corak ultraungu ekstrem dengan keseimbangan yang lebih baik antara kepekaan, kekasaran garisan dan pelepasan gas.

Dari segi korporat, cabang bahan SiCarrier memperkenalkan photoresist gugusan logam yang menurut paten berasaskan gugusan timah oksida, dengan dakwaan boleh menghasilkan corak berukuran 3 nm hingga 50 nm. Dakwaan itu memerlukan pengesahan bebas di barisan faundri, namun menunjukkan trend yang lebih luas. Syarikat China semakin menyertai persaingan photoresist ketika pengeluar peralatan memperluas pilihan litografi domestik. Sebuah syarikat terbitan baharu daripada Shanghai Micro Electronics Equipment mempamerkan pengimbas langkah untuk semikonduktor kompaun, sistem penyepuhlindapan laser dan peralatan pemeriksaan. China masih tidak mempunyai akses kepada pengimbas ultraungu ekstrem termaju daripada ASML, namun ekosistemnya sedang berusaha mengisi kekurangan dalam bahan, metrologi dan perisian reka bentuk.

Apakah makna penemuan ini dan apakah yang bukan

Hasil kajian Universiti Peking itu menangani masalah yang sangat khusus, iaitu kelakuan polimer photoresist dalam filem cecair dan pada antara muka dengan udara semasa pembangunan dan pembilasan. Dengan mengimej struktur tersebut secara langsung dan mengubah cara ia terbentuk, pasukan itu mencadangkan kaedah untuk mengurangkan punca pencemaran yang lazim. Ini bernilai kerana ia memendekkan pelarasan proses dan mengurangkan percubaan berulang, dua punca kelewatan yang sering berlaku apabila kilang fabrikasi memulakan pengeluaran pada nod baharu.

Penemuan ini bukan pengganti kepada pengimbas, topeng dan photoresist tercanggih yang diperlukan untuk menghasilkan geometri paling kecil. Litografi ultraungu ekstrem membawa cabaran yang melangkaui masalah sisa. Sumber cahaya mempunyai kecerahan terhad, hingar tembakan menyebabkan variasi rawak pada tepi garisan, dan photoresist perlu mengimbangi kepekaan dengan kekasaran garisan serta keruntuhan corak. Topeng memerlukan membran pelindung yang mampu menahan cahaya berenergi tinggi, manakala kawalan pencemaran amat mencabar. Kawalan antara muka akan membantu, namun keupayaan kilang China tetap dibatasi oleh peralatan yang boleh dibeli dan dihasilkan.

Dakwaan itu juga perlu disahkan secara meluas. Pengurangan 99 peratus yang diukur dalam satu persekitaran mungkin tidak terpakai kepada semua photoresist atau setiap lapisan. Ketumpatan corak, bahan pembangun, pembilasan dan kimia punaran yang berbeza berinteraksi secara kompleks. Langkah seterusnya ialah mengulangi kajian di beberapa kilang dan proses, dengan data peringkat peranti yang mengaitkan pengurangan sisa dengan peningkatan hasil akhir dan kebolehpercayaan.

Langkah seterusnya untuk penyelidikan dan industri

Beberapa pencapaian penting akan menunjukkan sama ada kemajuan ini mengubah pengeluaran secara praktikal. Pertama, faundri dan pembekal bahan bebas boleh menguji protokol itu pada susunan ArF rendaman dan ultraungu ekstrem kering yang lazim, kemudian menerbitkan julat proses. Kedua, faundri boleh melaporkan sejauh mana kerja semula berkurang serta perubahan pada kekasaran tepi garisan dan kebolehubahan dimensi kritikal apabila kaedah itu digunakan pada lapisan penting. Ketiga, pembekal peralatan dan bahan kimia boleh mencadangkan tetapan peralatan serta formulasi yang memasukkan kawalan antara muka ke dalam resipi siap guna yang boleh diterapkan pelanggan tanpa perubahan besar.

Petunjuk dasar di China menunjukkan pelaburan berterusan dalam bahan photoresist. Standard ujian kebangsaan untuk photoresist ultraungu ekstrem sepatutnya memudahkan perbandingan prestasi dan kelayakan kelompok produk. Program universiti, termasuk kajian Universiti Tsinghua tentang polimer berasaskan telurium, memastikan saluran bakat terus aktif. Syarikat mula mempamerkan gabungan pengimbas, sistem pemeriksaan dan photoresist baharu dalam acara umum, petanda lebih banyak projek rintis bakal dijalankan. Di luar China, program yang disokong kerajaan di Amerika Syarikat, Eropah, Jepun dan Korea Selatan memperuntukkan berbilion-bilion untuk penyelidikan cip. Persaingan dalam sains photoresist berkemungkinan semakin sengit apabila setiap rantau berusaha menguasai lebih banyak komponen dalam rangkaian bahan.

Perkara Utama

• Universiti Peking dan rakan-rakannya menggunakan tomografi elektron krio untuk mengimej molekul photoresist dalam filem cecair dan pada antara muka, kemudian merangka proses yang menurut pasukan itu mengurangkan sisa polimer sehingga 99 peratus pada wafer 12 inci.
• Kajian itu diterbitkan dalam Nature Communications pada 30 September 2025 dan menyasarkan kehilangan hasil pengeluaran pada nod 7 nm dan lebih kecil, yang boleh menyebabkan cip gagal akibat sisa yang amat kecil.
• China masih bergantung pada photoresist import gred tinggi dan tidak mempunyai akses kepada pengimbas ultraungu ekstrem termaju daripada ASML akibat kawalan eksport.
• China telah mengambil langkah menyokong bahan melalui pembiayaan dan piawaian, termasuk spesifikasi ujian kebangsaan baharu untuk photoresist ultraungu ekstrem.
• Universiti Tsinghua melaporkan photoresist ultraungu ekstrem berasaskan telurium, manakala syarikat China memperkenalkan photoresist gugusan logam dan peralatan litografi domestik, meskipun banyak dakwaan masih menunggu pengesahan bebas.
• Penemuan ini meningkatkan pemahaman dan kawalan terhadap kelakuan antara muka photoresist, tetapi tidak menghapuskan keperluan untuk pengimbas termaju, topeng dan photoresist generasi seterusnya.