Литография — важнейший этап производства микросхем, когда заранее разработанные схемы «печатаются» на кремниевой пластине с помощью светочувствительного фоторезиста. На пластину наносят жидкий фоторезист, через маску проектируют ультрафиолетовый свет, а затем проявляют рисунок. На этапе проявки растворенные молекулы фоторезиста могут спутываться и повторно оседать на пластине, создавая критические дефекты, такие как мостики между линиями схем. Это снижает выход годных микросхем. На одной 12-дюймовой пластине количество таких дефектов может превышать 6600, что недопустимо для массового производства.

Процесс литографии оставался для производителей «черным ящиком», и они вынуждены были оптимизировать его методом проб и ошибок, что требовало много времени и средств. С уменьшением размеров технологических узлов до 5 нм даже частицы фоторезиста размером 30 нм могут создавать дефекты и приводить к убыткам в десятки миллионов долларов.

Чтобы решить эту проблему, группа применила крио-переход в исследованиях полупроводников. Это позволило зафиксировать поведение молекул фоторезиста на стадии проявки и понять, как образуются дефекты.

После стандартной литографии исследователи мгновенно заморозили тонкий слой фоторезиста до −175 °C, фактически «зафиксировав» молекулярные структуры во времени. С помощью трехмерной реконструкции они смогли напрямую наблюдать поведение молекул фоторезиста. Ученые впервые зафиксировали, как цепи запутываются через слабые гидрофобные взаимодействия, образуя частицы размером 30-40 нм. При этом около 70% полимеров адсорбировались на границе воздух-жидкость, не растворяясь в проявителе. При промывке эти частицы повторно осаждались на пластине. Это было основной причиной критических дефектов рисунка схемы.

На основе наблюдений группа разработала двойной подход, совместимый с существующими производственными линиями. Сначала они немного повысили температуру спекания после экспозиции, чтобы уменьшить запутывание полимеров и снизить образование крупных агрегатов. Затем процесс проявки был оптимизирован так, чтобы улавливать полимеры на границе воздух-жидкость и полностью смывать их потоком жидкости, предотвращая повторное осаждение на пластине.

Испытания подтвердили высокую эффективность метода: количество дефектов на 12-дюймовых пластинах сократилось более чем на 99%.

Решение продемонстрировало стабильность и повторяемость, что важно для массового производства. При этом технология применима не только на этапе литографии, но и в процессах травления, влажной очистки и других критически важных операциях.

Мировой рынок фоторезистов в 2024 году достиг $6,3 млрд и, как ожидается, к 2030 году вырастет до $10 млрд при среднем ежегодном росте около 6,7%. Хотя фоторезист составляет лишь около 5% стоимости материалов для чипов, его качество напрямую влияет на выход годных микросхем. Новый метод может позволить Китаю войти на рынок высококачественных фоторезистов и конкурировать с ведущими производителями из Японии, США и Южной Кореи.