Chinesische Forscher kartieren Photoresist-Moleküle und melden 99 Prozent weniger Defekte bei modernen Chips

Warum diese neue Erkenntnis über Photoresist wichtig ist

Chinesische Forscher geben an, direkt beobachtet zu haben, wie sich Photoresist-Moleküle in den Flüssigkeitsfilmen verhalten, die bei der Lithografie von Chips verwendet werden. Aus dieser Erkenntnis entwickelten sie eine produktionsreife Lösung, die Defekte drastisch reduziert. Die Arbeit eines Teams der Peking-Universität mit Industriepartnern wurde am 30. September 2025 in Nature Communications veröffentlicht. Dem Team zufolge verringerte das Verfahren unter realen Fertigungsbedingungen Polymerückstände auf 12-Zoll-Wafern um bis zu 99 Prozent. Das könnte die Ausbeute bei Prozessknoten von 7 nm und darunter steigern.

Photoresist ist eine lichtempfindliche Beschichtung, mit der die Muster von Transistoren und Leiterbahnen auf einem Siliziumwafer festgelegt werden. Bei der Photolithografie projiziert ein Scanner ein Schaltkreismuster auf den Lack. Die belichteten Bereiche verändern ihre Löslichkeit; anschließend wird das Muster durch Entwicklung und Reinigung sichtbar. Winzige Rückstände oder Lackreste können Leitungen kurzschließen, Kontakte unterbrechen und in späteren Prozessschritten zu Ausfällen führen. Bei fortgeschrittenen Prozessknoten mit schmalen Leitungen und geringen Abständen kann schon eine kleine Ansammlung von Molekülen an der falschen Stelle einen Chip unbrauchbar machen.

China ist stark auf importierte Photoresists angewiesen, insbesondere im Hochleistungsbereich. Diese Abhängigkeit ist ein Grund dafür, dass heimische Chipfabriken bei der Steigerung der Ausbeute an den modernsten Prozessknoten Schwierigkeiten haben. Seit 2019 sind China ASMLs führende Scanner für die Extrem-Ultraviolett-Lithografie (EUV) verwehrt. Deshalb haben heimische Chiphersteller mehrere Belichtungsdurchgänge mit tiefem Ultraviolettlicht eingesetzt, um Strukturen der 7-nm-Klasse zu erreichen. Dabei spielt der Photoresist eine noch größere Rolle, weil der Wafer in Dutzenden Prozessschritten häufiger belichtet, entwickelt und nass gereinigt wird. Jede Verringerung zufälliger Defekte bedeutet mehr funktionierende Chips pro Wafer.

Was genau haben die Forscher getan?

Das Team der Peking-Universität untersuchte Photoresistfilme mithilfe der Kryo-Elektronentomografie, solange sich die Polymere noch in ihrer ursprünglichen flüssigen Umgebung befanden. Bei dieser Bildgebungsmethode wird eine dünne Probe extrem schnell eingefroren, sodass die Moleküle an Ort und Stelle bleiben. Anschließend nimmt ein Transmissionselektronenmikroskop eine Reihe geneigter Aufnahmen auf. Eine Software rekonstruiert daraus eine dreidimensionale Karte mit Nanometerauflösung. So konnten die Forscher sichtbar machen, wie sich die Resistpolymere im Inneren des Films und an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche während der Entwicklung und des Spülens anordnen und miteinander verknäueln.

Zusammen mit Prozessversuchen wiesen die Bilder auf eine bislang verborgene Ursache für Rückstände hin. Lange Ketten können sich nahe der Grenzfläche an der Filmoberseite verknoten und beim Spülen und Trocknen in Vertiefungen des Musters festsetzen. Auf Grundlage der Karten entwickelte das Team ein Verfahren, das die Polymerverknäuelung an der Grenzfläche hemmt. Nach Angaben der Forscher beseitigte die Änderung in einer industriellen Umgebung auf 12-Zoll-Wafern nahezu alle durch Rückstände verursachten Defekte.

Von der Biologie zur Chipfertigung: Was ist Kryo-Elektronentomografie?

Die Kryo-Elektronentomografie, oft als Kryo-ET abgekürzt, stammt aus der Strukturbiologie. Dort wird sie eingesetzt, um Proteine und Zellen in ihrer natürlichen Form abzubilden. Die Probe wird vitrifiziert: Wasser und Lösungsmittel erstarren in einem glasähnlichen Zustand, ohne Kristalle zu bilden, die die Struktur beschädigen könnten. Aus einer Reihe von Elektronenbildern aus verschiedenen Neigungswinkeln wird anschließend ein dreidimensionales Volumen rekonstruiert. Der entscheidende Vorteil: Die Moleküle bleiben an Ort und Stelle, statt getrocknet oder angefärbt zu werden. Solche Verfahren könnten empfindliche Strukturen verschieben oder beschädigen. Mit der Kryo-ET lassen sich nun auch Halbleitermaterialien untersuchen. So können Forscher Polymere beobachten, die sich in Lösungen normalerweise bewegen und neu anordnen, und endlich dabei zusehen, wie sie die Netzwerke bilden, die Defekte verursachen.

Warum Polymerverknäuelungen Defekte verursachen

Während der Entwicklung lösen sich die belichteten Bereiche des Photoresists auf, während die unbelichteten Bereiche als Schutz für den darunterliegenden Film zurückbleiben. Verknäuelte Ketten, die beide Bereiche überbrücken, können nach der Entwicklung dünne Schleier hinterlassen. Dieser Defekt wird häufig als Verschleppung bezeichnet. In Gräben und Kontaktlöchern können sich Verknotungen festsetzen und dem Spülen widerstehen. Zurückbleibende Rückstände können später das Ätzen oder die Metallabscheidung beeinträchtigen. Solche Defekte mindern die Ausbeute erheblich: Sie erhöhen die Kantenrauheit von Leitungen, verursachen mikroskopische Brücken zwischen Leitungen und machen Nacharbeit nötig. Sind zu viele Strukturen betroffen, wird ein Wafer aussortiert. Je kleiner die Geometrien, desto schwerwiegender das Problem: Schon einige Nanometer zusätzliches Material können eine Lücke schließen oder ein kritisches Maß verändern.

Wie sich dadurch die Produktionsausbeute bei fortgeschrittenen Prozessknoten verändern könnte

Die Ausbeute bezeichnet den Anteil funktionsfähiger Chips, die am Ende der Fertigung aus den insgesamt auf einem Wafer strukturierten Dies hervorgehen. Bei 7 nm und darunter kann ein modernes System-on-a-Chip mehrere Dutzend Milliarden Transistoren enthalten und Hunderte Prozessschritte erfordern. Zufällige Defekte summieren sich schnell. Beseitigt eine Anpassung des Photoresists eine häufige Ursache für Rückstände auf mehreren Schichten, verstärkt sich der Effekt über den gesamten Prozessablauf. Die endgültige Ausbeute könnte dadurch um mehrere Prozentpunkte steigen. In der Auftragsfertigung wäre das eine deutliche Verbesserung der Kosten pro funktionsfähigem Chip.

Das Verhalten des Photoresists wirkt sich auf mehr als Belichtung und Entwicklung aus. Ätzselektivität, Plasmaschäden und Nassreinigungen hängen davon ab, wie sich das Polymernetzwerk bildet und wie es zerfällt. Dem Forschungsteam zufolge verringert dieselbe Kontrolle der Grenzfläche, die Rückstände bei der Lithografie reduziert, auch die Übertragung von Defekten in die Ätz- und Reinigungsschritte. Das würde dazu beitragen, kritische Maße und Leitungskantenrauheit zu stabilisieren und so die Schwankungen und die Leistung von Bauteilen zu verbessern.

Weniger Nacharbeit, mehr funktionsfähige Chips pro Wafer

Auftragsfertiger führen Wafer häufig erneut Reinigungs- oder Reparaturverfahren zu, um die Ausbeute zu retten. Jeder zusätzliche Durchlauf kostet Zeit und Geld und birgt Risiken. Sinkt die Zahl der Rückstände um 99 Prozent, werden weniger zusätzliche Prozessschritte benötigt. Das schafft Kapazität an den Anlagen, verkürzt die Durchlaufzeit und senkt den Chemikalienverbrauch. Für Kunden bedeuten weniger latente Defekte eine höhere Zuverlässigkeit bei Belastungstests und im Einsatz. Chipentwickler profitieren von einer engeren Streuung der Leitungsbreiten und Kontakte, was eine besser vorhersehbare Leistung und einen geringeren Energieverbrauch ermöglicht.

Welche Rolle die Arbeit in Chinas Chipstrategie spielt

Materialien und Lithografie stehen im Zentrum der chinesischen Bemühungen, die Abhängigkeit von ausländischen Anbietern zu verringern. Photoresist ist dabei eine klare Schwachstelle. Heimische Anbieter haben bei Produkten für KrF- und ArF-Anlagen im mittleren Leistungsbereich Fortschritte gemacht. Hochleistungsprodukte werden jedoch weiterhin von Unternehmen aus Japan, den USA und Südkorea dominiert. Branchenschätzungen beziffern den chinesischen Photoresist-Markt 2024 auf rund 11,4 Milliarden Yuan; für 2025 wird weiteres Wachstum erwartet. Die weltweite Nachfrage nach Photoresists wurde im vergangenen Jahr auf knapp 2,7 Milliarden US-Dollar geschätzt und könnte bis 2031 auf 4,5 Milliarden steigen. Grund dafür sind die zunehmende Zahl der Schichten und strengere Designregeln.

Die Politik hat Materialien in die jüngste Förderrunde des Nationalen Investitionsfonds für die integrierte Schaltkreisindustrie aufgenommen. Analysten zufolge umfasst die dritte Phase mehr als 50 Milliarden Yuan für Chemikalien, Photoresists und verwandte Verfahren sowie Investitionen in Anlagen und Ausrüstung. Auch gemeinsame Standards sind Teil dieser Bemühungen. Die chinesische Standardisierungsbehörde hat eine nationale Prüfspezifikation für EUV-Photoresists herausgegeben. Einheitliche Prüfverfahren erleichtern es Universitäten und Unternehmen, Ergebnisse zu vergleichen, Lieferanten zu qualifizieren und die Pilotfertigung vorzubereiten.

Universitäten und Unternehmen treiben neue Materialien voran

Auch chinesische Universitäten und Start-ups arbeiten an neuen chemischen Zusammensetzungen für das EUV-Zeitalter. Ein Team der Tsinghua-Universität stellte im Juli einen Polytelluroxan-Resist vor, bei dem Telluratome in das Polymerrückgrat eingebaut werden, um die Absorption bei 13,5 nm zu erhöhen. Die Te-O-Bindung lässt sich bei der Belichtung leichter spalten. Dadurch kann die Empfindlichkeit steigen, während ein geringes Molekulargewicht die Auflösung verbessert. Lässt sich das Material in größerem Maßstab herstellen, könnte es einen heimischen Weg zur EUV-Strukturierung eröffnen und die Kompromisse zwischen Empfindlichkeit, Leitungskantenrauheit und Ausgasung verbessern.

Auf Unternehmensseite stellte ein Materialbereich von SiCarrier einen Metallcluster-Resist vor, der Patentschriften zufolge auf Zinnoxid-Clustern beruht und Strukturierungen von 3 bis 50 nm ermöglichen soll. Diese Angaben müssen in einer Fertigungslinie unabhängig überprüft werden, verweisen aber auf einen breiteren Trend: Chinesische Unternehmen steigen in den Wettbewerb um Photoresists ein, während Anlagenhersteller die heimischen Lithografieoptionen ausbauen. Ein neues Spin-off von Shanghai Micro Electronics Equipment präsentierte Stepper für Verbindungshalbleiter, Laserausheilungssysteme und Inspektionsgeräte. China hat weiterhin keinen Zugang zu den fortgeschrittenen EUV-Scannern von ASML. Das Ökosystem arbeitet jedoch daran, Lücken bei Materialien, Messtechnik und Designsoftware zu schließen.

Was dieser Durchbruch ist und was nicht

Das Ergebnis der Peking-Universität betrifft einen ganz konkreten Problempunkt: das Verhalten von Resistpolymeren in Flüssigkeitsfilmen und an der Grenzfläche zur Luft während der Entwicklung und des Spülens. Indem das Team diese Strukturen direkt abbildete und ihre Entstehung veränderte, schlägt es eine Möglichkeit vor, eine häufige Kontaminationsquelle zu reduzieren. Das ist wertvoll, weil es die Prozessoptimierung verkürzt und weniger Versuch und Irrtum erfordert. Beides sind häufige Ursachen für Verzögerungen beim Hochfahren eines neuen Prozessknotens in einer Chipfabrik.

Die Arbeit ersetzt nicht die hochmodernen Scanner, Masken und Photoresists, die für die kleinsten Strukturen benötigt werden. Die EUV-Lithografie bringt Herausforderungen mit sich, die über Rückstände hinausgehen. Die Lichtquelle hat nur eine begrenzte Helligkeit, Schrotrauschen führt zu zufälligen Schwankungen der Leitungskanten, und beim Resist muss zwischen Empfindlichkeit, Kantenrauheit und dem Zusammenfallen der Strukturen abgewogen werden. Masken benötigen Schutzfolien, die hochenergetischem Licht standhalten, und die Kontrolle von Verunreinigungen ist anspruchsvoll. Eine bessere Kontrolle der Grenzfläche wird helfen, doch chinesische Chipfabriken bleiben durch die Anlagen beschränkt, die sie kaufen oder selbst bauen können.

Auch die Angaben müssen umfassend überprüft werden. Eine in einer Umgebung gemessene Reduzierung um 99 Prozent lässt sich womöglich nicht auf alle Photoresists oder jede Schicht übertragen. Unterschiedliche Strukturdichten, Entwickler, Spülverfahren und Ätzchemikalien beeinflussen sich auf komplexe Weise. Als Nächstes muss das Verfahren in mehreren Fabriken und Prozessen reproduziert werden. Gerätedaten müssen zudem belegen, dass weniger Rückstände die endgültige Ausbeute und Zuverlässigkeit tatsächlich erhöhen.

Nächste Schritte für Forschung und Industrie

Mehrere Etappen werden zeigen, ob dieser Fortschritt die Produktion in der Praxis verändert. Erstens können unabhängige Chipfabriken und Materiallieferanten das Verfahren mit gängigen ArF-Immersions- und EUV-Trockenlithografie-Stacks testen und Prozessfenster veröffentlichen. Zweitens können Auftragsfertiger angeben, wie stark der Nacharbeitsaufwand sinkt und wie sich Leitungskantenrauheit und Schwankungen kritischer Maße verbessern, wenn das Verfahren auf kritische Schichten angewendet wird. Drittens können Anlagen- und Chemikalienanbieter Einstellungen und Zusammensetzungen vorschlagen, die die Kontrolle der Grenzfläche in schlüsselfertige Prozessrezepte integrieren, die Kunden ohne größere Änderungen einsetzen können.

Die politischen Signale in China deuten auf weitere Investitionen in Photoresist-Materialien hin. Der nationale Prüfstandard für EUV-Resists dürfte Leistungsvergleiche und die Qualifizierung von Chargen erleichtern. Universitätsprogramme, darunter die Forschung der Tsinghua-Universität an tellurbasierten Polymeren, sichern den Nachwuchs. Unternehmen präsentieren öffentlich zunehmend eine Mischung aus Scannern, Inspektionssystemen und neuen Photoresists. Das deutet auf weitere Pilotprojekte hin. Außerhalb Chinas investieren staatlich geförderte Programme in den USA, Europa, Japan und Südkorea Milliarden in die Chipforschung. Der Wettbewerb in der Photoresist-Forschung dürfte sich verschärfen, da jede Region versucht, mehr Kontrolle über die Materiallieferkette zu gewinnen.

Die wichtigsten Punkte

• Die Peking-Universität und ihre Partner bildeten Photoresist-Moleküle in Flüssigkeitsfilmen und an Grenzflächen mithilfe der Kryo-Elektronentomografie ab. Anschließend entwickelten sie ein Verfahren, das Polymerückstände auf 12-Zoll-Wafern nach Angaben des Teams um bis zu 99 Prozent verringerte.
• Die Arbeit wurde am 30. September 2025 in Nature Communications veröffentlicht. Sie zielt auf Ausbeuteverluste bei Prozessknoten von 7 nm und darunter, bei denen winzige Rückstände Chips unbrauchbar machen können.
• China ist weiterhin auf importierte Hochleistungs-Photoresists angewiesen und hat aufgrund von Exportkontrollen keinen Zugang zu den fortgeschrittenen EUV-Scannern von ASML.
• China fördert Materialien durch Investitionen und Standards, darunter eine neue nationale Prüfspezifikation für EUV-Photoresists.
• Die Tsinghua-Universität stellte einen tellurbasierten EUV-Resist vor. Chinesische Unternehmen präsentierten Metallcluster-Resists und heimische Lithografieanlagen; viele Angaben müssen jedoch noch unabhängig überprüft werden.
• Der Durchbruch verbessert das Verständnis und die Kontrolle des Verhaltens von Photoresists an Grenzflächen, macht fortgeschrittene Scanner, Masken und Resists der nächsten Generation aber nicht überflüssig.