Peneliti China Petakan Molekul Fotoresis, Klaim Cacat pada Cip Canggih Berkurang 99 Persen

Mengapa temuan baru tentang fotoresis ini penting

Peneliti China mengatakan mereka telah mengamati secara langsung perilaku molekul fotoresis dalam lapisan cair yang digunakan selama litografi cip, lalu mengubah temuan itu menjadi solusi siap pakai di pabrik yang memangkas cacat. Penelitian yang dipimpin tim dari Universitas Peking bersama mitra industri ini diterbitkan di Nature Communications pada 30 September 2025. Tim melaporkan bahwa protokol mereka mengurangi residu polimer pada wafer 12 inci hingga 99 persen dalam kondisi fabrikasi nyata. Perubahan ini berpotensi meningkatkan hasil produksi untuk node proses 7 nm dan lebih kecil.

Fotoresis adalah lapisan peka cahaya yang membentuk pola transistor dan kabel pada wafer silikon. Selama fotolitografi, pemindai memproyeksikan citra sirkuit ke fotoresis. Area yang terpapar berubah kelarutannya, lalu proses pengembangan dan pembersihan menyingkap pola tersebut. Residu atau lapisan tipis yang tertinggal dapat menyebabkan hubungan arus pendek pada jalur, memutus kontak, dan memicu kegagalan pada tahap berikutnya. Pada node canggih dengan jalur sempit dan jarak rapat, bahkan sejumlah kecil molekul di tempat yang keliru dapat merusak satu die.

China sangat bergantung pada fotoresis impor, terutama untuk produk kelas atas. Ketergantungan itu menjadi salah satu alasan pabrik semikonduktor dalam negeri kesulitan meningkatkan hasil produksi pada node paling canggih. Karena pemindai ultraviolet ekstrem kelas atas dari ASML tidak dapat masuk ke pasar China sejak 2019, produsen cip dalam negeri menggunakan beberapa putaran litografi ultraviolet dalam untuk mencapai fitur kelas 7 nm. Metode ini memperbesar peran fotoresis karena wafer mengalami lebih banyak paparan, proses pengembangan, dan pembersihan basah dalam puluhan tahap. Setiap pengurangan cacat acak berarti lebih banyak cip yang berfungsi dari setiap wafer.

Apa yang sebenarnya dilakukan para peneliti?

Tim Universitas Peking menerapkan tomografi elektron kriogenik pada lapisan fotoresis ketika polimernya masih berada dalam lingkungan cair aslinya. Metode pencitraan ini membekukan sampel tipis dengan sangat cepat, mengunci molekul di tempatnya, lalu menggunakan mikroskop elektron transmisi untuk mengambil serangkaian citra dari berbagai sudut kemiringan. Perangkat lunak merekonstruksi peta tiga dimensi dengan resolusi skala nanometer. Dengan pendekatan tersebut, para peneliti memvisualisasikan susunan dan keterjeratan polimer fotoresis di bagian dalam lapisan serta pada antarmuka gas-cair selama proses pengembangan dan pembilasan.

Gambar-gambar tersebut, bersama eksperimen proses, mengungkap sumber residu yang tersembunyi. Rantai panjang dapat saling mengikat di bagian atas lapisan dekat antarmuka, lalu terperangkap dalam cekungan pola saat pembilasan dan pengeringan. Berdasarkan peta itu, tim merancang protokol untuk menghambat keterjeratan polimer pada antarmuka. Mereka melaporkan bahwa perubahan tersebut menghilangkan hampir seluruh cacat terkait residu dalam lingkungan industri pada wafer 12 inci.

Dari biologi ke pembuatan cip, apa itu tomografi elektron kriogenik?

Tomografi elektron kriogenik, yang sering disingkat cryo-ET, dikembangkan dalam biologi struktural untuk mencitrakan protein dan sel dalam bentuk aslinya. Sampel divitrifikasi, artinya air dan pelarut dibekukan hingga menyerupai kaca tanpa membentuk kristal yang dapat merusak strukturnya. Serangkaian citra elektron dari berbagai sudut kemiringan kemudian direkonstruksi menjadi volume tiga dimensi. Keunggulan utamanya adalah molekul tetap berada di tempatnya, alih-alih dikeringkan atau diwarnai, yang dapat menggeser atau merusak struktur rapuh. Penerapan cryo-ET pada material semikonduktor memungkinkan peneliti mengamati polimer yang biasanya bergerak dan tersusun ulang dalam larutan, sehingga akhirnya dapat melihat proses pembentukan jaringan yang menyebabkan cacat.

Mengapa keterjeratan polimer menimbulkan cacat

Selama proses pengembangan, area fotoresis yang terpapar larut, sedangkan area yang tidak terpapar tetap melindungi lapisan di bawahnya. Rantai yang saling terjerat dan membentang di kedua area dapat meninggalkan selaput tipis setelah pengembangan, cacat yang sering disebut scumming. Pada parit dan lubang kontak, simpul rantai dapat tersangkut dan bertahan saat pembilasan, sehingga meninggalkan residu yang kemudian mengganggu proses etsa atau deposisi logam. Ini merupakan penyebab klasik turunnya hasil produksi. Cacat tersebut meningkatkan kekasaran tepi jalur, menimbulkan jembatan mikro ant jalur, dan mengharuskan pengerjaan ulang. Jika terlalu banyak fitur terdampak, wafer akan dibuang. Masalah ini semakin parah ketika geometri makin kecil, karena tambahan material beberapa nanometer saja dapat menutup celah atau mengubah dimensi kritis.

Bagaimana temuan ini dapat mengubah hasil produksi pada node canggih

Hasil produksi adalah proporsi cip yang berfungsi dan berhasil menyelesaikan seluruh proses pabrik dibandingkan dengan jumlah total die yang dibentuk pada wafer. Pada 7 nm dan di bawahnya, sebuah system-on-chip modern dapat memuat puluhan miliar transistor dan memerlukan ratusan tahap proses. Cacat acak cepat menumpuk. Jika penyesuaian fotoresis menghilangkan sumber residu yang umum di beberapa lapisan, dampaknya akan berlipat sepanjang alur proses. Hasil akhir dapat meningkat beberapa poin persentase, yang dalam ekonomi pabrik pengecoran merupakan perbaikan besar pada biaya per die yang berfungsi.

Perilaku fotoresis memengaruhi lebih dari sekadar paparan dan pengembangan. Selektivitas etsa, kerusakan plasma, dan pembersihan basah semuanya bergantung pada cara jaringan polimer terbentuk dan terurai. Tim peneliti mengatakan bahwa pengendalian antarmuka yang sama, yang mengurangi residu dalam litografi, juga mengurangi terbawanya cacat ke tahap etsa dan pembersihan. Hal itu dapat membantu menstabilkan dimensi kritis dan kekasaran jalur, yang selanjutnya meningkatkan variasi dan kinerja perangkat.

Lebih sedikit proses pengerjaan ulang, lebih banyak die berfungsi per wafer

Pabrik pengecoran kerap mengulang proses pembersihan atau teknik perbaikan pada wafer untuk menyelamatkan hasil produksi. Setiap pengulangan menambah waktu, biaya, dan risiko. Jika residu berkurang 99 persen, kebutuhan akan tahap tambahan pun menurun. Kapasitas peralatan dapat dialihkan, waktu siklus dipersingkat, dan penggunaan bahan kimia dikurangi. Bagi pelanggan, lebih sedikit cacat tersembunyi berarti keandalan yang lebih baik saat uji burn-in dan penggunaan di lapangan. Bagi perancang cip, distribusi lebar jalur dan kontak yang lebih rapat membuat waktu dan konsumsi daya lebih mudah diprediksi.

Posisi temuan ini dalam strategi cip China

Material dan litografi menjadi fokus upaya China untuk mengurangi ketergantungan pada pemasok asing. Fotoresis merupakan titik lemah yang jelas. Pemasok dalam negeri telah membuat kemajuan pada produk kelas menengah untuk perangkat KrF dan ArF, tetapi produk kelas atas masih didominasi perusahaan dari Jepang, Amerika Serikat, dan Korea Selatan. Perkiraan industri menyebut nilai pasar fotoresis China mencapai sekitar 11,4 miliar yuan pada 2024, dengan pertumbuhan berlanjut pada 2025. Permintaan fotoresis global tahun lalu bernilai hampir 2,7 miliar dolar dan dapat mencapai 4,5 miliar dolar pada 2031, seiring bertambahnya jumlah lapisan dan semakin ketatnya aturan desain.

Pembuat kebijakan menargetkan material dalam putaran pendanaan terbaru Dana Investasi Industri Sirkuit Terpadu Nasional. Analis melaporkan bahwa Fase Tiga mencakup lebih dari 50 miliar yuan untuk bahan kimia, fotoresis, dan proses terkait, di samping investasi pada peralatan dan mesin. Penetapan aturan bersama menjadi bagian dari upaya tersebut. Administrasi Standardisasi China telah menerbitkan spesifikasi pengujian nasional untuk fotoresis ultraviolet ekstrem. Metode pengujian yang seragam membantu universitas dan perusahaan membandingkan hasil, menilai pemasok, dan mempersiapkan produksi percontohan.

Universitas dan perusahaan mengembangkan material baru

Universitas dan perusahaan rintisan China juga mengembangkan kimia baru untuk era ultraviolet ekstrem. Pada Juli, tim Universitas Tsinghua melaporkan fotoresis politteluroksana yang memasukkan atom telurium ke dalam tulang punggung polimer untuk meningkatkan penyerapan pada panjang gelombang 13,5 nm. Ikatan Te-O lebih mudah terputus saat terpapar, sehingga sensitivitas dapat meningkat dengan tetap mempertahankan berat molekul yang rendah demi meningkatkan resolusi. Jika material ini dapat diproduksi dalam skala besar, China bisa memiliki jalur dalam negeri untuk litografi ultraviolet ekstrem dengan kompromi yang lebih baik antara sensitivitas, kekasaran jalur, dan pelepasan gas.

Di sisi perusahaan, unit material SiCarrier memperkenalkan fotoresis kluster logam yang, menurut paten, berbasis kluster oksida timah dan diklaim dapat membentuk pola berukuran 3 nm hingga 50 nm. Klaim tersebut perlu divalidasi secara independen pada lini pabrik pengecoran, tetapi menunjukkan tren yang lebih luas. Perusahaan China mulai terjun dalam persaingan fotoresis, sementara produsen peralatan memperluas pilihan litografi dalam negeri. Perusahaan rintisan hasil pemisahan baru dari Shanghai Micro Electronics Equipment memamerkan stepper untuk semikonduktor senyawa, sistem anil laser, dan peralatan inspeksi. China masih belum memiliki akses ke pemindai ultraviolet ekstrem canggih dari ASML, tetapi ekosistemnya bergerak untuk mengisi kekurangan dalam material, metrologi, dan perangkat lunak desain.

Makna terobosan ini dan batasannya

Hasil Universitas Peking menyasar masalah yang sangat spesifik, yakni perilaku polimer fotoresis dalam lapisan cair dan pada antarmukanya dengan udara selama proses pengembangan dan pembilasan. Dengan mencitrakan struktur tersebut secara langsung dan mengubah cara pembentukannya, tim mengajukan cara untuk mengurangi sumber kontaminasi yang umum. Hal ini penting karena mempercepat penyesuaian proses dan mengurangi coba-coba, dua penyebab kronis keterlambatan saat sebuah pabrik mulai menjalankan node baru.

Temuan ini bukan pengganti pemindai, masker, dan fotoresis tercanggih yang dibutuhkan untuk mencapai geometri terkecil. Litografi ultraviolet ekstrem menghadirkan tantangan yang melampaui persoalan residu. Sumber cahaya memiliki kecerahan terbatas, derau foton menyebabkan variasi acak pada tepi jalur, dan fotoresis harus menyeimbangkan sensitivitas dengan kekasaran jalur serta keruntuhan pola. Masker membutuhkan pelikel yang tahan terhadap cahaya berenergi tinggi, sementara pengendalian kontaminasi sangat sulit. Pengendalian antarmuka akan membantu, tetapi pabrik China tetap dibatasi oleh peralatan yang dapat dibeli dan dibuatnya.

Klaim ini juga perlu diverifikasi secara luas. Pengurangan 99 persen yang diukur dalam satu lingkungan mungkin tidak berlaku untuk semua jenis fotoresis atau setiap lapisan. Kepadatan pola, bahan pengembang, pembilasan, dan kimia etsa yang berbeda berinteraksi dengan cara yang kompleks. Langkah berikutnya adalah replikasi di berbagai pabrik dan proses, disertai data tingkat perangkat yang menghubungkan pengurangan residu dengan peningkatan hasil produksi akhir dan keandalan.

Langkah selanjutnya bagi penelitian dan industri

Sejumlah pencapaian akan menunjukkan apakah kemajuan ini benar-benar mengubah produksi. Pertama, pabrik independen dan pemasok material dapat menguji protokol tersebut pada tumpukan ArF imersi dan ultraviolet ekstrem kering yang umum, lalu menerbitkan rentang prosesnya. Kedua, pabrik pengecoran dapat melaporkan seberapa besar pengurangan pengerjaan ulang serta perbaikan kekasaran tepi jalur dan variasi dimensi kritis saat metode ini diterapkan pada lapisan penting. Ketiga, pemasok peralatan dan bahan kimia dapat mengusulkan pengaturan mesin dan formulasi yang memasukkan pengendalian antarmuka ke dalam resep siap pakai, sehingga pelanggan dapat mengadopsinya tanpa perubahan besar.

Sinyal kebijakan di China menunjukkan investasi pada material fotoresis akan berlanjut. Standar pengujian nasional untuk fotoresis ultraviolet ekstrem semestinya memudahkan perbandingan kinerja dan penilaian lot. Program universitas, termasuk penelitian Universitas Tsinghua tentang polimer berbasis telurium, menjaga ketersediaan tenaga ahli. Perusahaan mulai memamerkan beragam pemindai, sistem inspeksi, dan fotoresis baru dalam forum publik, yang mengisyaratkan akan ada lebih banyak uji coba. Di luar China, program yang didukung pemerintah di Amerika Serikat, Eropa, Jepang, dan Korea Selatan menggelontorkan miliaran dolar untuk riset cip. Persaingan dalam ilmu fotoresis kemungkinan akan semakin ketat seiring setiap kawasan berupaya menguasai lebih banyak bagian dari rantai material.

Poin-Poin Utama

• Universitas Peking dan mitranya menggunakan tomografi elektron kriogenik untuk mencitrakan molekul fotoresis dalam lapisan cair dan pada antarmuka, lalu merancang proses yang menurut tim memangkas residu polimer hingga 99 persen pada wafer 12 inci.
• Penelitian ini diterbitkan di Nature Communications pada 30 September 2025 dan menyasar penurunan hasil produksi pada node 7 nm dan lebih kecil, ketika residu kecil dapat merusak die.
• China masih bergantung pada fotoresis kelas atas impor dan tidak memiliki akses ke pemindai ultraviolet ekstrem canggih dari ASML karena kontrol ekspor.
• China telah mendukung sektor material melalui pendanaan dan penetapan standar, termasuk spesifikasi pengujian nasional baru untuk fotoresis ultraviolet ekstrem.
• Universitas Tsinghua melaporkan fotoresis ultraviolet ekstrem berbasis telurium, sementara perusahaan China memamerkan fotoresis kluster logam dan peralatan litografi dalam negeri. Namun, banyak klaim masih menunggu validasi independen.
• Terobosan ini meningkatkan pemahaman dan pengendalian perilaku antarmuka fotoresis, tetapi tidak menghilangkan kebutuhan akan pemindai canggih, masker, dan fotoresis generasi berikutnya.