Investigadores chinos cartografían moléculas de fotorresist y afirman haber reducido un 99 % los defectos en chips avanzados

Por qué importa este nuevo hallazgo sobre el fotorresist

Investigadores chinos afirman haber observado directamente cómo se comportan las moléculas de fotorresist en las películas líquidas utilizadas durante la litografía de chips y haber convertido ese hallazgo en una solución lista para aplicarse en fábricas que reduce drásticamente los defectos. El trabajo, dirigido por un equipo de la Universidad de Pekín junto con socios industriales, se publicó en Nature Communications el 30 de septiembre de 2025. El equipo señala que su protocolo redujo hasta un 99 % los residuos de polímero en obleas de 12 pulgadas en condiciones reales de fabricación, un cambio que podría aumentar el rendimiento en nodos de 7 nm y menores.

El fotorresist es el recubrimiento fotosensible que define los patrones de los transistores y el cableado en una oblea de silicio. Durante la fotolitografía, un escáner proyecta una imagen del circuito sobre el fotorresist. Las zonas expuestas cambian de solubilidad; luego, el revelado y la limpieza dejan al descubierto el patrón. Los residuos minúsculos o restos que quedan pueden provocar cortocircuitos en las líneas, interrumpir contactos y causar fallos en etapas posteriores. En nodos avanzados, con líneas estrechas y poco espacio entre ellas, incluso un pequeño grupo de moléculas en el lugar equivocado puede inutilizar un chip.

China depende en gran medida de los fotorresists importados, sobre todo de los de gama alta. Esa dependencia es una de las razones por las que las fábricas nacionales han tenido dificultades para mejorar el rendimiento en los nodos más avanzados. Desde 2019, los escáneres de litografía ultravioleta extrema de primera categoría de ASML están fuera del alcance del mercado chino. Por eso, los fabricantes de chips nacionales han recurrido a varias rondas de litografía ultravioleta profunda para alcanzar características de la clase de 7 nm. Este método amplifica la importancia del fotorresist, ya que la oblea pasa por más exposiciones, más revelados y más limpiezas húmedas a lo largo de decenas de etapas. Cualquier reducción de los defectos aleatorios se traduce en más chips funcionales por oblea.

¿Qué hicieron exactamente los investigadores?

El equipo de la Universidad de Pekín aplicó tomografía crioelectrónica a películas de fotorresist cuando los polímeros todavía estaban en su entorno líquido natural. Este método de obtención de imágenes congela una muestra delgada con gran rapidez, inmoviliza las moléculas y luego utiliza un microscopio electrónico de transmisión para capturar una serie de vistas inclinadas. Un programa reconstruye un mapa tridimensional con resolución a escala nanométrica. Con este enfoque, los investigadores visualizaron cómo se organizan y entrelazan los polímeros del fotorresist en el interior de la película y en la interfaz entre el gas y el líquido durante el revelado y el enjuague.

Esas imágenes, junto con los experimentos de proceso, señalaron una fuente oculta de residuos. Las cadenas largas pueden enredarse en la parte superior de la película, cerca de la interfaz, y luego quedar atrapadas en los huecos del patrón durante el enjuague y el secado. A partir de los mapas, el equipo diseñó un protocolo para inhibir el entrelazamiento de los polímeros en la interfaz. Según sus resultados, el cambio eliminó casi todos los defectos relacionados con residuos en un entorno industrial, en obleas de 12 pulgadas.

De la biología a la fabricación de chips: ¿qué es la tomografía crioelectrónica?

La tomografía crioelectrónica, abreviada a menudo como crio-TC, surgió en la biología estructural para obtener imágenes de proteínas y células en sus formas naturales. La muestra se vitrifica, es decir, el agua y los disolventes se congelan hasta formar un estado similar al vidrio, sin crear cristales que alteren la estructura. Luego, se reconstruye una serie de imágenes electrónicas tomadas desde distintos ángulos para obtener un volumen tridimensional. Su principal ventaja es que las moléculas se conservan en su sitio, en lugar de secarse o teñirse, procesos que podrían desplazar o dañar estructuras frágiles. Aplicar la crio-TC a materiales semiconductores permite observar polímeros que normalmente se mueven y reorganizan en solución y, por fin, captarlos mientras forman las redes que causan defectos.

Por qué el entrelazamiento de polímeros causa defectos

Durante el revelado, las zonas expuestas del fotorresist se disuelven, mientras que las zonas no expuestas permanecen para proteger la película subyacente. Las cadenas entrelazadas que abarcan ambas zonas pueden dejar películas delgadas tras el revelado; este defecto suele denominarse residuo superficial. En zanjas y orificios de contacto, los enredos pueden alojarse y resistir el enjuague. Esto aparece como residuos que luego interfieren con el grabado o la deposición de metales. Son causas clásicas de pérdida de rendimiento. Aumentan la rugosidad del borde de línea, forman micropuentes entre líneas y obligan a repetir procesos. Si afectan demasiadas estructuras, se desecha la oblea. Cuanto menor es la geometría, más grave es el problema, ya que unos pocos nanómetros de material adicional pueden cerrar un espacio o cambiar una dimensión crítica.

Cómo podría cambiar el rendimiento de producción en los nodos avanzados

El rendimiento es la proporción de chips funcionales que llegan al final del proceso de fabricación respecto del total de chips definidos en una oblea. En 7 nm o menos, un sistema en chip moderno puede contener decenas de miles de millones de transistores y requiere cientos de etapas de proceso. Los defectos aleatorios se acumulan rápidamente. Si un ajuste del fotorresist elimina una fuente común de residuos en varias capas, su efecto se multiplica a lo largo del proceso. Esto puede elevar el rendimiento final varios puntos porcentuales, una mejora considerable del costo por chip funcional en la economía de las fundiciones.

El comportamiento del fotorresist influye en más aspectos que la exposición y el revelado. La selectividad del grabado, el daño por plasma y las limpiezas húmedas dependen de cómo se forma la red de polímeros y cómo se descompone. El equipo de investigación afirma que el mismo control de la interfaz que reduce los residuos en la litografía también disminuye el traspaso de defectos a las etapas de grabado y limpieza. Esto ayudaría a estabilizar las dimensiones críticas y la rugosidad de las líneas, lo que a su vez mejoraría la variabilidad y el rendimiento de los dispositivos.

Menos ciclos de reprocesamiento y más chips funcionales por oblea

Las fundiciones suelen volver a someter las obleas a limpiezas o técnicas de reparación para recuperar rendimiento. Cada ciclo añade tiempo, costo y riesgo. Si los residuos se reducen un 99 %, disminuye la necesidad de etapas adicionales. Eso libera capacidad de los equipos, acorta el tiempo de producción y reduce el uso de sustancias químicas. Para los clientes, menos defectos latentes se traducen en una mayor fiabilidad durante las pruebas de funcionamiento continuo y en el uso cotidiano. Para quienes diseñan chips, una distribución más estrecha de los anchos de línea y los contactos permite predecir mejor los tiempos y el consumo de energía.

El lugar de este hallazgo en la estrategia china para los chips

Los materiales y la litografía ocupan un lugar central en los esfuerzos de China por reducir su dependencia de proveedores extranjeros. El fotorresist es un punto débil evidente. Los proveedores nacionales han avanzado en productos de gama media para equipos KrF y ArF, pero las empresas de Japón, Estados Unidos y Corea del Sur siguen dominando los productos de gama alta. Las estimaciones del sector sitúan el mercado chino del fotorresist en unos 11.400 millones de yuanes en 2024 y prevén que siga creciendo en 2025. El año pasado, la demanda mundial de fotorresists se valoró en cerca de 2.700 millones de dólares y podría llegar a 4.500 millones en 2031, en un contexto de más capas y reglas de diseño más estrictas.

Las autoridades han incluido los materiales entre las prioridades de la nueva ronda de financiación del Fondo Nacional de Inversión en la Industria de Circuitos Integrados. Según analistas, la tercera fase incluye más de 50.000 millones de yuanes para sustancias químicas, fotorresists y procesos relacionados, además de inversiones en herramientas y equipos. Establecer normas comunes forma parte de ese impulso. La Administración de Normalización de China ha publicado una especificación nacional de ensayo para fotorresists de ultravioleta extremo. Los métodos de ensayo comunes ayudan a universidades y empresas a comparar resultados, calificar proveedores y prepararse para la fabricación piloto.

Universidades y empresas impulsan nuevos materiales

Universidades y empresas emergentes chinas también investigan nuevas composiciones químicas para la era de la litografía ultravioleta extrema. En julio, un equipo de la Universidad Tsinghua presentó un fotorresist de politeluroxano que incorpora átomos de telurio en la cadena principal del polímero para aumentar la absorción a 13,5 nm. El enlace telurio-oxígeno se rompe con más facilidad durante la exposición, lo que puede aumentar la sensibilidad y, al mismo tiempo, mantener bajo el peso molecular para mejorar la resolución. Si ese material llega a producirse a escala, podría ofrecer una vía nacional para la litografía ultravioleta extrema con mejores equilibrios entre sensibilidad, rugosidad de las líneas y emisión de gases.

En el ámbito empresarial, una filial de materiales de SiCarrier presentó un fotorresist de conglomerados metálicos que, según las patentes, se basa en conglomerados de óxido de estaño y permite patrones de entre 3 nm y 50 nm. Esas afirmaciones necesitan una validación independiente en una línea de fundición, pero apuntan a una tendencia más amplia. Las empresas chinas participan en la carrera del fotorresist mientras los fabricantes de equipos amplían las opciones nacionales de litografía. Una nueva empresa derivada de Shanghai Micro Electronics Equipment presentó alineadores para semiconductores compuestos, sistemas de recocido láser y equipos de inspección. China todavía no tiene acceso a los escáneres avanzados de ultravioleta extremo de ASML, pero su ecosistema trabaja para cubrir las carencias en materiales, metrología y programas de diseño.

Qué es y qué no es este avance

El resultado de la Universidad de Pekín aborda un problema muy específico: el comportamiento de los polímeros del fotorresist en películas líquidas y en la interfaz con el aire durante el revelado y el enjuague. Al obtener imágenes directas de esas estructuras y modificar la forma en que se forman, el equipo propone una manera de reducir una fuente común de contaminación. Esto es valioso porque acorta el ajuste de los procesos y reduce las pruebas y errores, dos causas habituales de retrasos cuando una fábrica empieza a producir con un nodo nuevo.

No sustituye los escáneres, las máscaras ni los fotorresists de última generación necesarios para alcanzar las geometrías más pequeñas. La litografía ultravioleta extrema plantea desafíos que van más allá de los residuos. La fuente de luz tiene un brillo limitado, el ruido de disparo provoca variaciones aleatorias en los bordes de las líneas y el fotorresist debe equilibrar la sensibilidad con la rugosidad de las líneas y el colapso de los patrones. Las máscaras necesitan membranas protectoras capaces de resistir la luz de alta energía, y el control de la contaminación es exigente. El control de la interfaz será útil, pero las fábricas chinas seguirán limitadas por las herramientas que puedan comprar y fabricar.

Las afirmaciones también necesitan una verificación más amplia. Una reducción del 99 % medida en un entorno puede no reproducirse con todos los fotorresists ni en todas las capas. Las distintas densidades de patrones, soluciones de revelado, enjuagues y composiciones químicas de grabado interactúan de maneras complejas. El próximo paso es replicar los resultados en varias fábricas y procesos, y obtener datos a nivel de dispositivo que relacionen la reducción de residuos con un mayor rendimiento final y fiabilidad.

Próximos pasos para la investigación y la industria

Varios hitos mostrarán si este avance transforma la producción en la práctica. Primero, fábricas y proveedores de materiales independientes pueden probar el protocolo en estructuras habituales de inmersión ArF y de litografía ultravioleta extrema sin inmersión, y publicar las ventanas de proceso. Segundo, las fundiciones pueden informar cuánto disminuye el reprocesamiento y cómo mejoran la rugosidad del borde de línea y la variabilidad de las dimensiones críticas al aplicar el método a capas clave. Tercero, los proveedores de equipos y sustancias químicas pueden proponer ajustes de herramientas y formulaciones que incorporen el control de la interfaz en recetas listas para usar, de modo que los clientes puedan adoptarlas sin hacer cambios importantes.

Las señales de política pública en China apuntan a una inversión continua en materiales para fotorresists. La norma nacional de ensayo para fotorresists de ultravioleta extremo debería facilitar la comparación de resultados y la calificación de lotes. Los programas universitarios, incluido el trabajo de Tsinghua sobre polímeros basados en telurio, mantienen activa la formación de especialistas. Algunas empresas han comenzado a presentar escáneres, sistemas de inspección y nuevos fotorresists en eventos públicos, lo que sugiere que habrá más proyectos piloto. Fuera de China, programas respaldados por los gobiernos de Estados Unidos, Europa, Japón y Corea del Sur destinan miles de millones a la investigación de chips. Es probable que se intensifique la competencia en la ciencia del fotorresist, a medida que cada región intenta controlar una mayor parte de la cadena de materiales.

Puntos clave

• La Universidad de Pekín y sus socios utilizaron tomografía crioelectrónica para obtener imágenes de moléculas de fotorresist en películas líquidas y en interfaces. Después diseñaron un proceso que, según el equipo, redujo hasta un 99 % los residuos de polímero en obleas de 12 pulgadas.
• El trabajo se publicó en Nature Communications el 30 de septiembre de 2025 y apunta a las pérdidas de rendimiento en nodos de 7 nm o menores, donde residuos diminutos pueden inutilizar chips.
• China sigue dependiendo de los fotorresists importados de gama alta y no tiene acceso a los escáneres avanzados de ultravioleta extremo de ASML debido a los controles a la exportación.
• China ha apoyado el sector de los materiales con financiación y normas, incluida una nueva especificación nacional de ensayo para fotorresists de ultravioleta extremo.
• La Universidad Tsinghua presentó un fotorresist de ultravioleta extremo basado en telurio, y empresas chinas han mostrado fotorresists de conglomerados metálicos y herramientas nacionales de litografía, aunque muchas de sus afirmaciones aún esperan una validación independiente.
• El avance mejora la comprensión y el control del comportamiento del fotorresist en las interfaces, pero no elimina la necesidad de escáneres avanzados, máscaras y fotorresists de nueva generación.