光刻制造技術(shù)上取得進展 國產(chǎn)光刻機實現(xiàn)高端領(lǐng)域彎道超車？

光刻機是集成電路制造的關(guān)鍵核心設(shè)備，為了在更小的物理空間集成更多的電子元件，單個電路的物理尺寸越來越小，主流光刻機在硅片上投射的光刻電路分辨率達到50-90nm。由于光波衍射的緣故，光刻電路是一個彌散的光斑，其特征尺寸大約是光波長的一半，更小特征尺寸的光刻電路意味著更高的光刻分辨率。為了得到更高的分辨率，目前主流光刻技術(shù)的發(fā)展局限于在光學(xué)衍射極限范圍內(nèi)不斷縮短所用光源的波長，其代價非常昂貴。今天光刻機被稱為“人類最精密復(fù)雜的機器”，荷蘭ASML公司EUV光刻機售價高達1億美元，而且只有ASML能夠生產(chǎn)。

國內(nèi)目前還沒有安裝ASML EUV機臺，國產(chǎn)光刻機技術(shù)上與之差距太大，根本無法在高端市場上參與競爭，嚴重制約了我國微電子信息工業(yè)的發(fā)展。根據(jù)媒體報道，近年來我國每年集成電路產(chǎn)品進口金額與每年原油進口金額大致相當，每年已經(jīng)超過2000億美元，如何改變集成電路制造受制于人的局面是國產(chǎn)光刻機研發(fā)的主要目標。

2014年10月瑞典皇家諾貝爾獎委員會決定將當年的諾貝爾化學(xué)獎授予打破光學(xué)衍射極限發(fā)明超分辨率光學(xué)顯微技術(shù)的三位科學(xué)家，以表彰他們在超分辨率光學(xué)成像方面的卓著貢獻。其中斯蒂芬?黑爾教授發(fā)明的STED超分辨技術(shù)采用二束激光，一束激發(fā)激光(Exciting Laser Beam)激發(fā)顯微鏡物鏡下的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，另外一束中心光強為零的環(huán)形淬滅激光(Inhibiting Laser beam)淬滅激發(fā)激光產(chǎn)生的熒光。這兩束光的中心重合在一起，使得只有處于納米級環(huán)形淬滅激光中心處的熒光分子才能正常發(fā)光，通過掃描的辦法就可以得到超越衍射極限的光學(xué)成像。

?

遵循這個思路，華中科技大學(xué)國家光電實驗室的甘棕松教授在國外攻讀博士學(xué)位期間，采用類似方法在光刻制造技術(shù)上取得進展，成功突破光學(xué)衍射極限，首次在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)了創(chuàng)記錄的單線9納米線寬，雙線間距低至約50納米的超分辨光刻。未來將這一技術(shù)工程化應(yīng)用到光刻機上，能夠突破光學(xué)衍射極限對投射電路尺寸的限制從而實現(xiàn)超分辨光刻，有望使國產(chǎn)集成電路光刻機擺脫一味采用更短波長光源的技術(shù)路線。

甘棕松教授發(fā)明的超分辨納米光刻技術(shù)利用光刻膠雙光子吸收特性，采用雙束光進行光刻，一束為飛秒脈沖激光，經(jīng)過擴束整形進入到物鏡，聚焦成一個很小的光斑，光刻膠通過雙光子過程吸收該飛秒光的能量，發(fā)生光物理化學(xué)反應(yīng)引發(fā)光刻膠發(fā)生固化;另外一束為連續(xù)激光，同樣經(jīng)過擴束整形后，進入到同一個物鏡里，聚焦形成一個中心為零的空心狀光斑，與飛秒激光光斑的中心空間重合，光刻膠吸收該連續(xù)光的能量，發(fā)生光物理化學(xué)反應(yīng)，阻止光刻膠發(fā)生固化。兩束光同時作用，最終只有連續(xù)光空心光斑中心部位的地方被固化。甘棕松教授目前已經(jīng)把空心光斑中心部位最小做到9nm，至此突破光學(xué)衍射極限的超分辨光刻技術(shù)在常規(guī)光刻膠上得以完美實現(xiàn)。

采用超分辨的方法突破光學(xué)衍射的限制，將光聚集到更小的尺寸，應(yīng)用到集成電路光刻可以帶來兩個方面的好處：一方面可以實現(xiàn)更高的分辨率，不再需要采用更短波長的光源，使得光刻機系統(tǒng)造價大大降低;另外一方面采用可見光進行光刻，可以穿透普通的材料，工作環(huán)境要求不高，擺脫EUV光源需要真空環(huán)境、光刻能量不足的羈絆。

與動輒幾千萬美元的主流光刻機乃至一億美元售價的EUV光刻機相比，超分辨光刻硬件部分只需要一臺飛秒激光器和一臺普通連續(xù)激光器，成本只是主流光刻機的幾分之一。該系統(tǒng)運行條件比紫外光刻溫和得多，不需要真空環(huán)境，不需要特殊的發(fā)光和折光元器件，和一般光刻系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)僅僅是引入了第二束光，系統(tǒng)光路設(shè)計上改動比較小，光刻機工程化應(yīng)用相對容易，有希望使國產(chǎn)光刻機在高端領(lǐng)域彎道超車、有所突破。