中科院激光光刻研究获进展，探索不用EUV的5nm

shuszhao

据中科院官网7月1日消息，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张子旸与国家纳米中心研究员刘前合作，在《纳米快报》（Nano Letters）上发表了题为“5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography”的研究论文，报道了一种新型5nm超高精度激光光刻加工方法。

                               
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传统上，激光直写可利用连续或脉冲激光在非真空的条件下实现无掩模快速刻写，降低了器件制造成本，是一种有竞争力的加工技术。然而，激光直写技术由于衍射极限以及邻近效应的限制，很难做到纳米尺度的超高精度加工。但亚10纳米（图1）的结构在集成电路、光子芯片、微纳传感、光电芯片、纳米器件等技术领域有应用需求，这对微纳加工的效率和精度提出了新挑战。

                               
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图1 亚十纳米图形结构的应用领域和方向。 （图自中科院，下同）
苏州纳米所张子旸团队从事微纳加工技术的开发、高速光通信半导体激光器、超快激光器等的研制工作（ACS Photonics 6, 1581, 2019; Light. Sci. Appl. 6,17170, 2018; ACS Photonics, 5, 1084，2018, Adv. Opt. Photon.， 2, 201, 2010; 授权专利：106449897B）；国家纳米中心刘前团队从事微纳加工方法及设备的创新研究，发展出多种新型微纳加工方法和技术（专著：Novel Optical Technologies for Nanofabrications; Nano Letters 17,1065,2017; Nature comm. 7,13742,2016; Adv. Mater. 24,3010,2012; 授权专利：美国 US 2011/0111331 A1 和日本 J5558466）。
该研究使用了研究团队开发的具有完全知识产权的激光直写设备，利用激光与物质的非线性相互作用来提高加工分辨率，有别于传统的缩短激光波长或增大数值孔径的技术路径，打破了传统激光直写技术中受体材料为有机光刻胶的限制，可使用多种受体材料，扩展了激光直写的应用场景。研究团队针对激光微纳加工中所面临的实际问题出发，解决了高效和高精度之间的固有矛盾，开发的新型微纳加工技术在集成电路、光子芯片、微机电系统等众多微纳加工领域展现了广阔的应用前景。
研究中，张子旸团队基于光热反应机理设计开发了一种新型三层堆叠薄膜结构。在无机钛膜光刻胶上，采用双激光束（波长为405nm）交叠技术（图2a），通过精确控制能量密度及步长，实现了1/55衍射极限的突破（NA=0.9），达到了最小5nm的特征线宽。此外，研究团队利用这种超分辨的激光直写技术，实现了纳米狭缝电极阵列结构的大规模制备（图2b-c）。

                               
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图2 双束交叠加工技术示意图（左）和5nm 狭缝电极电镜图（右）
相较而言，采用常规聚焦离子束刻写，制备一个纳米狭缝电极需要10到20分钟，而利用本文开发的激光直写技术，可以一小时制备约5×105个纳米狭缝电极，展示了可用于大规模生产的潜力。
纳米狭缝电极作为纳米光电子器件的基本结构，有着极为广泛的应用。在本研究中，该团队还利用发展的新技术制备出了纳米狭缝电极为基本结构的多维度可调的电控纳米SERS传感器。可在传感器一维方向上对反应“热点”完成定点可控，实现了类似逻辑门“0”、“1”信号的编码和重复（图3a-b），并可通过狭缝间距和外加电压的改变，实现了对反应“热点”强度的精确可调（图3c-d），这对表面科学和痕量检测等研究有着重要的意义。

                               
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图3 （a）纳米SERS传感器的光学显微镜图；（b）一维线性扫描下拉曼信号谱；（c）不同宽度下拉曼信号谱；（d）不同外加电压下拉曼信号谱。
该研究使用了研究团队开发的具有完全知识产权的激光直写设备，利用激光与物质的非线性相互作用来提高加工分辨率，有别于传统的缩短激光波长或增大数值孔径的技术路径，打破了传统激光直写技术中受体材料为有机光刻胶的限制，可使用多种受体材料，扩展了激光直写的应用场景。
研究团队针对激光微纳加工中所面临的实际问题出发，解决了高效和高精度之间的固有矛盾，开发的新型微纳加工技术在集成电路、光子芯片、微机电系统等众多微纳加工领域展现了广阔的应用前景。
该论文第一作者为中科院苏州纳米所与中国科学技术大学联合培养硕士研究生秦亮。中科院苏州纳米所与兰州大学联合培养的博士研究生黄源清和青岛大学物理学院夏峰为文章的共同第一作者。张子旸研究员和刘前研究员为论文的通讯作者。本工作得到了国家重点研究计划项目(2016YFA0200403)、国家自然科学基金(No.62875222、11874390、51971070)、Eu-FP7项目(No.247644)、中国博士后科学基金(2017M612182)的支持。


光刻技术的种类

据公开资料，激光直写技术是基于光学的无掩模光刻技术的一种。近年来，随着光刻分辨率的不断提高，掩模的成本呈直线上升的态势，无掩模光刻技术也成为研究热点。
无掩模光刻技术的种类较多，主要分为基于光学的无掩模光刻技术和非光学无掩模光刻技术两大类。去年曝光通过验收的中科院研制的“超分辨光刻装备”，其采用的表面等离子体（surface plasma，SP）光刻法则是非光学无掩模光刻技术的一种。
除了无掩模光刻技术，目前主流的光刻技术还有极紫外（EUV）光刻技术和纳米压印技术。
半导体光刻最重要的指标是光刻分辨率，它跟波长及数值孔径 NA 有关，波长越短、NA 越大，光刻精度就越高。
EUV光刻机就是从之前 193nm 波长变成了 13.5nm 波长的 EUV 极紫外光，经过由80层Mo—Si结构多层膜反射镜组成的聚光系统聚光后，照明反射式掩模，经缩小反射投影光学系统，将反射掩模上的图形投影成像在硅片表面的光刻胶上。
目前，EUV光刻技术是最有可能达到量产化要求的光刻技术，而荷兰 ASML 公司则是全球唯一能生产 EUV 光刻机的公司，他们之前表态 7nm 以下工艺都需要 EUV 光刻机才行。ASML光刻机的 NA 指标要看物镜系统，在这方面靠的是德国蔡司的 NA=0.33 的物镜，下一代才回到 NA=0.55 的水平。
自2018年以来，美国政府就一直阻挠ASML向中国企业出售价值1.5亿美元的EUV光刻机。截至目前，该项交易仍未成行。
纳米压印光刻技术则采用高分辨率电子束等方法将纳米尺寸的图形制作在“印章”上，然后在硅片上涂上一层聚合物，用已刻有纳米图形的硬“印章”“压印”聚甲基丙烯酸甲酯涂层使其发生变形，从而实现图形的复制。


希望各界理性冷静看待

从上文中可以看出，中科院苏州所研究的光刻技术，使用 405nm 波长的激光实现了 NA=0.9 的衍射突破，可制备 5nm 线宽工艺，这是一项重大突破。
不过据Deeptech深科技报道，中科院在光刻机核心组件方面早有布局。
比如负责曝光光学系统的长春国科精密光学技术有限公司，其背后大股东正是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，第三大股东则是中国科学院上海光学精密机械研究所。
此外，国科精密通过承担 “国家科技重大专项 02 专项” 核心光学任务，建成了国际水平的超精密光机系统研发与制造平台。2016 年，国科精密研发的国内首套用于高端 IC 制造的 NA=0.75 投影光刻机物镜系统顺利交付用户，标志着我国超精密光学技术已经达到国际先进水平。
负责光源系统的北京科益虹源光电技术有限公司，其背后也有中科院的身影：大股东是中国科学院光电研究院，第五大股东则是中国科学院微电子研究所。
与此同时，科益虹源也是中国唯一、世界第三家高能准分子激光器研发制造企业，2018 年自主研发设计生产成功后，打破了国外厂商对该技术产品的长期垄断。

                               
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负责物镜系统的北京国望光学科技有限公司，其第二大股东和第五大股东，分别是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、和中国科学院上海光学精密机械研究所。
国望光学研发的我国首套 90nm 节点 ArF 投影光刻机曝光光学系统，已于 2016 年顺利交付，此项成果标志着我国超精密光学技术已全面形成、并跻身国际先进行列。该公司所承接的 110nm 节点 KrF 光刻机曝光光学系统的产品研发工作，也已接近尾声。
值得注意的是，中科院背后这些公司之间的关系也很紧密。例如，国望光学是国科精密的间接股东。
这个进展随后很快被各大媒体热炒，不过《电子工程专辑》小编认为，目前这只是实验室中取得的技术突破，并没有达到量产的程度，而且原文并没有特意强调是用来生产半导体芯片的，甚至一个字都没提到是光刻机，它更多地是用于快速制备纳米狭缝电极阵列结构。
拿EUV技术来说，也是很多年前就有了，但5nm直到今年下半年台积电才能投产，可见任何技术从理论到商用的转化，都需要很长的时间。相信未来中科院在光刻机研究方面，必定会有更多成果。

ilovepcb

zeosv

好好学习，天天向上

学海无涯

如图1

maogege-chen

公孙御阳

不知道能不能用于量产

alexl

热带雨林

red_chen

图挂了 还是波长的问题

wg5843