中科院研發新型雷射光刻技術:不用EUV 直擊5nm

2020-12-08 太平洋電腦網資訊中心

　　荷蘭ASML公司是全球唯一能生產EUV光刻機的公司，他們之前表態7nm以下工藝都需要EUV光刻機才行。現在中科院蘇州納米所的團隊開發了一種新的雷射光刻技術，不需要使用EUV技術就可以製備出5nm特徵線寬。

　　半導體光刻最重要的指標是光刻解析度，它跟波長及數值孔徑NA有關，波長越短、NA越大，光刻精度就越高，EUV光刻機就是從之前193nm波長變成了13.5nm波長的EUV極紫外光，而NA指標要看物鏡系統，ASML在這方面靠的是德國蔡司的NA=0.33的物鏡，下一代才回到NA=0.55的水平。

　　中科院蘇州所聯合國家納米中心開展的這項研究有所不同，在無機鈦膜光刻膠上， 採用雙雷射束（波長為405 nm）交疊技術，通過精確控制能量密度及步長，實現了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達到了最小5 nm的特徵線寬。

　　從中可以看出， 國內研究的光刻技術使用的是405nm波長的雷射就實現了NA=0.9的衍射突破 ，可以製備5nm線寬工藝，這是一項重大突破。

　　這個進展很快就會被各大媒體熱炒，不過還是那句話，目前是實驗室中取得的技術突破，並沒有達到量產的程度，而且原文並沒有特意強調是用來生產半導體晶片的，甚至一個字都沒提到是光刻機，它更多地是用於快速製備納米狹縫電極陣列結構。

　　被其他媒體熱炒之後，估計過兩天就能看到中科院方面的闢謠了，類似前兩年那個10nm光刻的新聞一樣。

　　以下是 官方發布的全文 ，有興趣的可以了解下：

　　蘇州納米所聯合國家納米中心在超高精度雷射光刻技術上取得重要進展

　　亞10 nm的結構在集成電路、光子晶片、微納傳感、光電晶片、納米器件等技術領域有著巨大的應用需求（圖1），這對微納加工的效率和精度提出了許多新的挑戰。

　　雷射直寫作為一種高性價比的光刻技術，可利用連續或脈衝雷射在非真空的條件下實現無掩模快速刻寫，大大降低了器件製造成本，是一種有競爭力的加工技術。然而，長期以來雷射直寫技術由於衍射極限以及鄰近效應的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。

　　近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張子暘研究員與國家納米中心劉前研究員合作，在Nano Letters上發表了題為「5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography」的研究論文，報導了一種他們開發的新型5 nm超高精度雷射光刻加工方法（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00978）。 

　　中科院蘇州納米所張子暘研究員團隊長期從事微納加工技術的開發、高速光通信半導體雷射器、超快雷射器等的研製工作（ACS Photonics 6, 1581, 2019; Light. Sci. Appl. 6,17170, 2018; ACS Photonics, 5, 1084，2018, Adv. Opt. Photon., 2, 201, 2010; 授權專利：106449897B）；國家納米中心劉前團隊長期從事微納加工方法及設備的創新研究，發展出了多種新型微納加工方法和技術（專著：Novel Optical Technologies for Nanofabrications; Nano Letters 17,1065,2017; Nature comm. 7,13742,2016; Adv. Mater. 24,3010,2012; 授權專利：美國US 2011/0111331 A1和日本J5558466）。

　　本研究中使用了研究團隊所開發的具有完全智慧財產權的雷射直寫設備，利用了雷射與物質的非線性相互作用來提高加工解析度，其有別於傳統的縮短雷射波長或增大數值孔徑的技術路徑；並打破了傳統雷射直寫技術中受體材料為有機光刻膠的限制，可使用多種受體材料，極大地擴展了雷射直寫的應用場景。

　　本項工作中，研究團隊針對雷射微納加工中所面臨的實際問題出發，很好地解決了高效和高精度之間的固有矛盾，開發的新型微納加工技術在集成電路、光子晶片、微機電系統等眾多微納加工領域展現了廣闊的應用前景。 

　　本工作中，基於光熱反應機理，研究團隊設計開發了一種新型三層堆疊薄膜結構。在無機鈦膜光刻膠上， 採用雙雷射束（波長為405 nm）交疊技術（見圖2a），通過精確控制能量密度及步長，實現了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達到了最小5nm的特徵線寬。

　　此外，研究團隊還利用這種超分辨的雷射直寫技術，實現了納米狹縫電極陣列結構的大規模製備（如圖2b-c）。 相較而言，採用常規聚焦離子束刻寫，製備一個納米狹縫電極需要10到20分鐘，而利用本文開發的雷射直寫技術，可以一小時製備約5×105個納米狹縫電極，展示了可用於大規模生產的潛力。 


圖2 雙束交疊加工技術示意圖（左）和5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）。 

　　納米狹縫電極作為納米光電子器件的基本結構，有著極為廣泛的應用。

　　在本研究中，該團隊還利用發展的新技術製備出了納米狹縫電極為基本結構的多維度可調的電控納米SERS傳感器。可在傳感器一維方向上對反應「熱點」完成定點可控，實現了類似邏輯門「0」、「1」信號的編碼和重複（圖3a-b），並可通過狹縫間距和外加電壓的改變，實現了對反應「熱點」強度的精確可調（圖3c-d），這對表面科學和痕量檢測等研究有著重要的意義。 


圖3 （a）納米SERS傳感器的光學顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號譜；（c）不同寬度下拉曼信號譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號譜。 

　　該論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國科學技術大學聯合培養碩士研究生秦亮。中科院蘇州納米所與蘭州大學聯合培養的博士研究生黃源清和青島大學物理學院夏峰為文章的共同第一作者。

　　張子暘研究員和劉前研究員為論文的通訊作者。本工作得到了國家重點研究計劃項目(2016YFA0200403)、國家自然科學基金(No.62875222、11874390、51971070)、Eu-FP7項目(No.247644)、中國博士後科學基金(2017M612182)的支持。 

　　【來源：快科技】【作者：憲瑞】

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