光學衍射極限與國產光刻機

2020-12-08 EDN電子設計技術

去年年底關於國產光刻機的報導刷爆了朋友圈，大概內容是中國院一研究組成功研製了基於表面等離子體技術（surface plama）的光刻機，其使用365nm的光源實現了20nm解析度的光刻技術，突破了光學衍射極限。這篇筆記主要介紹下相關的技術。QiYednc

先聊一聊光學衍射極限。對於理想的成像系統，一個點所成的像仍然是一個完美的點。但實際光學系統中的透鏡並不是理想的，具有一定的孔徑大小，由此導致所成的像不是一個點，而是一個艾裡斑(airy desk), 如左圖所示。對於兩個距離較近的點，所成的光斑也距離比較近。能夠區分兩個光斑的最小距離，就是所謂的解析度，如右圖所示。QiYednc

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（圖片來自http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/basics/resolution.html）QiYednc

光學解析度的數學表達式為，QiYednc

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其中lambda為光源波長，NA為數值孔徑。因此，為了提高解析度，主要途徑包括使用更短波長的光源（紫外光，極紫外光，X射線等）、浸沒式光刻（光學鏡頭與光刻膠之間填充液體，用於提高折射率）等。例如採用193nm的紫外光源，水的折射率為1.3左右，所能實現的解析度為65nm左右，採用多重曝光技術，進一步可實現32nm的解析度。QiYednc

為了克服衍射極限的限制，達到更小的光學分別率，研究人員提出了多種方案，基於表面等離子激元的光刻技術是其中之一。所謂表面等離激元，是指在金屬/電介質表面，金屬表面電子與入射的光子相互作用，電子發生集體振蕩，產生沿著金屬表面傳輸的一種電磁波,  如下圖所示，QiYednc

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(圖片來自https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plasmon)QiYednc

在垂直於金屬表面方向，電磁波以消逝波的形式存在於金屬表面附近，具有近場局域的性質。報導中的超解析度光刻機正是基於這一原理。鑑於相關報導中並沒有提及SP光刻機的具體結構圖，這裡從文獻裡摘選幾幅相關的結構圖，用於參考。典型的結構有：QiYednc

1）基於SP幹涉結構QiYednc

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（圖片來自https://www.nature.com/articles/srep05618）QiYednc

鋁製備成光柵結構，光刻膠中形成兩束傳播方向相反的SP，兩者發生幹涉，進而得到想要的光刻圖案。QiYednc

2）SP成像光刻QiYednc

該方案基於表面等離激元的特殊微納結構，形成完美透鏡、超透鏡等結構，克服光學衍射效應，進而構建高解析度的成像系統， 如下圖所示，QiYednc

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（圖片來自文獻1）QiYednc

3）SP直寫QiYednc

典型結構如下圖所示，將SP透鏡放置在一個靠空氣浮力支撐的飛行頭上。通過移動飛行頭，光斑在基片上移動，從而形成想要的光刻圖案。QiYednc

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（圖片來自文獻1）QiYednc

這裡列出一篇SP光刻的review文章 https://www.mdpi.com/2072-666X/7/7/118，感興趣的朋友可以參考下。QiYednc

以上是對光學衍射極限、SP光刻技術的一點介紹。關於這個事件，國內的媒體總是喜歡誇大報導，不能夠務實、準確地進行報導，總喜歡用「彎道超車」這類的字眼。就以SP光刻技術來說，稍微搜索下文獻，就可以看到國外在多年前就開始了相關的研究。氛圍還是太浮躁，得靜下心來做事，積累技術。唯有如此，國家才有希望。落後需要追趕，而不是跑幾步就想著超車。QiYednc

文章中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言討論。QiYednc

參考文獻：QiYednc

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1. C. Wang, et.al., "Plasmonic Structures, Materials and Lenses for Optical Lithography beyond the Diffraction Limit: A Review " , mircomachines 7, 118(2016)QiYednc

（本文授權轉載自微信公眾號：光學小豆芽；轉載請聯繫作者本人）QiYednc

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