光刻制造技术上取得进展 国产光刻机能否在高端领域弯道超车

　　光刻机是集成电路制造的关键核心设备，为了在更小的物理空间集成更多的电子元件，单个电路的物理尺寸越来越小，主流光刻机在硅片上投射的光刻电路分辨率达到50-90nm。由于光波衍射的缘故，光刻电路是一个弥散的光斑，其特征尺寸大约是光波长的一半，更小特征尺寸的光刻电路意味着更高的光刻分辨率。为了得到更高的分辨率，目前主流光刻技术的发展局限于在光学衍射极限范围内不断缩短所用光源的波长，其代价非常昂贵。今天光刻机被称为“人类最精密复杂的机器”，荷兰ASML公司EUV光刻机售价高达1亿美元，而且只有ASML能够生产。

　　国内目前还没有安装ASML EUV机台，国产光刻机技术上与之差距太大，根本无法在高端市场上参与竞争，严重制约了我国微电子信息工业的发展。根据媒体报道，近年来我国每年集成电路产品进口金额与每年原油进口金额大致相当，每年已经超过2000亿美元，如何改变集成电路制造受制于人的局面是国产光刻机研发的主要目标。

　　2014年10月瑞典皇家诺贝尔奖委员会决定将当年的诺贝尔化学奖授予打破光学衍射极限发明超分辨率光学显微技术的三位科学家，以表彰他们在超分辨率光学成像方面的卓着贡献。其中斯蒂芬？黑尔教授发明的STED超分辨技术采用二束激光，一束激发激光（Exciting Laser Beam）激发显微镜物镜下的荧光物质产生荧光，另外一束中心光强为零的环形淬灭激光（Inhibiting Laser beam）淬灭激发激光产生的荧光。这两束光的中心重合在一起，使得只有处于纳米级环形淬灭激光中心处的荧光分子才能正常发光，通过扫描的办法就可以得到超越衍射极限的光学成像。

　　遵循这个思路，华中科技大学国家光电实验室的甘棕松教授在国外攻读博士学位期间，采用类似方法在光刻制造技术上取得进展，成功突破光学衍射极限，首次在世界范围内实现了创记录的单线9纳米线宽，双线间距低至约50纳米的超分辨光刻。未来将这一技术工程化应用到光刻机上，能够突破光学衍射极限对投射电路尺寸的限制从而实现超分辨光刻，有望使国产集成电路光刻机摆脱一味采用更短波长光源的技术路线。

　　甘棕松教授发明的超分辨纳米光刻技术利用光刻胶双光子吸收特性，采用双束光进行光刻，一束为飞秒脉冲激光，经过扩束整形进入到物镜，聚焦成一个很小的光斑，光刻胶通过双光子过程吸收该飞秒光的能量，发生光物理化学反应引发光刻胶发生固化；另外一束为连续激光，同样经过扩束整形后，进入到同一个物镜里，聚焦形成一个中心为零的空心状光斑，与飞秒激光光斑的中心空间重合，光刻胶吸收该连续光的能量，发生光物理化学反应，阻止光刻胶发生固化。两束光同时作用，最终只有连续光空心光斑中心部位的地方被固化。甘棕松教授目前已经把空心光斑中心部位最小做到9nm，至此突破光学衍射极限的超分辨光刻技术在常规光刻胶上得以完美实现。

　　采用超分辨的方法突破光学衍射的限制，将光聚集到更小的尺寸，应用到集成电路光刻可以带来两个方面的好处：一方面可以实现更高的分辨率，不再需要采用更短波长的光源，使得光刻机系统造价大大降低；另外一方面采用可见光进行光刻，可以穿透普通的材料，工作环境要求不高，摆脱EUV光源需要真空环境、光刻能量不足的羁绊。

　　与动辄几千万美元的主流光刻机乃至一亿美元售价的EUV光刻机相比，超分辨光刻硬件部分只需要一台飞秒激光器和一台普通连续激光器，成本只是主流光刻机的几分之一。该系统运行条件比紫外光刻温和得多，不需要真空环境，不需要特殊的发光和折光元器件，和一般光刻系统相比，该系统仅仅是引入了第二束光，系统光路设计上改动比较小，光刻机工程化应用相对容易，有希望使国产光刻机在高端领域弯道超车、有所突破。