近年來，隨著芯片制造工藝的不斷提高，光刻技術發展面臨著一些難題，這些難題也影響著芯片行業發展及摩爾定律的持續性。然而，當前主流的極紫外光刻技術已經接近制造極限，需要更先進的技術來突破技術瓶頸。本文綜述了基于雙光束超分辨技術的光刻技術概念，并分析了其優勢和潛力，同時提出了該技術面臨的挑戰和可能的解決方案，指出這種新型光刻技術有望在微納制造領域扮演重要的角色。

芯片是現代電子產品的核心組成部分，扮演著極為重要的角色。從智能手機、平板電腦到筆記本電腦、服務器，再到車載電子、工業自動化設備等領域，芯片都是關鍵的控制中心，為各種設備提供基礎的計算、存儲、通信和控制功能。隨著信息技術的快速發展和智能化程度的提高，芯片在現代社會中的應用領域不斷擴大。芯片的發展也推動了人類社會的不斷進步。例如，在智能手機領域，芯片的發展推動了智能手機不斷提升的計算和圖像處理性能，實現了更為流暢的用戶體驗。在車載電子領域，芯片的應用使得汽車具備了更多的安全和智能功能，提高了駕駛的舒適性和便利性。在工業自動化設備領域，芯片的應用使得生產流程更為智能化和自動化，提高了生產效率和質量。可以說，芯片在現代社會中扮演著不可替代的角色，為各種應用領域提供了強大的支撐和動力。然而，芯片的制造過程非常復雜和困難，需要高難度的技術和設備支持。芯片的設計和制造涉及到材料科學、化學、物理、機械等多個學科領域，需要高精度和高質量的設備和材料來實現。特別是芯片的制造需要使用先進的納米制造工藝，如光刻、化學蝕刻、沉積、離子注入等，每個步驟都需要高精度的設備支持。另外，芯片制造還需要大量的資金和人力投入，從設計到制造、測試、封裝等各個環節都需要經過復雜的流程和檢測。由于芯片制造需要高度技術密集性和巨大的資金投入，目前芯片行業主要由少數幾家巨頭企業壟斷，對中小企業和新創公司來說，要進入芯片行業面臨著極高的門檻和風險。

光刻技術作為微電子工業中的關鍵技術之一，在芯片制造的不同階段都發揮著重要作用。隨著半導體工藝的不斷發展和進步，光刻技術也在不斷演變和完善。光刻技術是集成電路技術的核心，每一次推進都會導致電子信息產業的一次革命。隨著現代科技的快速發展，芯片在現代社會中扮演著越來越重要的角色，而光刻機是制造芯片的核心設備之一。一方面，在芯片制造的過程中，光刻機能夠通過光學技術將芯片設計圖案轉移到光刻膠上，從而實現微電子器件的存儲器、處理器、傳感器等功能。光刻機能夠實現的精度和分辨率決定芯片制造的質量和性能。因此，光刻機對于現代科技和社會的發展具有重要的意義。另一方面，隨著芯片尺寸的不斷縮小和精細程度的不斷提高，其制造工藝也面臨著越來越多的困境，需要光刻技術的發展而有所突破。

芯片制造面臨的困境

芯片越來越小，已經逐漸到達制造工藝的極限。目前主要有2個問題困擾著工業界，一是芯片制造的理論極限（摩爾定律）將要達到，二是芯片制造設備極紫外（extreme ultra-violet，EUV）光刻機的研發難度越來越大。

摩爾定律的瓶頸

摩爾定律的終結問題是目前光刻機面臨的主要挑戰之一。摩爾定律是一個經驗法則：每18~24個月，芯片上集成的晶體管數量會翻倍，而芯片的大小會縮小一半。然而，隨著芯片制造工藝的不斷發展，芯片已經接近制造極限。摩爾定律的極限主要來源于量子效應，當芯片尺寸縮小到10nm左右的時候，柵氧化層僅有10個原子厚，會產生量子隧穿效應，導致晶體管嚴重漏電，進而導致電子產品的壽命縮短。目前，芯片制造技術已經能夠實現最小線寬尺寸在2nm左右的制程工藝，但是這種工藝還處于研究和實驗階段，尚未在商業化生產中得到廣泛應用。當前，主流的商業化芯片制造工藝一般能夠實現7nm、5nm、3nm等級的微細線寬制造。盡管現代芯片的制造技術已經達到了如此高的精度，但是由于制造難度增加，以及成本和復雜度的逐步上升，實現更小的線寬尺寸仍然具有相當的挑戰性。

EUV光刻機的制造極限及高昂造價

光刻機能夠實現的精度和分辨率決定芯片制造的質量和性能。隨著芯片的單位存儲密度的提升，對光刻機的光源要求越來越高，隨著所用光源改進和工藝創新，光刻機經歷了5代產品發展，每次改進和創新都顯著提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。光刻機的技術迭代歷程及分辨率的變化如表1所示。

表1 光刻機技術迭代歷程及分辨率變化

接觸式光刻機是第1代光刻機，其工作原理是將掩模（mask）和光刻膠（photoresist）直接接觸，通過紫外線曝光、顯影等步驟，將掩模上的圖案轉移至光刻膠上，形成所需的圖案結構。需要注意的是，接觸式光刻機的分辨率受到掩模和光刻膠接觸力的限制，而且在多次使用中，掩模和光刻膠的磨損會影響其精度和穩定性。因此，現代已經發展到非接觸式光刻機，其分辨率和穩定性都有了很大的提升。第2代接近式光刻機是一種非接觸式光刻機，其工作原理是通過控制光刻膠與掩模之間的距離和光的入射角度，將掩模上的圖案結構轉移到光刻膠上，形成所需的圖案結構。相對于第1代接觸式光刻機，第2代接近式光刻機分辨率、重復精度、生產效率更高，但是成本也較高，對掩模和光刻膠的要求更高，且易受震動和環境干擾的影響。第3代掃描投影式光刻機（KrF）是一種基于投影方式的光刻機，采用248nm的KrF準分子激光光源，工作原理是使用一個透鏡將掩模上的微觀圖案投射到光刻膠上，通過對光的控制和透鏡的移動，可以形成所需的微觀結構。第3代掃描投影式光刻機相對于第2代接近式光刻機，可以使用更高質量的透鏡和更精細的光控制技術，把光刻技術推進到深亞微米及百納米級，從而進一步提高了分辨率。其缺點是成本較高，對光學系統的要求更高，易受環境干擾的影響。第4代光刻機分為步進掃描投影式光刻機和浸入步進式光刻機（ArF），原理和前幾代光刻機相似，都是利用EUV光源照射光刻膠，并通過透鏡將芯片圖案投影到芯片表面上。第4代步進掃描投影式光刻機的工作原理是將芯片圖案分成許多小的區域，逐個區域進行處理。光源照射到一個小的區域，通過透鏡將圖案投影到光刻膠上。然后，逐漸移動透鏡和芯片，以處理整個芯片圖案。其采用193nm的ArF準分子激光光源，可以實現光刻過程中掩模和硅片的同步移動。同時，該技術還能將掩模圖像投影到硅片上，進行分步重復曝光，從而將芯片的最小工藝節點提升一個臺階，將工藝推進至130~180nm。但是第4代步進式掃描投影光刻機需要高度精確的控制系統和運動控制，因此復雜性非常高。后期為了進一步提升分辨率，引入了浸沒式光刻技術形成浸入步進式光刻機，即將某種液體充滿在投影物鏡與硅片之間增加系統的數值孔徑，可以將193nm光刻延伸到45nm節點以下。第5代EUV光刻機使用EUV光源（波長為13.5nm）來照射光刻膠，通過透鏡將圖案縮小到芯片表面上，工藝可以推進至3~7nm，并且通過多個光學元件將圖案投影到光刻膠上，然后，逐漸移動光學元件和芯片，以處理整個芯片圖案。與以往的光刻機相比，EUV光刻機具有更高的分辨率、更快的處理速度和更低的制造成本。但是EUV光刻機的缺點是EUV光源的波長很短，因此需要使用非常精確的光學元件來將光線投影到光刻膠上。這些光學元件容易受到強光的損壞，因此需要定期更換。EUV光刻機對環境要求非常高，需要在真空環境中運行，增加了維護和操作成本。值得注意的是，由于制造高分辨光刻機的工藝越來越復雜，目前第5代EUV光刻機的生產廠家僅有荷蘭的阿斯麥爾公司，用于生產7nm工藝的EUV光刻機零件達10萬多個，這些零件的加工方來自于世界各地。

現在市場上使用的光刻機主要是EUV光刻機，其是一種高端精密儀器，要達到高精度、高速度、高重復性等要求，需要使用高品質的精密機械零件和高性能的光學元件。這些光學元件的成本和制造難度都比較高，因此EUV光刻機的制造成本也相應較高。另外，EUV光刻機具有很高的技術含量，需要使用先進的光學技術和精密的控制系統，同時也需要采用復雜的電子和機械設計來實現高分辨率和高穩定性的光刻圖案處理。這些技術的研發和應用也需要耗費大量的資金和人力，這也是EUV光刻機造價高的原因之一。總之，光刻機是制造微電子芯片的重要設備之一，但是其發展也面臨著一系列的難題。摩爾定律的終結、分辨率和刻蝕速度的瓶頸、制造成本和時間的增加，以及芯片設計的復雜性和精度要求的提高等問題，都需要通過新技術的引入和工藝的改進來解決。

雙光束超分辨光刻技術的技術原理及優勢

雙光束光刻技術與傳統的光刻技術相比具有顯著優勢。電子束光刻（electronic-beam lithography，EBL）可以實現低于100nm的分辨率，這是由于電子束的衍射表現出極短的德布羅意波長（圖1（a））。然而其對光學器件的要求很高，不是一種經濟的光刻方法。基于高數值孔徑物鏡聚焦的光束光刻（optical beam lithography，OBL）技術是三維納米加工的一種有效途徑（圖1（b））。然而，光的衍射特性導致無法在光束光刻技術系統中實現亞衍射或納米分辨率。即使是應用聚合光抑制策略，由于缺乏大的雙光子吸收截面、高機械強度和足夠光抑制功能的光樹脂，也無法實現與電子束光刻相媲美的特征尺寸和分辨率的制造。與單光束光刻技術相比，雙光束光刻技術利用空心圓形狀的抑制光束來抑制空心圓環處寫入光引發的光聚合，從而減小了特征尺寸并提高了分辨率（圖1（c））。雖然寫入光束和抑制光束都會導致光斑尺寸大小會有衍射極限，但雙光束光刻技術制造的特征尺寸和分辨率可以打破雙聚焦光束衍射光斑尺寸的限制。實際上，只要能夠開發出合適的光樹脂，就可以遠遠超過衍射極限。

圖1 電子束光刻（a）、單光束光刻（b）、雙光束光刻（c）技術的比較

雙光束超分辨光刻技術原理來源于受激輻射損耗顯微成像技術（stimulated emission depletion，STED），其基本原理如圖2所示。首先，第2束激發光將艾里斑內的熒光分子從基態S0激發至第一激發態的較高振動態，然而處于較高振動態的電子會通過振動弛豫躍遷至第一激發態的最低振動態S1。隨后，第2束損耗光，將艾里斑周邊處于激發態的熒光分子淬滅激發，從而躍遷至基態的較高振動態，隨后通過振動弛豫回到基態最低振動態S0。由于受激吸收和受激輻射存在平等的競爭關系，即受激吸收過程→S1和受激輻射過程S1→的概率是相同的，但是由于振動弛豫的速率要遠大于熒光輻射速率，因此，處于振動態的電子迅速躍遷回S0而避免出現二次激發，從S1→的受激輻射過程就占絕對優勢。這樣，就只有艾里斑中心處于最低激發態S1的熒光分子能通過自發熒光輻射的過程躍遷至基態S0而自發輻射發射熒光。

圖2 受激輻射顯微成像技術超分辨成像原理

理論上，由于STED損耗光為環狀且其中心強度為零，因此環狀損耗光越強，則由第1束激發光激發的熒光分子所占的區域就越小，其橫向分辨率就越高。在保證激發光聚焦光斑中心處熒光光強不變的情況下，熒光材料在激發光作用下熒光強度分布的半高寬會顯著縮窄，從而提高基于熒光強度分布測量的成像分辨率。受此啟發，將2束不同波長的光通過光路合束，再通過投影物鏡最終作用于特制的光刻膠材料，也可以產生與使用短波長光源時相同甚至更好的光刻分辨率效果，從而大幅度降低研制難度。要實現這一點首先需要選擇2種不同波長的光（圖3），一束激發光作用和EUV光刻機的光源作用一致，目的都是讓光刻膠產生聚合；另一束光是損耗光，是通過相位調制所產生的空心光，作用是將激發光產生的外圍光斑的引發劑淬滅回基態，使得外圍單體不發生聚合反應，這樣就只有2束光聚焦光斑的中心區域發生聚合，因而能夠實現超分辨的寫入效果。2束光需要通過雙色鏡進行合束，雙色鏡在不改變原有第1束光的路徑的前提下，同時可以讓第2束光耦合到原有第1束光的光路中來，并一同進入到光刻投影物鏡。選擇2束光的波長時差距盡可能大，避免產生交叉激發的現象。

圖3 雙光束光刻示意

雙光束光刻技術需要配置特制的光刻膠以對2束光產生不同的響應，對于第1束激發光而言，作用是讓光刻膠產生聚合，并且光強和聚合程度成正比。光刻膠對第2束光的響應要求是在激發光光強不為零的情況下，才對第2束光有抑制曝光作用。因此即便第2束光的光強較強，激發光光強為0時，光刻膠也不響應，此時單體不發生聚合。同時，在第1束光光強不為0的情況下，第2束光光強越強，光刻膠的曝光程度越低。光刻膠材料要想實現2束光的不同響應，關鍵在于引發劑的選擇。因為引發劑是決定單體聚合程度的重要因素，一般情況下引發劑在光的作用下發生激發進而產生激發態中間體（自由基），其再與單體作用發生聚合反應進而產生樹脂固體，顯影后得到目標圖案，這一過程和EUV光刻機的光刻膠作用機理是一致的，且光刻膠的曝光程度與光強成正比，因為光強越強，激發產生的自由基數量越多。但是雙光束超分辨光刻技術的第2束光的作用是將激發態的引發劑分子通過受激輻射的方式，使其躍遷回更低的能級，從而喪失和單體的反應能力。另外，激發波長應選在所用引發劑材料激發譜的峰值波長附近，以保證較好的吸收；抑制光波長應選在所用引發劑材料激發譜的長波拖尾處，以避免損耗光對樣品的二次激發。同時受激輻射使得處于高能態的分子躍遷到低能態，其躍遷的速度與產生受激輻射效果的第2束光的光強成正比，第2束光光強越強，理論上高能態分子躍遷回低能態的比例越高。

值得一提的是，雙光束超分辨光刻技術作為對傳統紫外光刻技術的改良，繼承了后者的大部分基礎設施，實現了技術上的平滑過渡。這種技術通過引入額外的長波光源和光路，對現有的短波長光源進行波長調整，而核心的微縮投影曝光技術保持不變。這樣，在不犧牲已有工業光刻經驗的前提下，能夠以較低成本對產線設備進行升級和替換。在具體實施上，雙光束超分辨光刻技術要么通過改變現有光源的波長并添加新的光路，要么在現有紫外光刻機上直接增加新的光路。新加入的光路在完成投影曝光圖案的調制之后，與第1束光合束，對傳統單光束光刻機不造成任何影響。因此，這項技術能夠充分利用現有的光刻資源。EUV光刻機的優勢是具有更高的光刻分辨、生產效率高、光刻工藝簡單。但是，EUV光刻機也存在許多問題，例如耗能巨大、能量利用率低、光學系統設計與制造復雜，以及將要到達摩爾定律的極限等。雙光束光刻技術在特制的光刻膠中可以得到9nm的分辨率，雖然不及EUV光刻機3~7nm的分辨率，但是設備的搭建簡易，光源為可見光，并且由于EUV光刻機的技術被封鎖，因此，對雙光束超分辨技術的掌握是十分有必要的。

在合束環節，長波光源的引入只需添加一個特殊的雙色鏡，它能夠使第1束光不受影響地通過，同時引導第2束光耦合進入第1束光的光路，共同進入光刻投影物鏡。此方法確保了與現有紫外光刻技術的完全兼容性，避免因技術顛覆帶來的高昂成本問題，從而為工業界接受該技術提供堅實的基礎。因此，在產能、分辨率和套刻精度方面，雙光束超分辨光刻技術水平與現有的EUV光刻機持平，展現出其作為技術升級路徑的可行性和優勢。

雙光束超分辨光刻技術的問題與挑戰

一方面，2束光束的對準是雙光束超分辨光刻技術取得超分辨光刻效果的關鍵，對準涉及到2個方面。一是如何確保2束光的中心完全重合。雙光束超分辨光刻技術采用第2束光的核心目的是對第1束光產生的衍射邊緣進行修正。在一般情況下，將2束光各自產生的光斑對準的關鍵是其相對位置是否對齊。可以通過調整光學系統中的雙色鏡，使得第2束光的位置相對第1束光的位置發生改變，并最終完全對齊。在這個過程中，精確測量每個光斑的位置光強分布，并通過光學系統來調整兩者的相對位置是完全可行的。二是光刻設備隨著時間的推移難以長時間保持對準。在理想狀態下，2個光斑的相對位置是不會發生變化的。然而，光刻設備在受到外界環境，例如振動、溫度改變等多因素的影響時，相對位置可能會發生一定程度的偏移，導致2束光分離。為了解決這一問題，光刻設備的各光學元件的位置移動和形狀改變程度必須降到最低，確保雙光束產生相應的抑制效果。

另一方面，需要配置合適的光刻膠以響應雙光束超分辨設備。雙光束光刻膠一般是短波長光發生聚合反應，而長波長的光對光刻膠不響應，并且抑制短波長光的聚合作用，這使得在可見光區域，當用來對第1束光衍射邊緣進行修正的第2束光的波長選擇更長波長時，這個要求能夠較為容易地滿足。同時通過受激輻射的方法來增加能量去向通道，也能夠確保光刻膠對第2束光響應必須是第1束光光強不為0的情況。然而，雙光束超分辨光刻技術要達到較高的分辨率，要求第2束光的作用效果要很強。但是，如果第2束光的光強很強，會導致膠體出現光學非線性效應（容易產生氣泡），這種由于強光所導致的問題目前已經被筆者所在的團隊解決。但是目前還未探究第1束光是紫外光波長的情況，一旦研制成功，雙光束光刻技術可以完美地與EUV光刻機結合，達到更高的分辨率。

雙光束超分辨光刻設備研發進展

甘棕松課題組一直致力于將雙光束超分辨原理進行應用和成果轉化。2013年，本課題組在使用雙光束超分辨激光直寫設備成功得到了9nm的線寬，并且線中心間距可以達到52nm，研究為這項技術真正突破衍射極限提供了關鍵依據，研究成果被《Nature Nanotechnology》《Nature Materials》等期刊專題評論，“該方法使得（激光制造）的特征尺寸和分辨率突破了光的衍射極限”，并且被多種期刊引用，成為高被引文章。2016年，雙光束光刻設備在三維結構制造方面也取得了重大突破。2019年，團隊對雙光束超分辨光刻設備對提升光存儲的容量和密度進行研究，并取得較好成果。2022年，對投影式雙光束超分辨光刻技術進行了概述。團隊目前專注于雙光束超分辨直寫光刻設備方面的研究及成果轉換，雙光束超分辨直寫光刻設備示意如圖4所示。

圖4 雙光束激光直寫設備示意

雙光束超分辨光刻技術的優勢主要如下。雙光束超分辨光刻技術使用的光源是可見光，可選擇的范圍很廣。在達到同等分辨率的前提下，與EUV光刻機相比，避免了EUV光源的使用，可以大幅度降低光源的研制難度。同時，雙光束超分辨光刻技術的制造成本較低，只在現有的光刻設備基礎上新增1條光路。新增的光路不會影響原有光束路徑，只有在2條光路合束后才會產生分辨效果。在調制好投影曝光圖案之后，與第1束光合束之前，對原有單光束光刻機是沒有影響的。因此，雙光束超分辨光刻技術的改造成本很低，極有利于產品的市場化。對于雙光束超分辨激光直寫設備中的激光器的選擇，自飛秒激光器研發以來，其就以優異的三維制造能力和制造分辨率而被人所熟知。飛秒激光器的作用機理是雙光子吸收，目前飛秒激光器已經實現國產化，設備中的第1束光通常由飛秒激光或者連續激光器產生。而第2束抑制光則由連續激光器產生。一方面，是因為第2束光不能對光刻膠產生聚合，因此光強不宜太強。另一方面，是因為連續激光的價格相對于飛秒激光更低。團隊自行設計了雙色鏡和濾波片，并委托國內鍍膜商進行了加工。還自行研制了機械光開關，開關壽命可以達到3億次以上。零部件國產化程度的提升，大大了降低整機造價。

為了能讓雙光束超分辨設備系統可以集成一體化，團隊已經研發出一套可以將激光器、移動臺、光譜儀等設備集成在一起的系統，大大提高了工作效率。團隊現有專門研發光刻膠材料的研發人員，除了可使用1束飛秒激光和1束連續激光實現雙光束超分辨直寫光刻外，光刻膠還允許2束都是連續激光實現超分辨直寫光刻三維制造。同時光刻膠材料性能穩定，無需特殊處理即可使用。另外，對設備進行了精簡化組裝，縮小了占地面積，增加了防震性能，大大提升了整個系統的穩定性，整臺雙光束激光直寫設備包括激光器、防震裝置、電腦、移動臺等零配件，并且大部分零配件都可以自行生產。設備還預留了空間可以增加其他功能，例如，加入了可以進行微區光譜儀進行光譜測試。雙光束超分辨設備系統從軟件到硬件基本都可以自行研發，實現國產化。

結論

雙光束超分辨光刻技術避免了EUV光的使用，可以在不影響分辨率的情況下大幅度降低研發難度，這為下一代光刻機技術指出了一條新道路。雖然雙光束超分辨激光直寫設備已經實現國產化，但是并不能真正應用于芯片制造，目前的用戶主要集中在科研單位，并沒有實現真正的市場化，并且激光直寫設備的最大問題就是制造速度太慢，因此，希望盡快制造出基于陰陽文互補掩模版的投影式雙光束超分辨光刻設備來提高曝光速度。綜上所述，要完成第6代雙光束超分辨光刻設備的研制和國產化，還需要繼續努力。