我國新一代超分辨光刻機通過驗收

作為集成電路產業中最關鍵的基礎裝備之一，光刻機在國內有著巨大的市場潛力，但高端光刻裝備一直被國外所壟斷，研製出國產化的光刻機一直是中國微納加工領域幾代科學家的“最大夢想”。

11月29日，中國科學家在實現夢想的路上邁出了關鍵一步。

由中國科學院光電技術研究所（以下簡稱光電所）承擔的國家重大科研裝備研製項目“超分辨光刻裝備研製”通過驗收，這是世界上首臺用紫外光實現了22nm分辨率的超分辨光刻裝備，為納米光學加工提供了全新的解決途徑。

突破分辨力衍射極限

《科學》雜誌曾提出本世紀125個最具挑戰性的科學問題，其中第40個問題涉及能否大幅突破衍射極限製造完美光學透鏡。

光學光刻作為主流的光學制造技術，由於衍射極限的限制，這成為光刻機技術發展的主要技術瓶頸，同時導致光學光刻裝備成本極高。

而另一類電子束、離子束直寫技術，雖然分辨率能達到10nm量級，但效率極低，難以用於批量生產器件。

在這項世界性的難題面前，光電所率先實現了突破。

光電所所長羅先剛告訴《中國科學報》記者：“2003年光電所在國際上率先發現了異常楊氏雙縫干涉現象，揭示了亞波長結構中存在一種超構表面波，其等效波長可以調製到軟X射線尺度，為突破衍射極限提供了全新的原理方法和直接的手段。”

對於這項超分辨光刻技術的提出，中科院院士周光召曾評價：“這些成果是基礎理論和工程應用緊密結合的全鏈條創新典範，是我國具有原創性、能引起國際引領作用的代表性工作。”

在光電所的努力下，中國的光刻機研製跳出了縮小波長、增大數值口徑來提高分辨力的老路子，為突破22nm甚至10nm光刻節點提供了一種全新的技術，也為超分辨光刻裝備提供了理論基礎。

驗收專家組表示：“項目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發新路線，繞過了國外高分辨光刻裝備技術知識產權壁壘，實現了我國技術源頭創新，研製出了擁有自主知識產權、技術自主可控的超分辨光刻裝備。該裝備是世界上首臺分辨力最高（22nm@365nm）超分辨光刻裝備。”

開闢“新”光刻技術和裝備

為什麼這臺光刻裝備採用了新的原理和技術？

光電所研究員、項目副總設計師胡鬆告訴記者，採用傳統技術的光刻機不僅受知識產權保護，還有諸多技術壁壘。在沒有國外成熟經驗可借鑑的情況下，項目成員想要開闢一條新路徑。

2012年，光電所承擔了國家重大科研裝備——超分辨光刻裝備項目。

經過近7年艱苦攻關，項目組突破了高均勻性照明，超分辨光刻鏡頭，納米級分辨力檢焦及間隙測量，超精密、多自由度工件臺及控制等關鍵技術，完成了裝備研製。

這臺裝備採用365nm波長光源，單次曝光最高線寬分辨力達到22nm。對此，胡鬆打了一個比方：“這相當於我們用很粗的刀，刻出一條很細的線。”

回憶這7年的攻關時刻，胡鬆告訴記者，一開始項目成員有些“不相信能做出這臺設備”。但隨著項目組先後實現了50nm、45nm、32nm超分辨成像光刻結果，大家的信心越來越堅定。

“我最激動的時候是去年7、8月份，當時我們做出了10nm×10nm的多場重複曝光，這意味著技術已經逐漸成熟。”胡鬆說。

在此基礎上，項目組結合項目開發的高深寬比刻蝕、多重圖形等配套工藝，實現了10nm以下特徵尺寸圖形的加工。

該項目目前已獲得了授權國內發明專利47項，國外發明專利4項，擁有完全自主知識產權。

解決產業應用難題

在當前的集成電路生產線上，193nm深紫外光刻機和EUV極紫外光刻機對中國處於封鎖狀態，而這臺超分辨光刻裝備，解決了紫外光刻機的機理、裝備和工藝問題。

“這讓我國在高端光刻機技術方面突破封鎖，並在逐步實現產業化方面有了從0到1的跨越。”胡鬆表示。

現在微納光刻技術是現代先進製造的重要方向，是信息、材料等諸多領域的核心技術。

與此同時，光學超材料、變革性光學等的出現，迫切需要發展專用的微納製造工具。

面對實際應用需求，項目組通過技術的延伸，解決了多種微納功能材料和器件的加工難題，並實現了相關器件的製造。

例如在生化傳感芯片方面，通過超分辨光刻裝備製備的納米傳感器件，可以實現對目標分子的高靈敏探測，避免檢測過程中的接觸汙染，在早期癌症診斷技術方面實現突破。

驗收專家表示，利用超分辨光刻裝備，項目組為航天科技集團第八研究院、中科院上海微系統與信息技術研究所、電子科技大學、四川大學華西二院、重慶大學等多家單位制備了一系列納米功能器件，包括大口徑薄膜鏡、超導納米線單光子探測器、切倫科夫輻射器件、生化傳感芯片、超表面成像器件等，驗證了超分辨光刻裝備納米功能器件加工能力，已達到實用化水平。

驗收專家一致認為：“這項裝備形成了一條全新的納米光學光刻技術路線，具有完全自主知識產權，為超材料/超表面、第三代光學器件、廣義芯片等變革性戰略領域的跨越式發展提供了製造工具。”

《中國科學報》 (2018-11-30 第1版 要聞)

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