国产光刻机崛起!中科院开发新型5nm超高精度激光光刻加工方法

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国产光刻机崛起!中科院开发新型5nm超高精度激光光刻加工方法
麻省理工科技评论 2020-07-09

2020-07-09

在当前局势下,实现光刻机的国产替代势在必行,具有重大战略意义。
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在当前局势下,实现光刻机的国产替代势在必行,具有重大战略意义。

国产光刻机产业链,又迎好消息。

近日,据中国微米纳米技术学会报道,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员,与国家纳米科学中心刘前研究员合作,在《纳米快报》(Nano Letters)上发表了题为《超分辨率激光光刻技术制备 5nm 间隙电极和阵列》(5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography)的研究论文,论文讲述了该团队开发的新型 5 nm 超高精度激光光刻加工方法。

据悉,《纳米快报》是由美国化学学会出版的每月经同行评审的科学杂志,其成立于 2001 年 1 月,该期刊涵盖了纳米科学和纳米技术及其子学科的各个方面。

本次论文第一作者为中科院苏州纳米所与中国科学技术大学联合培养硕士研究生秦亮。中科院苏州纳米所与兰州大学联合培养的博士研究生黄源清、和青岛大学物理学院夏峰为论文共同第一作者。张子旸研究员和刘前研究员,为论文的通讯作者。

目前,本工作已经获得国家重点研究计划项目、国家自然科学基金、Eu-FP7 项目和中国博士后科学基金的支持。

微纳加工的效率和精度有待提升

当前,亚 10nm 结构在集成电路、光子芯片、微纳传感、光电芯片、纳米器件等技术领域,有着巨大的应用需求,因此微纳加工的效率和精度也必须有所提升。

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图 | 亚 10nm 结构的应用领域和方向

具体来说,微纳加工包括微制造和纳制造两个方面。而微制造主要包含两种工艺方式,一种是基于半导体制造工艺的光刻技术、LIGA 技术和键合技术等,另一种是机械微加工。

而激光直写正是一种高性价比光刻技术,其可以利用连续激光或脉冲激光,在非真空条件下实现无掩模快速刻写,使用这种技术,器件制造成本相对会更低。

然而,长期以来,激光直写技术由于衍射极限、以及邻近效应的限制,很难做到纳米尺度的超高精度加工。

在本次研究中,研究团队使用了他们开发的具有完全知识产权的激光直写设备,并利用激光与物质的非线性相互作用,来提高加工分辨率。

这有别于传统的缩短激光波长、或增大数值孔径的技术路径,并打破了传统激光直写技术中、受体材料为有机光刻胶的限制。该团队在研究中,使用了多种受体材料,极大扩展了激光直写的应用场景。

此外,研究团队从激光微纳加工中的实际问题出发,很好地解决了高效率和高精度之间的固有矛盾,并开发出新型微纳加工技术,该技术在集成电路、光子芯片和微机电系统等众多微纳加工领域,都拥有着广阔应用前景。

在本次研究中,研究人员基于光热反应机理,设计并开发出一种新型三层堆叠薄膜结构。

在无机钛膜光刻胶上,采用双激光束(波长为 405 nm)交叠技术,通过精确控制能量密度及步长,实现了 1/55 衍射极限的突破(NA=0.9),达到了最小 5 nm 的特征线宽。

研究团队还利用上述具有超分辨的激光直写技术,实现了纳米狭缝电极阵列结构的大规模制备。

相较而言,采用常规聚焦离子束刻写的方式,制备一个纳米狭缝电极需要 10 到 20 分钟,而利用本文开发的激光直写技术,一小时就能制备约 5×105个纳米狭缝电极,其大规模的生产潜力非常大。

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图 | 双束交叠加工技术示意图(左)和 5 nm 狭缝电极电镜图(右)

纳米狭缝电极,作为纳米光电子器件的基本结构,有着极为广泛的应用。

该团队还利用新技术,制备出以纳米狭缝电极作为基本结构的、多维度可调的电控纳米 SERS 传感器(SERS 一般指表面增强拉曼,Surface-Enhanced Raman Scattering,简称 SERS)。

并能做到在传感器一维方向上,对反应 “热点” 完成定点可控,实现类似逻辑门 “0”、“1” 信号的编码和重复,并可通过狭缝间距、和外加电压的改变,实现对反应 “热点” 强度的精确可调,这对表面科学和痕量检测等研究有着重要的意义。

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图 | (a)纳米 SERS 传感器的光学显微镜图;(b)一维线性扫描下拉曼信号谱;(c)不同宽度下拉曼信号谱;(d)不同外加电压下拉曼信号谱

据方正证券《光刻机行业研究框架——专题报告》显示,光刻机作为前道工艺七大设备之首(光刻机、刻蚀机、镀膜设备、量测设备、清洗机、离子注入机、其他设备),价值含量极大,在制造设备投资额中单项占比高达 23%。

同时,光刻机的技术要求极高,涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项先进技术。业界普遍认为,光刻机是人类文明的智慧结晶,其还被誉为半导体工业皇冠上的明珠。

光刻机分为前道光刻机和后道光刻机,前者用于芯片制造,大家熟知的 ASML 的光刻机便是前道光刻机;后道光刻机则主要用于芯片封装。

目前,全球前道光刻机被 ASML、尼康、佳能完全垄断,CR3(业务规模前三名的公司所占的市场份额)高达 99%。在当前局势下,实现光刻机的国产替代势在必行,具有重大战略意义。

中科院已经深度布局光刻机产业链

中科院在光刻机核心组件方面早有布局。

比如负责曝光光学系统的长春国科精密光学技术有限公司,其背后大股东正是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,第三大股东则是中国科学院上海光学精密机械研究所。

此外,国科精密通过承担 “国家科技重大专项 02 专项” 核心光学任务,建成了国际水平的超精密光机系统研发与制造平台。2016 年,国科精密研发的国内首套用于高端 IC 制造的 NA0.75 投影光刻机物镜系统顺利交付用户,标志着我国超精密光学技术已经达到国际先进水平。

负责光源系统的北京科益虹源光电技术有限公司,其背后也有中科院的身影:大股东是中国科学院光电研究院,第五大股东则是中国科学院微电子研究所。

与此同时,科益虹源也是中国唯一、世界第三家高能准分子激光器研发制造企业,2018 年自主研发设计生产成功后,打破了国外厂商对该技术产品的长期垄断。

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图 | 科益虹源生产的光刻用准分子激光器

负责物镜系统的北京国望光学科技有限公司,其第二大股东和第五大股东,分别是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、和中国科学院上海光学精密机械研究所。

国望光学研发的我国首套 90nm 节点 ArF 投影光刻机曝光光学系统,已于 2016 年顺利交付,此项成果标志着我国超精密光学技术已全面形成、并跻身国际先进行列。该公司所承接的 110nm 节点 KrF 光刻机曝光光学系统的产品研发工作,也已接近尾声。

值得注意的是,中科院背后这些公司之间的关系也很紧密。例如,国望光学是国科精密的间接股东。

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图 | 国望光学与国科精密的关系图(来源:方正证券研究所)

可以想象的是,未来中科院在光刻机方面,必定会有更多成果。尽管光刻机已经成为一个高度垄断的行业,但后起之秀的力量也不可小觑。

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