國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，又迎好消息。
近日，據(jù)中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸研究員，與國(guó)家納米科學(xué)中心劉前研究員合作，在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上發(fā)表了題為《超分辨率激光光刻技術(shù)制備 5nm 間隙電極和陣列》（5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography）的研究論文，論文講述了該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型 5 nm 超高精度激光光刻加工方法。
據(jù)悉，《納米快報(bào)》是由美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)出版的每月經(jīng)同行評(píng)審的科學(xué)雜志，其成立于 2001 年 1 月，該期刊涵蓋了納米科學(xué)和納米技術(shù)及其子學(xué)科的各個(gè)方面。
本次論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生秦亮。中科院蘇州納米所與蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生黃源清、和青島大學(xué)物理學(xué)院夏峰為論文共同第一作者。 張子旸研究員和劉前研究員， 為論文的通訊作者。
目前，本工作已經(jīng)獲得國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、Eu-FP7 項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
微納加工的效率和精度有待提升
當(dāng)前，亞 10nm 結(jié)構(gòu)在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術(shù)領(lǐng)域，有著巨大的應(yīng)用需求，因此微納加工的效率和精度也必須有所提升。
 
圖 | 亞 10nm 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域和方向
具體來(lái)說(shuō)，微納加工包括微制造和納制造兩個(gè)方面。而微制造主要包含兩種工藝方式，一種是基于半導(dǎo)體制造工藝的光刻技術(shù)、LIGA 技術(shù)和鍵合技術(shù)等，另一種是機(jī)械微加工。
而激光直寫(xiě)正是一種高性價(jià)比光刻技術(shù)，其可以利用連續(xù)激光或脈沖激光，在非真空條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)掩?？焖倏虒?xiě)，使用這種技術(shù)，器件制造成本相對(duì)會(huì)更低。
然而，長(zhǎng)期以來(lái)，激光直寫(xiě)技術(shù)由于衍射極限、以及鄰近效應(yīng)的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。
在本次研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用了他們開(kāi)發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光直寫(xiě)設(shè)備，并利用激光與物質(zhì)的非線性相互作用，來(lái)提高加工分辨率。
這有別于傳統(tǒng)的縮短激光波長(zhǎng)、或增大數(shù)值孔徑的技術(shù)路徑，并打破了傳統(tǒng)激光直寫(xiě)技術(shù)中、受體材料為有機(jī)光刻膠的限制。該團(tuán)隊(duì)在研究中，使用了多種受體材料，極大擴(kuò)展了激光直寫(xiě)的應(yīng)用場(chǎng)景。
此外，研究團(tuán)隊(duì)從激光微納加工中的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，很好地解決了高效率和高精度之間的固有矛盾，并開(kāi)發(fā)出新型微納加工技術(shù)，該技術(shù)在集成電路、光子芯片和微機(jī)電系統(tǒng)等眾多微納加工領(lǐng)域，都擁有著廣闊應(yīng)用前景。
在本次研究中，研究人員基于光熱反應(yīng)機(jī)理，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一種新型三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)。
在無(wú)機(jī)鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長(zhǎng)為 405 nm）交疊技術(shù)，通過(guò)精確控制能量密度及步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了 1/55 衍射極限的突破（NA=0.9），達(dá)到了最小 5 nm 的特征線寬。
研究團(tuán)隊(duì)還利用上述具有超分辨的激光直寫(xiě)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了納米狹縫電極陣列結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備。
相較而言，采用常規(guī)聚焦離子束刻寫(xiě)的方式，制備一個(gè)納米狹縫電極需要 10 到 20 分鐘，而利用本文開(kāi)發(fā)的激光直寫(xiě)技術(shù)，一小時(shí)就能制備約 5×10 5 個(gè)納米狹縫電極，其大規(guī)模的生產(chǎn)潛力非常大。
 
圖 | 雙束交疊加工技術(shù)示意圖（左）和 5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）
納米狹縫電極，作為納米光電子器件的基本結(jié)構(gòu)，有著極為廣泛的應(yīng)用。
該團(tuán)隊(duì)還利用新技術(shù)，制備出以納米狹縫電極作為基本結(jié)構(gòu)的、多維度可調(diào)的電控納米 SERS 傳感器（SERS 一般指表面增強(qiáng)拉曼，Surface-Enhanced Raman Scattering，簡(jiǎn)稱 SERS）。
并能做到在傳感器一維方向上，對(duì)反應(yīng) “熱點(diǎn)” 完成定點(diǎn)可控，實(shí)現(xiàn)類似邏輯門(mén) “0”、“1” 信號(hào)的編碼和重復(fù)，并可通過(guò)狹縫間距、和外加電壓的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng) “熱點(diǎn)” 強(qiáng)度的精確可調(diào)，這對(duì)表面科學(xué)和痕量檢測(cè)等研究有著重要的意義。
 
圖 | （a）納米 SERS 傳感器的光學(xué)顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號(hào)譜；（c）不同寬度下拉曼信號(hào)譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號(hào)譜
據(jù)方正證券《光刻機(jī)行業(yè)研究框架——專題報(bào)告》顯示，光刻機(jī)作為前道工藝七大設(shè)備之首（光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、鍍膜設(shè)備、量測(cè)設(shè)備、清洗機(jī)、離子注入機(jī)、其他設(shè)備），價(jià)值含量極大，在制造設(shè)備投資額中單項(xiàng)占比高達(dá) 23%。
同時(shí)，光刻機(jī)的技術(shù)要求極高，涉及精密光學(xué)、精密運(yùn)動(dòng)、高精度環(huán)境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。業(yè)界普遍認(rèn)為，光刻機(jī)是人類文明的智慧結(jié)晶，其還被譽(yù)為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠。
光刻機(jī)分為前道光刻機(jī)和后道光刻機(jī)，前者用于芯片制造，大家熟知的 ASML 的光刻機(jī)便是前道光刻機(jī)；后道光刻機(jī)則主要用于芯片封裝。
目前，全球前道光刻機(jī)被 ASML、尼康、佳能完全壟斷，CR3（業(yè)務(wù)規(guī)模前三名的公司所占的市場(chǎng)份額）高達(dá) 99%。在當(dāng)前局勢(shì)下，實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)替代勢(shì)在必行，具有重大戰(zhàn)略意義。
中科院已經(jīng)深度布局光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈
中科院在光刻機(jī)核心組件方面早有布局。
比如負(fù)責(zé)曝光光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)春國(guó)科精密光學(xué)技術(shù)有限公司，其背后大股東正是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，第三大股東則是中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所。
此外，國(guó)科精密通過(guò)承擔(dān) “國(guó)家科技重大專項(xiàng) 02 專項(xiàng)” 核心光學(xué)任務(wù)，建成了國(guó)際水平的超精密光機(jī)系統(tǒng)研發(fā)與制造平臺(tái)。2016 年，國(guó)科精密研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套用于高端 IC 制造的 NA0.75 投影光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)順利交付用戶，標(biāo)志著我國(guó)超精密光學(xué)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
負(fù)責(zé)光源系統(tǒng)的北京科益虹源光電技術(shù)有限公司，其背后也有中科院的身影：大股東是中國(guó)科學(xué)院光電研究院，第五大股東則是中國(guó)科學(xué)院微電子研究所。
與此同時(shí)，科益虹源也是中國(guó)唯一、世界第三家高能準(zhǔn)分子激光器研發(fā)制造企業(yè)，2018 年自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)成功后，打破了國(guó)外廠商對(duì)該技術(shù)產(chǎn)品的長(zhǎng)期壟斷。
 
圖 | 科益虹源生產(chǎn)的光刻用準(zhǔn)分子激光器
負(fù)責(zé)物鏡系統(tǒng)的北京國(guó)望光學(xué)科技有限公司，其第二大股東和第五大股東，分別是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、和中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所。
國(guó)望光學(xué)研發(fā)的我國(guó)首套 90nm 節(jié)點(diǎn) ArF 投影光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)，已于 2016 年順利交付，此項(xiàng)成果標(biāo)志著我國(guó)超精密光學(xué)技術(shù)已全面形成、并躋身國(guó)際先進(jìn)行列。該公司所承接的 110nm 節(jié)點(diǎn) KrF 光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)工作，也已接近尾聲。
值得注意的是，中科院背后這些公司之間的關(guān)系也很緊密。例如，國(guó)望光學(xué)是國(guó)科精密的間接股東。