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光学衍射极限与国产光刻机

时间:2019-02-11 作者:光学小豆芽 阅读:
去年年底关于国产光刻机的报道刷爆了朋友圈,大概内容是中国院一研究组成功研制了基于表面等离子体技术(surface plama)的光刻机,其使用365nm的光源实现了20nm分辨率的光刻技术,突破了光学衍射极限。这篇笔记主要介绍下相关的技术。

去年年底关于国产光刻机的报道刷爆了朋友圈,大概内容是中国院一研究组成功研制了基于表面等离子体技术(surface plama)的光刻机,其使用365nm的光源实现了20nm分辨率的光刻技术,突破了光学衍射极限。这篇笔记主要介绍下相关的技术。

先聊一聊光学衍射极限。对于理想的成像系统,一个点所成的像仍然是一个完美的点。但实际光学系统中的透镜并不是理想的,具有一定的孔径大小,由此导致所成的像不是一个点,而是一个艾里斑(airy desk), 如左图所示。对于两个距离较近的点,所成的光斑也距离比较近。能够区分两个光斑的最小距离,就是所谓的分辨率,如右图所示。

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(图片来自http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/basics/resolution.html)

光学分辨率的数学表达式为,

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其中lambda为光源波长,NA为数值孔径。因此,为了提高分辨率,主要途径包括使用更短波长的光源(紫外光,极紫外光,X射线等)、浸没式光刻(光学镜头与光刻胶之间填充液体,用于提高折射率)等。例如采用193nm的紫外光源,水的折射率为1.3左右,所能实现的分辨率为65nm左右,采用多重曝光技术,进一步可实现32nm的分辨率。

为了克服衍射极限的限制,达到更小的光学分别率,研究人员提出了多种方案,基于表面等离子激元的光刻技术是其中之一。所谓表面等离激元,是指在金属/电介质表面,金属表面电子与入射的光子相互作用,电子发生集体振荡,产生沿着金属表面传输的一种电磁波,  如下图所示,

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(图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plasmon)

在垂直于金属表面方向,电磁波以消逝波的形式存在于金属表面附近,具有近场局域的性质。报道中的超分辨率光刻机正是基于这一原理。鉴于相关报道中并没有提及SP光刻机的具体结构图,这里从文献里摘选几幅相关的结构图,用于参考。典型的结构有:

1)基于SP干涉结构

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(图片来自https://www.nature.com/articles/srep05618)

铝制备成光栅结构,光刻胶中形成两束传播方向相反的SP,两者发生干涉,进而得到想要的光刻图案。

2)SP成像光刻

该方案基于表面等离激元的特殊微纳结构,形成完美透镜、超透镜等结构,克服光学衍射效应,进而构建高分辨率的成像系统, 如下图所示,

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(图片来自文献1)

3)SP直写

典型结构如下图所示,将SP透镜放置在一个靠空气浮力支撑的飞行头上。通过移动飞行头,光斑在基片上移动,从而形成想要的光刻图案。

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(图片来自文献1)

这里列出一篇SP光刻的review文章 https://www.mdpi.com/2072-666X/7/7/118,感兴趣的朋友可以参考下。

以上是对光学衍射极限、SP光刻技术的一点介绍。关于这个事件,国内的媒体总是喜欢夸大报道,不能够务实、准确地进行报道,总喜欢用“弯道超车”这类的字眼。就以SP光刻技术来说,稍微搜索下文献,就可以看到国外在多年前就开始了相关的研究。氛围还是太浮躁,得静下心来做事,积累技术。唯有如此,国家才有希望。落后需要追赶,而不是跑几步就想着超车。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望大家不吝指出,欢迎大家留言讨论。

参考文献:

1. C. Wang, et.al., "Plasmonic Structures, Materials and Lenses for Optical Lithography beyond the Diffraction Limit: A Review " , mircomachines 7, 118(2016)

(本文授权转载自微信公众号:光学小豆芽;转载请联系作者本人

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