中國世界首臺分辨力最高紫外超分辨光刻裝備是吹牛還是真牛?

這次光刻機的技術路線走的是表面等離子激元光刻(plasmonic lithography)

傳統光刻技術,把紫外光照射到掩膜板上,從而把掩膜板上的圖形轉移到光刻膠上。但傳統光刻技術有一個很大的缺陷,那就是衍射極限

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傳統光刻技術

  • 0. 衍射極限的烏雲

1873 年,德國物理學家、卡爾蔡司公司的恩斯特·阿貝(Ernst Abbe)首次推算出衍射導致的分辨率極限。1905年阿貝死後將他推導出的分辨率極限公式刻入了他的墓誌銘,紀念著他對人類的偉大貢獻。可這榮光後來卻變成人類光學技術發展上空的烏雲與夢靨。讓我們來看看這衍射極限公式的真面目:

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d是分辨兩點的最小距離,

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稱為數值孔徑,λ是波長。

結合瑞利判據,當一個像斑的中心落到另一個像斑的邊緣時,就算這兩個斑剛好能被分辨,則衍射極限可以表示為:

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取高倍物鏡 N.A. 的最大值1.5,對於藍光(波長405nm)顯微鏡的分辨率約為 165 納米。所以,我們無法提高顯微鏡的分辨率,也就限制我們無法使用光做出更小的納米結構。

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Abbe的墓誌銘

  • 1.光刻技術的未來

回顧上面的公式,提高光刻極限似乎有兩條途徑:1). 減小波長λ。2). 提高數值孔徑 N.A.。然後這兩條途徑也有各自的障礙。我們是可以使用更短波長的紫外線甚至X射線。極紫外光刻EUV使用的是13nm的光源,但光源的功率、穩定性、配套光學器件都是難題,在此按住不表。

提高數值孔徑也是有辦法的,例如在半導體制造領域大規模使用的浸潤式光刻技術,如果我們把光盤浸潤到水或者油裡讀寫,可以進一步提高數值孔徑。

阿貝的烏雲飄蕩著,似乎永遠無法驅散,人類陷入了黑暗。

怎麼辦,那就要突破思維定式,自我革命——突破光學衍射極限

當我們深入到阿貝的衍射極限公式的皮毛中觀察,能夠發現有兩個隱含條件。

一個條件非常深刻卻隱秘,以至於自阿貝公式建立之後的 100 多年都沒有人能夠發現。 歸功於2014年諾貝爾化學獎的幾位得主的【熒光超分辨顯微技術】成功解鎖了一這項技能樹。讓我們突破衍射極限。

另一個是夫琅禾費衍射,它要求物體與像平面之間的距離遠遠大於波長。如果我們把顯微鏡放的離離物體足夠近,分辨率便不再遵循遵守阿貝公式。這便是近場光學技術。而等離子體激元便是近場光學的一種。

  • 2. 牛眼小孔的驚歎

表面等離子體激元用於光刻,最早的論文應該可以追溯到03年的一個篇science論文:

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這篇文章非常有趣,作者在一個銀片上打了一個60nm的小孔,周圍做了一些花紋。然後用光去照射這個銀片,結果發現

光透過去了!!!!透過去了!!!真的mindblowing!!!

按照常識,金屬怎麼可能透光,而且小孔才60nm, 600多nm的透射波長小的多啊!!!到底發什麼了?到底是為什麼?

原因啊,就是當光照射到圓環裝的圈圈的時候,激發了金屬表面的表面等離子激元,表面等離子激元是光耦合到金屬表面的模式,可以沿著金屬表面穿過小孔,再發射出去!所以實驗室看,就是光穿過了牛眼小孔。

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  • 3. 表面等離子激元光刻

正如牛眼小孔上所展示的,光可以通過表面等離子激元匯聚到一個非常小的區域(聚焦),這樣就可以利用這個聚焦的光進行光刻,但要注意這是近場的,如果距離遠了,光又會再次分開。所以表面等離子激元光刻的形式與傳統光刻有了很大不同。

表面等離子激元光刻是用接觸式光刻,製造一個非常小的探針,在探針上打上一個非常小的孔。這樣光就被匯聚到了探針的尖端,然後把探針放到光刻膠表面,然後按照設定的軌跡,由機械驅動器,推動著探針在光刻膠表面“畫畫” ,就可以畫出我們想要的各種圖案了。探針還可以做成陣列,就可以大規模並行製造。放幾張韓國人做的成果。

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大家覺得中國世界首臺分辨力最高紫外超分辨光刻裝備是吹牛還是真牛呢?


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