不使用EUV突破1nm極限？美國推出全新光刻系統，分辨率0.768nm！

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）最近，一家名為Zyvex Labs的美國公司宣布推出亞納米分辨率的光刻系統Zyvex Litho 1，據稱分辨率可以達到0.768nm，這大約是兩個硅原子的寬度。

并且這套光刻系統沒有采用目前主流的EUV技術，Zyvex Litho 1使用的是基于STM（掃描隧道顯微鏡）的EBL（電子束光刻）技術。更令人“沸騰”的是，這款產品還不只是存在于實驗階段，Zyvex Labs表示已經開始接受Zyvex Litho 1系統的訂單，交付周期約為6個月。要知道目前ASML的ArF光刻機交付周期都已經來到24個月，EUV光刻機也要18個月左右。

技術更先進，還能更快交付？于是一時間流言四起，有說“EUV光刻機已落后”的，也有說“我們差距又拉開了”。所以這家名不見經傳的公司做的產品到底怎樣？真的繞開了EUV光刻機創造出新的賽道？

如何實現0.768nm分辨率？

從官網上了解到，Zyvex Labs創立于1997年，旨在開發原子級精密制造（APM）技術并將其商業化，以制造具有原子級精度的產品，APM技術可以被利用制造多種產品，包括設計材料到超級計算機再到先進醫療設備等等。

公司創始人Jim Von Ehr最早在TI擔任設計自動化部門經理，團隊在11年時間內開發了三代用于集成電路布局的CAD工具。

值得一提的是，Zyvex Litho 1這款產品受到了美國國防部高級研究計劃局、陸軍研究辦公室、能源部高級制造辦公室以及德克薩斯大學達拉斯分校的Reza Moheimani教授支持。Reza Moheimani教授由于其“支持單原子尺度量子硅器件制造的控制開發”的研究成果，還在最近獲得國際自動化控制聯盟授予的工業成就獎。

前面提到，Zyvex Litho 1使用的是基于STM的電子束光刻技術。STM的工作原理是利用了“量子隧穿效應”，即電子在足夠靠近導體的情況下，即使電子與導體之間具有一層絕緣體（空氣），電子也會穿過絕緣體來到另一邊的導體上，就好像在絕緣體上打通了一條“隧道”，所以被稱為“量子隧穿”。

STM采用一根尖端只有一個原子大小的探針，在探針和被測樣品之間施加電壓，并不斷縮小探針和樣品之間的距離，當距離足夠小時，電路中就會產生極小的電流。而電流大小與探針和樣品的距離有關，于是我們可以通過電流大小，來反推出探針和樣品的距離，從而“摸索”出樣品的表面起伏，最終得出樣品的顯微圖像。

顯然，STM的作用是用于觀察微觀世界，但利用STM，其實還可以完成操縱原子的工作。

傳統的電子束光刻需要用到大型的電子光學系統和高達200Kev的能量來實現小的光斑尺寸。同時獲得小的點尺寸所需的高能電子，被分散在傳統電子束光刻所使用的聚合物抗蝕劑中，并且分散了沉積的能量，產生了更大的結構。

Zyvex Labs基于STM的電子束光刻技術，采用了一種名為氫去鈍化光刻（HDL）的方式。根據Reza Moheimani教授團隊在去年發表的研究報告中的描述，HDL簡單來說就是先在平整的硅襯底表面附著一層氫原子，以防止其他原子或分子被吸收到表面，同時是作為非常薄的抗蝕劑層；然后將探針置于氫原子之上，在探針樣本偏置電壓上添加高頻信號，并提高高頻信號的振幅，直到氫原子脫離表面，露出下面的硅；在預定數量的氫原子被有選擇地從表面移除后，將磷化氫氣體引入環境中，經過一個特定的過程后，磷原子被吸附到表面上，每個磷原子都起量子位元的作用。

Zyvex Labs表示，使用HDL能夠曝光比電子束光刻閾值半徑10%小10倍以上的單個原子。并且HDL甚至不需要使用光學器件，而是簡單地將鎢金屬尖端放置在氫鈍化硅樣品上方大約1 nm處。

但正如上圖所示，電子不太可能只沿著暴露單個氫原子所需的實心箭頭路徑運動，因此有人認為沒有光學器件聚焦，曝光區域很難縮小。電子實際上不是從尖端發射的（在成像和原子精密光刻模式中），而是從樣品隧穿到尖端（在成像模式中）或從尖端隧穿到樣品（在光刻模式中）。

通過計算量子隧道效應導致的歸一化電流分布和歸一化曝光效率，每個電子解吸的氫原子與距離峰值的徑向距離的函數關系，最終令Zyvex Litho 1用HDL曝光圖案的常用模式，到不需要曝光的橫向距離約為0.47nm，導致錯誤率為10-6。

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當然，作為一整套系統，Zyvex Litho 1包括用于 STM 光刻的 UHV 系統 、前體氣體計量和 Si MBE 、數字矢量光刻、自動化和腳本。Zyvex labs表示，沒有亞納米分辨率和精度，7.7納米（10像素）正方形的曝光是不可能的。

用于制造量子處理器，但難以大規模量產

顯然，Zyvex Litho 1與目前大規模的芯片制造方式在原理上都完全不同。目前的大規模芯片制造方式都需要利用到光掩膜版，將芯片功能圖形精確定位投射到晶圓上，以便用于光致抗蝕劑涂層選擇性曝光。

而利用電子束光刻技術，其實在此前已經有多個實驗室成功達成1nm左右的分辨率，2017年美國能源部下屬的布魯克海文國家實驗室就宣布成功利用電子束光刻工藝制造出2nm的分辨率；勞倫斯伯克利國家實驗室也在2016年宣布采用碳納米管和二硫化鉬等材料實現1nm工藝。

但這種技術光刻時間長、良率低、難以投入大規模應用。同樣，Zyvex Litho 1基于STM的電子束光刻技術也存在這些問題，比如其500nm距離的位移需要200秒時間。那么它適合什么領域？

Zyvex Labs表示，量子化能級和量子隧道傳輸對單個原子層甚至單個原子的尺寸極其敏感，而他們技術比市面上最好的電子束光刻要精確一個數量級，因此Zyvex Litho 1在量子技術中將會發揮最大的作用。

小結：

雖然實驗室中實現1nm分辨率的光刻并不是第一次實現，但對于Zyvex Litho 1而言，將精確到原子量級的光刻設備商業化也足以成為里程碑級別的存在。俗話說“工欲善其事，必先利其器”，擁有了精度更高的工具，未來在半導體領域或許能夠催生出更多創新。