0.768nm堪比两个硅原子！美国造出全球最高分辨率的光刻机

众所周知，目前5nm及以下的尖端半导体制程必须要用到价格极其高昂的EUV光刻机，ASML是全球唯一的供应商。

更为尖端2nm制程的则需要用到ASML新一代0.55 NA EUV光刻机，售价或高达4亿美元。

Intel正计划利用新一代0.55 NA EUV光刻机来开发其Intel 20A（2nm）及18A（1.8nm）制程。

但是，要想实现1nm以下的更先进的制程，即便是ASML新一代0.55 NA EUV光刻机也束手无策。

近日美国一家旨在开发和商业化原子精密制造 (APM) 技术的公司Zyvex Labs 宣布推出了全球分辨率最高的亚纳米分辨率光刻系统“ZyvexLitho1”。

它并没有采用EUV光刻技术，而是基于STM扫描隧道显微镜，使用的是电子束光刻（EBL）方式，可以制造出具有0.768nm线宽（相当于2个硅原子的宽度）的芯片，精度远超EUV光刻机。

一、实现更高的分辨率和精度的关键：氢去钝化光刻

ZyvexLitho1所采用自我显影的电子束光刻(EBL)技术的核心是 使用氢去钝化光刻(HDL)从Si(100) 2 x 1二聚体列（dimer row）重建表面去除氢（H）原子。

氢去钝化光刻是EBL的一种形式，它通过非常简单的仪器实现原子分辨率，并使用能量非常低的电子。

它使用量子物理学有效地聚焦低能电子和振动加热方法，以产生高度非线性（多电子）的曝光机制。HDL使用附着在硅表面的单层H原子作为非常薄的抗蚀剂层，并使用电子刺激解吸在抗蚀剂中创建图案。

传统EBL使用大型昂贵的电子光学系统和非常高的能量(200Kev)来实现小光斑尺寸；但是高能电子（获得小光斑尺寸所必需的）分散在传统EBL使用的聚合物抗蚀剂中，并分散沉积的能量，从而形成更大的结构。HDL实现了比传统EBL更高的分辨率和精度。

数据显示， 光刻胶中的沉积能量不会下降到光束中心的10%，直到径向距离约为4nm。

使用HDL，实验团队能够暴露比EBL的10%阈值半径小>10倍的单个原子。

这个小得多的曝光区域令人惊讶，因为HDL不使用光学器件，只是将钨金属尖端放置在H钝化硅样品上方约1nm处。

人们会期望，如果没有光学器件来聚焦来自尖端的电子，那么曝光区域会更大。

△距氢（H）钝化硅表面约1nm的W扫描隧穿显微镜（STM）尖端

电子似乎不太可能只遵循暴露单个氢原子所需的实心箭头路径。

为了解决这个谜团，必须了解电子实际上不是从尖端发射（在成像和原子精密光刻模式下），而是从样品到尖端（在成像模式下）或从尖端到样品（在光刻模式下）模式。

使用具有无限平坦和导电衬底的简单模型、STM尖端顶点处单个W原子的发射以及简化的隧穿电流模型，我们将看到电流随着隧穿距离呈指数下降。

△如果没有亚纳米级别的分辨率和精度，这种 7.7 纳米（10 像素）正方形的曝光是不可能的。 

二、ZyvexLitho1的五大特色功能

ZyvexLitho1 系统基于 Zyvex Labs 自 2007 年以来一直在完善的扫描隧道显微镜 (STM) 技术，配备了低噪声、低延迟的20位数字控制系统，允许用户为固态量子器件和其他纳米器件和材料创建原子精度的图案。

ZyvexLitho1套件还包括配置用于构建量子器件的 ScientaOmicron 超高真空 STM。

这也使得ZyvexLitho1系统具备其他任何商业扫描隧道显微镜不具备的功能和自动化功能，包括：能够实现无失真成像、自适应电流反馈回路、自动晶格对准、数字矢量光刻、自动化脚本和内置计量。

△ZyvexLitho1系统

无失真成像：

Zyvex Labs称ZyvexLitho1系统拥有专有的蠕变和滞后位置校正算法，支持无失真成像和原子级精确的尖端定位，以实现前所未有的光刻精度。

△在200秒完成500nm跳跃后的未修正蠕变vs.蠕变修正后

自适应电流反馈回路： 

所有商业 STM 都使用相同的比例积分 (PI) 回路来升高和降低 STM 尖端，因为它扫描以保持设定点电流。不幸的是，这种简单的控制循环提示崩溃是常见的。如果只是用于成像，这是可以容忍的，但在进行光刻时这是一个严重的问题。ZyvexLitho1 的控制系统中采用了获得专利的自适应电流控制回路，可显着减少尖端碰撞。

△上图显示了跨 硅 表面的线扫描，其中有几个扰动导致轮廓 E 中的电流误差，其中控制回路是标准 PI 回路。在配置文件 F 中，自适应控制回路打开，并且尖端扫描同一行。更准确的电流控制可提供更准确的轮廓，并且当表面扰动较大时，可避免尖端碰撞。（来源：Tajaddodianfar, F., Moheimani, S. O. R., & Randall, J. N. (2018). Scanning Tunneling Microscope Control: A Self-Tuning PI Controller Based on Online Local Barrier Height Estimation*. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1–12. http://doi.org/10.1109/TCST.2018.2844781）

自动晶格对准： 

由于光刻模式和成像模式在能量上分离良好，因此可以在光刻前后对硅表面进行成像。这种非曝光成像模式允许自动识别硅晶格，因此可以自动识别像素在表面上的位置。这种 Lattice Lock 过程自动保持尖端定位（以及因此光刻）准确。

数字矢量光刻

ZyvexLitho1 使用氢去钝化光刻从Si(100) 2×1 二聚体列（dimer row）重建表面去除氢（H）原子。这种自我显影的曝光技术本质上是二元的。

H-Si 键要么断裂（将 H 原子送入真空），要么不断裂。没有部分暴露或邻近效应。利用这个过程和作为硅表面晶格的全局基准网格允许数字光刻。

亚纳米像素是 4 个表面硅原子。可以将设计网格与Zyvex Labs的像素网格相同的计算机辅助设计 (CAD) 文件加载到 ZyvexLitho1 中，并且可以将图案自动分割成不同的几何形状，从而允许尖端矢量与不同的光刻模式一起使用。然后可以自动进行曝光。

自动化和脚本：

几乎所有操作都可以自动化。单个命令或脚本的命令行界面。内置和用户编写脚本的脚本菜单。多种模式输入模式——如几何形状、矢量列表、黑白位图。

内置计量：

提供无损成像模式，以便新图案可以与旧图案对齐，并且可以在写入后检查图案质量。

三、现在下单，6个月后即可交货

需要强调的是，ZvyvexLitho1系统并不是一款实验室原型产品，而是一款已经可以商用的产品。

根据Zyvex Labs官网介绍， 目前其正在接受 ZvyvexLitho1 系统的订单，交货时间约为六个月。

据悉，ZvyvexLitho1将会有标准版和高级版两个不同版本，具体售价未知。

Zyvex Labs表示，ZvyvexLitho1制造的芯片可以制造出高精度的固态量子器件，以及纳米器件及材料，对量子计算机来说精度非常重要。将使量子计算机能够获得强大的加密以实现真正安全的通信，更快地开发新药，并做出更准确的天气预报。

2015年费曼奖得主、硅量子计算公司的首席执行官、新南威尔士大学量子计算和通信技术中心主任Michelle Simmons教授表示：“建立一个可扩展的量子计算机有许多挑战。我们坚信，要实现量子计算的全部潜力，需要高精度的制造。我们对ZyvexLitho1感到兴奋，这是第一个提供原子级精密图案的商业化工具。”

STM光刻技术的发明者、2014年费曼奖得主、伊利诺伊大学教授Joe Lyding表示：“到目前为止，Zyvex实验室的技术是最先进的，也是这种原子级精确光刻技术的唯一商业化实现。”

ScientaOmicron的SPM产品经理Andreas Bettac博士表示：“在这里，我们将最新的超高真空系统设计和ScientaOmicron的成熟的SPM与Zyvex的STM光刻专用的高精度STM控制器相结合。我期待与Zyvex继续进行富有成效的合作。”

虽然EBL电子束光刻机的精度可以轻松超过EUV光刻机，但是，这种技术的缺点也很明显，那就是产量很低（看前面的介绍，ZvyvexLitho1光刻时，500nm的位移，需要200秒的时间。另外电子束光刻），无法大规模制造芯片，只适合制作那些小批量的高精度芯片或者器件。但不管怎样，这也给半导体制造向着1nm以下的皮米级前进提供了一个可行的方向。随着技术的进步，未来EBL电子束光刻面临的一些难题或许也有可能会被解决。

关于Zyvex

Zyvex Corporation 由 Jim Von Ehr 于 1997 年创立，旨在开发和商业化原子精密制造 (APM) 技术，以制造具有原子精密度的产品。如果开发得当，APM 允许灵活制造各种产品，从设计材料到超级计算机再到先进的医疗设备。

在创办 Zyvex Corporation 之前，Jim 作为软件企业家的背景使他意识到 APM（创建“数字物质”）可以比任何现有技术更有效、更准确和更具成本效益地制造产品。

早期，Zyvex Corporation 对 APM 进行了基础研究，并经常在此过程中构建自己的工具。最近，该公司通过开发商业纳米材料和纳米操作产品将该技术推向市场。

2001 年，Zyvex Corporation 获得了美国国家标准与技术研究院先进技术计划 (NIST ATP) 颁发的一项重要研究奖。纳米技术应用和制造的组装商：开启纳米技术时代（程序 ID 70NANB1H3021）是与霍尼韦尔和几所支持微机电系统 (MEMS) 开发、纳米探测、纳米操作和其他基础纳米技术工作的大学共同承担成本的五年联合计划。

2003 年和 2004 年，Zyvex 公司获得了美国 DARPA（国防高级研究计划局）颁发的小型企业创新研究 (SBIR) 奖，以开发 mini-SEM。小型扫描电子显微镜和用于生产低成本mini-SEM的制造组装技术支持了Zyvex在电子光学技术上的发展。

2004 年，Zyvex 公司还收到了美国能源部的另一份 SBIR。用于透射电子显微镜的 MEMS 纳米探针（程序 ID DE-FG 0204ER84130）专注于开发用于透射电子显微镜 (TEM) 的基于 MEMS 的纳米操作器。该计划的结果间接导致了Zyvex MEMS 精细定位阶段的改进。

2007 年 4 月，Zyvex Corporation 重组为三个独立的公司，以确保持续专注于产品：Zyvex Performance Materials LLC、Zyvex Instruments LLC 和 Zyvex Labs LLC。资产在三个公司之间分配，并为材料和仪器业务聘请了专门的管理人员。

目前，Zyvex Labs 有两个目标：1、开发 APM；2、开发微细加工和 3D 微组装技术。Zyvex Labs的 MEMS 技术是在 Zyvex 为期 5 年、耗资 2500 万美元的 NIST ATP 项目期间开发的，目前正用于制造微型科学仪器，例如微型扫描电子显微镜和微型原子力显微镜，以及下一代纳米探测系统。这些系统将为更大的市场合作伙伴开发或根据最终产品分拆成独立的公司。Zyvex Labs 也是 Nano-Retina的创始合作伙伴，该公司正在构建一种先进的假肢视觉设备。

需要指出的是，Zyvex Labs 的资金主要来自政府研发合同、私人投资和合同研究。此次推出的ZvyvexLitho1系统也是在DARPA、陆军研究办公室、能源部先进制造办公室和德克萨斯大学达拉斯分校的Reza Moheimani教授的支持下完成的。

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