圖3 雙光束光刻示意

雙光束光刻技術(shù)需要配置特制的光刻膠以對(duì)2束光產(chǎn)生不同的響應(yīng)，對(duì)于第1束激發(fā)光而言，作用是讓光刻膠產(chǎn)生聚合，并且光強(qiáng)和聚合程度成正比。光刻膠對(duì)第2束光的響應(yīng)要求是在激發(fā)光光強(qiáng)不為零的情況下，才對(duì)第2束光有抑制曝光作用。因此即便第2束光的光強(qiáng)較強(qiáng)，激發(fā)光光強(qiáng)為0時(shí)，光刻膠也不響應(yīng)，此時(shí)單體不發(fā)生聚合。同時(shí)，在第1束光光強(qiáng)不為0的情況下，第2束光光強(qiáng)越強(qiáng)，光刻膠的曝光程度越低。光刻膠材料要想實(shí)現(xiàn)2束光的不同響應(yīng)，關(guān)鍵在于引發(fā)劑的選擇。因?yàn)橐l(fā)劑是決定單體聚合程度的重要因素，一般情況下引發(fā)劑在光的作用下發(fā)生激發(fā)進(jìn)而產(chǎn)生激發(fā)態(tài)中間體（自由基），其再與單體作用發(fā)生聚合反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生樹脂固體，顯影后得到目標(biāo)圖案，這一過程和EUV光刻機(jī)的光刻膠作用機(jī)理是一致的，且光刻膠的曝光程度與光強(qiáng)成正比，因?yàn)楣鈴?qiáng)越強(qiáng)，激發(fā)產(chǎn)生的自由基數(shù)量越多。但是雙光束超分辨光刻技術(shù)的第2束光的作用是將激發(fā)態(tài)的引發(fā)劑分子通過受激輻射的方式，使其躍遷回更低的能級(jí)，從而喪失和單體的反應(yīng)能力。另外，激發(fā)波長應(yīng)選在所用引發(fā)劑材料激發(fā)譜的峰值波長附近，以保證較好的吸收；抑制光波長應(yīng)選在所用引發(fā)劑材料激發(fā)譜的長波拖尾處，以避免損耗光對(duì)樣品的二次激發(fā)。同時(shí)受激輻射使得處于高能態(tài)的分子躍遷到低能態(tài)，其躍遷的速度與產(chǎn)生受激輻射效果的第2束光的光強(qiáng)成正比，第2束光光強(qiáng)越強(qiáng)，理論上高能態(tài)分子躍遷回低能態(tài)的比例越高。

值得一提的是，雙光束超分辨光刻技術(shù)作為對(duì)傳統(tǒng)紫外光刻技術(shù)的改良，繼承了后者的大部分基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的平滑過渡。這種技術(shù)通過引入額外的長波光源和光路，對(duì)現(xiàn)有的短波長光源進(jìn)行波長調(diào)整，而核心的微縮投影曝光技術(shù)保持不變。這樣，在不犧牲已有工業(yè)光刻經(jīng)驗(yàn)的前提下，能夠以較低成本對(duì)產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行升級(jí)和替換。在具體實(shí)施上，雙光束超分辨光刻技術(shù)要么通過改變現(xiàn)有光源的波長并添加新的光路，要么在現(xiàn)有紫外光刻機(jī)上直接增加新的光路。新加入的光路在完成投影曝光圖案的調(diào)制之后，與第1束光合束，對(duì)傳統(tǒng)單光束光刻機(jī)不造成任何影響。因此，這項(xiàng)技術(shù)能夠充分利用現(xiàn)有的光刻資源。EUV光刻機(jī)的優(yōu)勢是具有更高的光刻分辨、生產(chǎn)效率高、光刻工藝簡單。但是，EUV光刻機(jī)也存在許多問題，例如耗能巨大、能量利用率低、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜，以及將要到達(dá)摩爾定律的極限等。雙光束光刻技術(shù)在特制的光刻膠中可以得到9nm的分辨率，雖然不及EUV光刻機(jī)3~7nm的分辨率，但是設(shè)備的搭建簡易，光源為可見光，并且由于EUV光刻機(jī)的技術(shù)被封鎖，因此，對(duì)雙光束超分辨技術(shù)的掌握是十分有必要的。

在合束環(huán)節(jié)，長波光源的引入只需添加一個(gè)特殊的雙色鏡，它能夠使第1束光不受影響地通過，同時(shí)引導(dǎo)第2束光耦合進(jìn)入第1束光的光路，共同進(jìn)入光刻投影物鏡。此方法確保了與現(xiàn)有紫外光刻技術(shù)的完全兼容性，避免因技術(shù)顛覆帶來的高昂成本問題，從而為工業(yè)界接受該技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在產(chǎn)能、分辨率和套刻精度方面，雙光束超分辨光刻技術(shù)水平與現(xiàn)有的EUV光刻機(jī)持平，展現(xiàn)出其作為技術(shù)升級(jí)路徑的可行性和優(yōu)勢。

雙光束超分辨光刻技術(shù)的問題與挑戰(zhàn)

一方面，2束光束的對(duì)準(zhǔn)是雙光束超分辨光刻技術(shù)取得超分辨光刻效果的關(guān)鍵，對(duì)準(zhǔn)涉及到2個(gè)方面。一是如何確保2束光的中心完全重合。雙光束超分辨光刻技術(shù)采用第2束光的核心目的是對(duì)第1束光產(chǎn)生的衍射邊緣進(jìn)行修正。在一般情況下，將2束光各自產(chǎn)生的光斑對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵是其相對(duì)位置是否對(duì)齊?？梢酝ㄟ^調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)中的雙色鏡，使得第2束光的位置相對(duì)第1束光的位置發(fā)生改變，并最終完全對(duì)齊。在這個(gè)過程中，精確測量每個(gè)光斑的位置光強(qiáng)分布，并通過光學(xué)系統(tǒng)來調(diào)整兩者的相對(duì)位置是完全可行的。二是光刻設(shè)備隨著時(shí)間的推移難以長時(shí)間保持對(duì)準(zhǔn)。在理想狀態(tài)下，2個(gè)光斑的相對(duì)位置是不會(huì)發(fā)生變化的。然而，光刻設(shè)備在受到外界環(huán)境，例如振動(dòng)、溫度改變等多因素的影響時(shí)，相對(duì)位置可能會(huì)發(fā)生一定程度的偏移，導(dǎo)致2束光分離。為了解決這一問題，光刻設(shè)備的各光學(xué)元件的位置移動(dòng)和形狀改變程度必須降到最低，確保雙光束產(chǎn)生相應(yīng)的抑制效果。