Zyvex Labs如何实现0.768nm分辨率

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）最近，一家名为Zyvex Labs的美国公司宣布推出亚纳米分辨率的光刻系统Zyvex Litho 1，据称分辨率可以达到0.768nm，这大约是两个硅原子的宽度。

并且这套光刻系统没有采用目前主流的EUV技术，Zyvex Litho 1使用的是基于STM（扫描隧道显微镜）的EBL（电子束光刻）技术。更令人“沸腾”的是，这款产品还不只是存在于实验阶段，Zyvex Labs表示已经开始接受Zyvex Litho 1系统的订单，交付周期约为6个月。要知道目前ASML的ArF光刻机交付周期都已经来到24个月，EUV光刻机也要18个月左右。

技术更先进，还能更快交付？于是一时间流言四起，有说“EUV光刻机已落后”的，也有说“我们差距又拉开了”。所以这家名不见经传的公司做的产品到底怎样？真的绕开了EUV光刻机创造出新的赛道？

如何实现0.768nm分辨率？

从官网上了解到，Zyvex Labs创立于1997年，旨在开发原子级精密制造（APM）技术并将其商业化，以制造具有原子级精度的产品，APM技术可以被利用制造多种产品，包括设计材料到超级计算机再到先进医疗设备等等。

公司创始人Jim Von Ehr最早在TI担任设计自动化部门经理，团队在11年时间内开发了三代用于集成电路布局的CAD工具。

值得一提的是，Zyvex Litho 1这款产品受到了美国国防部高级研究计划局、陆军研究办公室、能源部高级制造办公室以及德克萨斯大学达拉斯分校的Reza Moheimani教授支持。Reza Moheimani教授由于其“支持单原子尺度量子硅器件制造的控制开发”的研究成果，还在最近获得国际自动化控制联盟授予的工业成就奖。

前面提到，Zyvex Litho 1使用的是基于STM的电子束光刻技术。STM的工作原理是利用了“量子隧穿效应”，即电子在足够靠近导体的情况下，即使电子与导体之间具有一层绝缘体（空气），电子也会穿过绝缘体来到另一边的导体上，就好像在绝缘体上打通了一条“隧道”，所以被称为“量子隧穿”。

STM采用一根尖端只有一个原子大小的探针，在探针和被测样品之间施加电压，并不断缩小探针和样品之间的距离，当距离足够小时，电路中就会产生极小的电流。而电流大小与探针和样品的距离有关，于是我们可以通过电流大小，来反推出探针和样品的距离，从而“摸索”出样品的表面起伏，最终得出样品的显微图像。

显然，STM的作用是用于观察微观世界，但利用STM，其实还可以完成操纵原子的工作。

传统的电子束光刻需要用到大型的电子光学系统和高达200Kev的能量来实现小的光斑尺寸。同时获得小的点尺寸所需的高能电子，被分散在传统电子束光刻所使用的聚合物抗蚀剂中，并且分散了沉积的能量，产生了更大的结构。

Zyvex Labs基于STM的电子束光刻技术，采用了一种名为氢去钝化光刻（HDL）的方式。根据Reza Moheimani教授团队在去年发表的研究报告中的描述，HDL简单来说就是先在平整的硅衬底表面附着一层氢原子，以防止其他原子或分子被吸收到表面，同时是作为非常薄的抗蚀剂层；然后将探针置于氢原子之上，在探针样本偏置电压上添加高频信号，并提高高频信号的振幅，直到氢原子脱离表面，露出下面的硅；在预定数量的氢原子被有选择地从表面移除后，将磷化氢气体引入环境中，经过一个特定的过程后，磷原子被吸附到表面上，每个磷原子都起量子位元的作用。

Zyvex Labs表示，使用HDL能够曝光比电子束光刻阈值半径10%小10倍以上的单个原子。并且HDL甚至不需要使用光学器件，而是简单地将钨金属尖端放置在氢钝化硅样品上方大约1 nm处。

但正如上图所示，电子不太可能只沿着暴露单个氢原子所需的实心箭头路径运动，因此有人认为没有光学器件聚焦，曝光区域很难缩小。电子实际上不是从尖端发射的（在成像和原子精密光刻模式中），而是从样品隧穿到尖端（在成像模式中）或从尖端隧穿到样品（在光刻模式中）。

通过计算量子隧道效应导致的归一化电流分布和归一化曝光效率，每个电子解吸的氢原子与距离峰值的径向距离的函数关系，最终令Zyvex Litho 1用HDL曝光图案的常用模式，到不需要曝光的横向距离约为0.47nm，导致错误率为10-6。

当然，作为一整套系统，Zyvex Litho 1包括用于 STM 光刻的 UHV 系统 、前体气体计量和 Si MBE 、数字矢量光刻、自动化和脚本。Zyvex labs表示，没有亚纳米分辨率和精度，7.7纳米（10像素）正方形的曝光是不可能的。

用于制造量子处理器，但难以大规模量产

显然，Zyvex Litho 1与目前大规模的芯片制造方式在原理上都完全不同。目前的大规模芯片制造方式都需要利用到光掩膜版，将芯片功能图形精确定位投射到晶圆上，以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光。

而利用电子束光刻技术，其实在此前已经有多个实验室成功达成1nm左右的分辨率，2017年美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室就宣布成功利用电子束光刻工艺制造出2nm的分辨率；劳伦斯伯克利国家实验室也在2016年宣布采用碳纳米管和二硫化钼等材料实现1nm工艺。

但这种技术光刻时间长、良率低、难以投入大规模应用。同样，Zyvex Litho 1基于STM的电子束光刻技术也存在这些问题，比如其500nm距离的位移需要200秒时间。那么它适合什么领域？

Zyvex Labs表示，量子化能级和量子隧道传输对单个原子层甚至单个原子的尺寸极其敏感，而他们技术比市面上最好的电子束光刻要精确一个数量级，因此Zyvex Litho 1在量子技术中将会发挥最大的作用。

小结

虽然实验室中实现1nm分辨率的光刻并不是第一次实现，但对于Zyvex Litho 1而言，将精确到原子量级的光刻设备商业化也足以成为里程碑级别的存在。俗话说“工欲善其事，必先利其器”，拥有了精度更高的工具，未来在半导体领域或许能够催生出更多创新。

审核编辑：彭静