Zyvex Labs如何實(shí)現(xiàn)0.768nm分辨率

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）最近，一家名為Zyvex Labs的美國(guó)公司宣布推出亞納米分辨率的光刻系統(tǒng)Zyvex Litho 1，據(jù)稱分辨率可以達(dá)到0.768nm，這大約是兩個(gè)硅原子的寬度。

并且這套光刻系統(tǒng)沒有采用目前主流的EUV技術(shù)，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(shù)。更令人“沸騰”的是，這款產(chǎn)品還不只是存在于實(shí)驗(yàn)階段，Zyvex Labs表示已經(jīng)開始接受Zyvex Litho 1系統(tǒng)的訂單，交付周期約為6個(gè)月。要知道目前ASML的ArF光刻機(jī)交付周期都已經(jīng)來到24個(gè)月，EUV光刻機(jī)也要18個(gè)月左右。

技術(shù)更先進(jìn)，還能更快交付？于是一時(shí)間流言四起，有說“EUV光刻機(jī)已落后”的，也有說“我們差距又拉開了”。所以這家名不見經(jīng)傳的公司做的產(chǎn)品到底怎樣？真的繞開了EUV光刻機(jī)創(chuàng)造出新的賽道？

如何實(shí)現(xiàn)0.768nm分辨率？

從官網(wǎng)上了解到，Zyvex Labs創(chuàng)立于1997年，旨在開發(fā)原子級(jí)精密制造（APM）技術(shù)并將其商業(yè)化，以制造具有原子級(jí)精度的產(chǎn)品，APM技術(shù)可以被利用制造多種產(chǎn)品，包括設(shè)計(jì)材料到超級(jí)計(jì)算機(jī)再到先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備等等。

公司創(chuàng)始人Jim Von Ehr最早在TI擔(dān)任設(shè)計(jì)自動(dòng)化部門經(jīng)理，團(tuán)隊(duì)在11年時(shí)間內(nèi)開發(fā)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(chǎn)品受到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、陸軍研究辦公室、能源部高級(jí)制造辦公室以及德克薩斯大學(xué)達(dá)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(fā)”的研究成果，還在最近獲得國(guó)際自動(dòng)化控制聯(lián)盟授予的工業(yè)成就獎(jiǎng)。

前面提到，Zyvex Litho 1使用的是基于STM的電子束光刻技術(shù)。STM的工作原理是利用了“量子隧穿效應(yīng)”，即電子在足夠靠近導(dǎo)體的情況下，即使電子與導(dǎo)體之間具有一層絕緣體（空氣），電子也會(huì)穿過絕緣體來到另一邊的導(dǎo)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(gè)原子大小的探針，在探針和被測(cè)樣品之間施加電壓，并不斷縮小探針和樣品之間的距離，當(dāng)距離足夠小時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生極小的電流。而電流大小與探針和樣品的距離有關(guān)，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(shí)還可以完成操縱原子的工作。

傳統(tǒng)的電子束光刻需要用到大型的電子光學(xué)系統(tǒng)和高達(dá)200Kev的能量來實(shí)現(xiàn)小的光斑尺寸。同時(shí)獲得小的點(diǎn)尺寸所需的高能電子，被分散在傳統(tǒng)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(chǎn)生了更大的結(jié)構(gòu)。

Zyvex Labs基于STM的電子束光刻技術(shù)，采用了一種名為氫去鈍化光刻（HDL）的方式。根據(jù)Reza Moheimani教授團(tuán)隊(duì)在去年發(fā)表的研究報(bào)告中的描述，HDL簡(jiǎn)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(shí)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(hào)，并提高高頻信號(hào)的振幅，直到氫原子脫離表面，露出下面的硅；在預(yù)定數(shù)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(huán)境中，經(jīng)過一個(gè)特定的過程后，磷原子被吸附到表面上，每個(gè)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(gè)原子。并且HDL甚至不需要使用光學(xué)器件，而是簡(jiǎn)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(gè)氫原子所需的實(shí)心箭頭路徑運(yùn)動(dòng)，因此有人認(rèn)為沒有光學(xué)器件聚焦，曝光區(qū)域很難縮小。電子實(shí)際上不是從尖端發(fā)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(jì)算量子隧道效應(yīng)導(dǎo)致的歸一化電流分布和歸一化曝光效率，每個(gè)電子解吸的氫原子與距離峰值的徑向距離的函數(shù)關(guān)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(dǎo)致錯(cuò)誤率為10-6。

當(dāng)然，作為一整套系統(tǒng)，Zyvex Litho 1包括用于 STM 光刻的 UHV 系統(tǒng) 、前體氣體計(jì)量和 Si MBE 、數(shù)字矢量光刻、自動(dòng)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(guī)模量產(chǎn)

顯然，Zyvex Litho 1與目前大規(guī)模的芯片制造方式在原理上都完全不同。目前的大規(guī)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(shù)，其實(shí)在此前已經(jīng)有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室成功達(dá)成1nm左右的分辨率，2017年美國(guó)能源部下屬的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在2016年宣布采用碳納米管和二硫化鉬等材料實(shí)現(xiàn)1nm工藝。

但這種技術(shù)光刻時(shí)間長(zhǎng)、良率低、難以投入大規(guī)模應(yīng)用。同樣，Zyvex Litho 1基于STM的電子束光刻技術(shù)也存在這些問題，比如其500nm距離的位移需要200秒時(shí)間。那么它適合什么領(lǐng)域？

Zyvex Labs表示，量子化能級(jí)和量子隧道傳輸對(duì)單個(gè)原子層甚至單個(gè)原子的尺寸極其敏感，而他們技術(shù)比市面上最好的電子束光刻要精確一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此Zyvex Litho 1在量子技術(shù)中將會(huì)發(fā)揮最大的作用。

小結(jié)

雖然實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)1nm分辨率的光刻并不是第一次實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于Zyvex Litho 1而言，將精確到原子量級(jí)的光刻設(shè)備商業(yè)化也足以成為里程碑級(jí)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(dǎo)體領(lǐng)域或許能夠催生出更多創(chuàng)新。