0.768nm堪比兩個矽原子!美國造出全球最高解析度的光刻機

語言: CN / TW / HK

眾所周知,目前5nm及以下的尖端半導體制程必須要用到價格極其高昂的EUV光刻機,ASML是全球唯一的供應商。

更為尖端2nm製程的則需要用到ASML新一代0.55 NA EUV光刻機,售價或高達4億美元。

Intel正計劃利用新一代0.55 NA EUV光刻機來開發其Intel 20A(2nm)及18A(1.8nm)製程。

但是,要想實現1nm以下的更先進的製程,即便是ASML新一代0.55 NA EUV光刻機也束手無策。

近日美國一家旨在開發和商業化原子精密製造 (APM) 技術的公司Zyvex Labs 宣佈推出了全球解析度最高的亞奈米解析度光刻系統“ZyvexLitho1”。

它並沒有採用EUV光刻技術,而是基於STM掃描隧道顯微鏡,使用的是電子束光刻(EBL)方式,可以製造出具有0.768nm線寬(相當於2個矽原子的寬度)的晶片,精度遠超EUV光刻機。

一、實現更高的解析度和精度的關鍵:氫去鈍化光刻

ZyvexLitho1所採用自我顯影的電子束光刻(EBL)技術的核心是 使用氫去鈍化光刻(HDL)從Si(100) 2 x 1二聚體列(dimer row)重建表面去除氫(H)原子。

氫去鈍化光刻是EBL的一種形式,它通過非常簡單的儀器實現原子解析度,並使用能量非常低的電子。

它使用量子物理學有效地聚焦低能電子和振動加熱方法,以產生高度非線性(多電子)的曝光機制。HDL使用附著在矽表面的單層H原子作為非常薄的抗蝕劑層,並使用電子刺激解吸在抗蝕劑中建立圖案。

傳統EBL使用大型昂貴的電子光學系統和非常高的能量(200Kev)來實現小光斑尺寸;但是高能電子(獲得小光斑尺寸所必需的)分散在傳統EBL使用的聚合物抗蝕劑中,並分散沉積的能量,從而形成更大的結構。HDL實現了比傳統EBL更高的解析度和精度。

資料顯示, 光刻膠中的沉積能量不會下降到光束中心的10%,直到徑向距離約為4nm。

使用HDL,實驗團隊能夠暴露比EBL的10%閾值半徑小>10倍的單個原子。

這個小得多的曝光區域令人驚訝,因為HDL不使用光學器件,只是將鎢金屬尖端放置在H鈍化矽樣品上方約1nm處。

人們會期望,如果沒有光學器件來聚焦來自尖端的電子,那麼曝光區域會更大。

△距氫(H)鈍化矽表面約1nm的W掃描隧穿顯微鏡(STM)尖端

電子似乎不太可能只遵循暴露單個氫原子所需的實心箭頭路徑。

為了解決這個謎團,必須瞭解電子實際上不是從尖端發射(在成像和原子精密光刻模式下),而是從樣品到尖端(在成像模式下)或從尖端到樣品(在光刻模式下)模式。

使用具有無限平坦和導電襯底的簡單模型、STM尖端頂點處單個W原子的發射以及簡化的隧穿電流模型,我們將看到電流隨著隧穿距離呈指數下降。

△如果沒有亞奈米級別的解析度和精度,這種 7.7 奈米(10 畫素)正方形的曝光是不可能的。 

二、ZyvexLitho1的五大特色功能

ZyvexLitho1 系統基於 Zyvex Labs 自 2007 年以來一直在完善的掃描隧道顯微鏡 (STM) 技術,配備了低噪聲、低延遲的20位數字控制系統,允許使用者為固態量子器件和其他奈米器件和材料建立原子精度的圖案。

ZyvexLitho1套件還包括配置用於構建量子器件的 ScientaOmicron 超高真空 STM。

這也使得ZyvexLitho1系統具備其他任何商業掃描隧道顯微鏡不具備的功能和自動化功能,包括:能夠實現無失真成像、自適應電流反饋迴路、自動晶格對準、數字向量光刻、自動化指令碼和內建計量。

△ZyvexLitho1系統

無失真成像:

Zyvex Labs稱ZyvexLitho1系統擁有專有的蠕變和滯後位置校正演算法,支援無失真成像和原子級精確的尖端定位,以實現前所未有的光刻精度。

△在200秒完成500nm跳躍後的未修正蠕變vs.蠕變修正後

自適應電流反饋迴路: 

所有商業 STM 都使用相同的比例積分 (PI) 迴路來升高和降低 STM 尖端,因為它掃描以保持設定點電流。不幸的是,這種簡單的控制迴圈提示崩潰是常見的。如果只是用於成像,這是可以容忍的,但在進行光刻時這是一個嚴重的問題。ZyvexLitho1 的控制系統中採用了獲得專利的自適應電流控制迴路,可顯著減少尖端碰撞。

△上圖顯示了跨 矽 表面的線掃描,其中有幾個擾動導致輪廓 E 中的電流誤差,其中控制迴路是標準 PI 迴路。在配置檔案 F 中,自適應控制迴路開啟,並且尖端掃描同一行。更準確的電流控制可提供更準確的輪廓,並且當表面擾動較大時,可避免尖端碰撞。(來源: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. https://doi.org/10.1109/TCST.2018.2844781)

自動晶格對準: 

由於光刻模式和成像模式在能量上分離良好,因此可以在光刻前後對矽表面進行成像。這種非曝光成像模式允許自動識別矽晶格,因此可以自動識別畫素在表面上的位置。這種 Lattice Lock 過程自動保持尖端定位(以及因此光刻)準確。

數字向量光刻

ZyvexLitho1 使用氫去鈍化光刻從Si(100) 2×1 二聚體列(dimer row)重建表面去除氫(H)原子。這種自我顯影的曝光技術本質上是二元的。

H-Si 鍵要麼斷裂(將 H 原子送入真空),要麼不斷裂。沒有部分暴露或鄰近效應。利用這個過程和作為矽表面晶格的全域性基準網格允許數字光刻。

亞奈米畫素是 4 個表面矽原子。可以將設計網格與Zyvex Labs的畫素網格相同的計算機輔助設計 (CAD) 檔案載入到 ZyvexLitho1 中,並且可以將圖案自動分割成不同的幾何形狀,從而允許尖端向量與不同的光刻模式一起使用。然後可以自動進行曝光。

自動化和指令碼:

幾乎所有操作都可以自動化。單個命令或指令碼的命令列介面。內建和使用者編寫指令碼的指令碼選單。多種模式輸入模式——如幾何形狀、向量列表、黑白點陣圖。

內建計量:

提供無損成像模式,以便新圖案可以與舊圖案對齊,並且可以在寫入後檢查圖案質量。

三、現在下單,6個月後即可交貨

需要強調的是,ZvyvexLitho1系統並不是一款實驗室原型產品,而是一款已經可以商用的產品。

根據Zyvex Labs官網介紹, 目前其正在接受 ZvyvexLitho1 系統的訂單,交貨時間約為六個月。

據悉,ZvyvexLitho1將會有標準版和高階版兩個不同版本,具體售價未知。

Zyvex Labs表示,ZvyvexLitho1製造的晶片可以製造出高精度的固態量子器件,以及奈米器件及材料,對量子計算機來說精度非常重要。將使量子計算機能夠獲得強大的加密以實現真正安全的通訊,更快地開發新藥,並做出更準確的天氣預報。

2015年費曼獎得主、矽量子計算公司的執行長、新南威爾士大學量子計算和通訊技術中心主任Michelle Simmons教授表示:“建立一個可擴充套件的量子計算機有許多挑戰。我們堅信,要實現量子計算的全部潛力,需要高精度的製造。我們對ZyvexLitho1感到興奮,這是第一個提供原子級精密圖案的商業化工具。”

STM光刻技術的發明者、2014年費曼獎得主、伊利諾伊大學教授Joe Lyding表示:“到目前為止,Zyvex實驗室的技術是最先進的,也是這種原子級精確光刻技術的唯一商業化實現。”

ScientaOmicron的SPM產品經理Andreas Bettac博士表示:“在這裡,我們將最新的超高真空系統設計和ScientaOmicron的成熟的SPM與Zyvex的STM光刻專用的高精度STM控制器相結合。我期待與Zyvex繼續進行富有成效的合作。”

雖然EBL電子束光刻機的精度可以輕鬆超過EUV光刻機,但是,這種技術的缺點也很明顯,那就是產量很低(看前面的介紹,ZvyvexLitho1光刻時,500nm的位移,需要200秒的時間。另外電子束光刻),無法大規模製造晶片,只適合製作那些小批量的高精度晶片或者器件。但不管怎樣,這也給半導體制造向著1nm以下的皮米級前進提供了一個可行的方向。隨著技術的進步,未來EBL電子束光刻面臨的一些難題或許也有可能會被解決。

關於Zyvex

Zyvex Corporation 由 Jim Von Ehr 於 1997 年創立,旨在開發和商業化原子精密製造 (APM) 技術,以製造具有原子精密度的產品。如果開發得當,APM 允許靈活製造各種產品,從設計材料到超級計算機再到先進的醫療裝置。

在創辦 Zyvex Corporation 之前,Jim 作為軟體企業家的背景使他意識到 APM(建立“數字物質”)可以比任何現有技術更有效、更準確和更具成本效益地製造產品。

早期,Zyvex Corporation 對 APM 進行了基礎研究,並經常在此過程中構建自己的工具。最近,該公司通過開發商業奈米材料和奈米操作產品將該技術推向市場。

2001 年,Zyvex Corporation 獲得了美國國家標準與技術研究院先進技術計劃 (NIST ATP) 頒發的一項重要研究獎。奈米技術應用和製造的組裝商:開啟奈米技術時代(程式 ID 70NANB1H3021)是與霍尼韋爾和幾所支援微機電系統 (MEMS) 開發、奈米探測、奈米操作和其他基礎奈米技術工作的大學共同承擔成本的五年聯合計劃。

2003 年和 2004 年,Zyvex 公司獲得了美國 DARPA(國防高階研究計劃局)頒發的小型企業創新研究 (SBIR) 獎,以開發 mini-SEM。小型掃描電子顯微鏡和用於生產低成本mini-SEM的製造組裝技術支援了Zyvex在電子光學技術上的發展。

2004 年,Zyvex 公司還收到了美國能源部的另一份 SBIR。用於透射電子顯微鏡的 MEMS 奈米探針(程式 ID DE-FG 0204ER84130)專注於開發用於透射電子顯微鏡 (TEM) 的基於 MEMS 的奈米操作器。該計劃的結果間接導致了Zyvex MEMS 精細定位階段的改進。

2007 年 4 月,Zyvex Corporation 重組為三個獨立的公司,以確保持續專注於產品:Zyvex Performance Materials LLC、Zyvex Instruments LLC 和 Zyvex Labs LLC。資產在三個公司之間分配,併為材料和儀器業務聘請了專門的管理人員。

目前,Zyvex Labs 有兩個目標:1、開發 APM;2、開發微細加工和 3D 微組裝技術。Zyvex Labs的 MEMS 技術是在 Zyvex 為期 5 年、耗資 2500 萬美元的 NIST ATP 專案期間開發的,目前正用於製造微型科學儀器,例如微型掃描電子顯微鏡和微型原子力顯微鏡,以及下一代奈米探測系統。這些系統將為更大的市場合作夥伴開發或根據最終產品分拆成獨立的公司。Zyvex Labs 也是 Nano-Retina的創始合作伙伴,該公司正在構建一種先進的假肢視覺裝置。

需要指出的是,Zyvex Labs 的資金主要來自政府研發合同、私人投資和合同研究。此次推出的ZvyvexLitho1系統也是在DARPA、陸軍研究辦公室、能源部先進製造辦公室和德克薩斯大學達拉斯分校的Reza Moheimani教授的支援下完成的。

責任編輯:上方文Q

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