众所周知，目前在半导体制造领域，要想制造5nm芯片，就必须要用到UV光刻机。而目前荷兰ASML公司是全球唯一能生产EUV光刻机的公司。而现在中科院苏州纳米所的团队开发了一种新的激光光刻技术，不需要使用EUV技术就可以制备出5nm特征线宽。

近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员与国家纳米中心刘前研究员合作，在Nano Letters上发表了题为“5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography”的研究论文，报道了一种他们开发的新型5 nm超高精度激光光刻加工方法（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00978）。 

中科院苏州纳米所张子旸研究员团队长期从事微纳加工技术的开发、高速光通信半导体激光器、超快激光器等的研制工作；国家纳米中心刘前团队长期从事微纳加工方法及设备的创新研究，发展出了多种新型微纳加工方法和技术。

激光直写作为一种高性价比的光刻技术，可利用连续或脉冲激光在非真空的条件下实现无掩模快速刻写，大大降低了器件制造成本，是一种有竞争力的加工技术。然而，长期以来激光直写技术由于衍射极限以及邻近效应的限制，很难做到纳米尺度的超高精度加工。

本研究中使用了研究团队所开发的具有完全知识产权的激光直写设备，利用了激光与物质的非线性相互作用来提高加工分辨率，其有别于传统的缩短激光波长或增大数值孔径的技术路径；并打破了传统激光直写技术中受体材料为有机光刻胶的限制，可使用多种受体材料，极大地扩展了激光直写的应用场景。

本项工作中，研究团队针对激光微纳加工中所面临的实际问题出发，很好地解决了高效和高精度之间的固有矛盾，开发的新型微纳加工技术在集成电路、光子芯片、微机电系统等众多微纳加工领域展现了广阔的应用前景。 

图1：亚 10nm 结构的应用领域和方向

在本次研究中，研究人员基于光热反应机理，设计并开发出一种新型三层堆叠薄膜结构。在无机钛膜光刻胶上，采用双激光束（波长为405 nm）交叠技术（见图2a），通过精确控制能量密度及步长，实现了1/55衍射极限的突破（NA=0.9），达到了最小5nm的特征线宽。

此外，研究团队还利用这种超分辨的激光直写技术，实现了纳米狭缝电极阵列结构的大规模制备（如图2b-c）。相较而言，采用常规聚焦离子束刻写，制备一个纳米狭缝电极需要10到20分钟，而利用本文开发的激光直写技术，可以一小时制备约5×10⁵ 个纳米狭缝电极，展示了可用于大规模生产的潜力。

图2 ：双束交叠加工技术示意图（左）和 5 nm 狭缝电极电镜图（右）

纳米狭缝电极，作为纳米光电子器件的基本结构，有着极为广泛的应用。

该团队还利用新技术，制备出以纳米狭缝电极作为基本结构的、多维度可调的电控纳米 SERS 传感器（SERS 一般指表面增强拉曼，Surface-Enhanced Raman Scattering，简称 SERS）。可在传感器一维方向上对反应“热点”完成定点可控，实现了类似逻辑门“0”、“1”信号的编码和重复（图3a-b），并可通过狭缝间距和外加电压的改变，实现了对反应“热点”强度的精确可调（图3c-d），这对表面科学和痕量检测等研究有着重要的意义。

图3：（a）纳米 SERS 传感器的光学显微镜图；（b）一维线性扫描下拉曼信号谱；（c）不同宽度下拉曼信号谱；（d）不同外加电压下拉曼信号谱

半导体光刻最重要的指标是光刻分辨率，它跟波长及数值孔径NA有关，波长越短、NA越大，光刻精度就越高，EUV光刻机就是从之前193nm波长变成了13.5nm波长的EUV极紫外光，而NA指标要看物镜系统，ASML在这方面靠的是德国蔡司的NA=0.33的物镜，下一代才回到NA=0.55的水平。

而中科院苏州所联合国家纳米中心开展的这项研究，则是在无机钛膜光刻胶上，采用双激光束（波长为405 nm）交叠技术，通过精确控制能量密度及步长，实现了1/55衍射极限的突破（NA=0.9），达到了最小5 nm的特征线宽，确实是一大突破。

不过，目前这还只是实验室中取得的技术突破，并没有达到量产的程度。而且原文并没有特意强调该技术是用来生产5nm半导体芯片的，甚至一个字都没提到是光刻机，它更多地是用于快速制备纳米狭缝电极阵列结构。

编辑：芯智讯-林子   来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、快科技