■本报见习记者 高雅丽 本报记者 彭丽
作为集成电路产业中最关键的基础装备之一，光刻机在国内有着巨大的市场潜力，但高端光刻装备一直被国外所垄断，研制出国产化的光刻机一直是中国微纳加工领域几代科学家的“最大梦想”。
11月29日，中国科学家在实现梦想的路上迈出了关键一步。由中国科学院光电技术研究所（以下简称光电所）承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收，这是世界上首台用紫外光实现了22nm分辨率的超分辨光刻装备，为纳米光学加工提供了全新的解决途径。
突破分辨力衍射极限
《科学》杂志曾提出本世纪125个最具挑战性的科学问题，其中第40个问题涉及能否大幅突破衍射极限制造完美光学透镜。
光学光刻作为主流的光学制造技术，由于衍射极限的限制，这成为光刻机技术发展的主要技术瓶颈，同时导致光学光刻装备成本极高。而另一类电子束、离子束直写技术，虽然分辨率能达到10nm量级，但效率极低，难以用于批量生产器件。
在这项世界性的难题面前，光电所率先实现了突破。光电所所长罗先刚告诉《中国科学报》记者：“2003年光电所在国际上率先发现了异常杨氏双缝干涉现象，揭示了亚波长结构中存在一种超构表面波，其等效波长可以调制到软X射线尺度，为突破衍射极限提供了全新的原理方法和直接的手段。”
对于这项超分辨光刻技术的提出，中科院院士周光召在立项之初曾评价：“这些成果是基础理论和工程应用紧密结合的全链条创新典范，是我国具有原创性、能引起国际引领作用的代表性工作。”
在光电所的努力下，中国的光刻机研制跳出了缩小波长、增大数值口径来提高分辨力的老路子，为突破22nm甚至10nm光刻节点提供了一种全新的技术，也为超分辨光刻装备提供了理论基础。
验收专家组表示：“项目在原理上突破分辨力衍射极限，建立了一条高分辨、大面积的纳米光刻装备研发新路线，绕过了国外高分辨光刻装备技术知识产权壁垒，实现了我国技术源头创新，研制出了拥有自主知识产权、技术自主可控的超分辨光刻装备。该装备是世界上首台分辨力最高（22nm@365nm）超分辨光刻装备。”
开辟“新”光刻技术和装备
为什么这台光刻装备采用了新的原理和技术？光电所研究员、项目副总设计师胡松告诉记者，采用传统技术的光刻机不仅受知识产权保护，还有诸多技术壁垒。在没有国外成熟经验可借鉴的情况下，项目成员想要开辟一条新路径。
2012年，光电所承担了国家重大科研装备——超分辨光刻装备项目。经过近7年艰苦攻关，项目组突破了高均匀性照明，超分辨光刻镜头，纳米级分辨力检焦及间隙测量，超精密、多自由度工件台及控制等关键技术，完成了装备研制。
这台装备采用365nm波长光源，单次曝光最高线宽分辨力达到22nm。对此，胡松打了一个比方：“这相当于我们用很粗的刀，刻出一条很细的线。”
回忆这7年的攻关时刻，胡松告诉记者，一开始项目成员有些“不相信能做出这台设备”。但随着项目组先后实现了50nm、45nm、32nm超分辨成像光刻结果，大家的信心越来越坚定。
“我最激动的时候是去年7、8月份，当时我们做出了10nm×10nm的多场重复曝光，这意味着技术已经逐渐成熟。”胡松说。
在此基础上，项目组结合项目开发的高深宽比刻蚀、多重图形等配套工艺，实现了10nm以下特征尺寸图形的加工。该项目目前已获得了授权国内发明专利47项，国外发明专利4项，拥有完全自主知识产权。
解决产业应用难题
在当前的集成电路生产线上，193nm深紫外光刻机和EUV极紫外光刻机对中国处于封锁状态，而这台超分辨光刻装备，解决了紫外光刻机的机理、装备和工艺问题。“这让我国在高端光刻机技术方面突破封锁，并在逐步实现产业化方面有了从0到1的跨越。”胡松表示。
现在微纳光刻技术是现代先进制造的重要方向，是信息、材料等诸多领域的核心技术。与此同时，光学超材料、变革性光学等的出现，迫切需要发展专用的微纳制造工具。
面对实际应用需求，项目组通过技术的延伸，解决了多种微纳功能材料和器件的加工难题，并实现了相关器件的制造。
例如在生化传感芯片方面，通过超分辨光刻装备制备的纳米传感器件，可以实现对目标分子的高灵敏探测，避免检测过程中的接触污染，在早期癌症诊断技术方面实现突破。
验收专家表示，利用超分辨光刻装备，项目组为航天科技集团第八研究院、中科院上海微系统与信息技术研究所、电子科技大学、四川大学华西二院、重庆大学等多家单位制备了一系列纳米功能器件，包括大口径薄膜镜、超导纳米线单光子探测器、切伦科夫辐射器件、生化传感芯片、超表面成像器件等，验证了超分辨光刻装备纳米功能器件加工能力，已达到实用化水平。
验收专家一致认为：“这项装备形成了一条全新的纳米光学光刻技术路线，具有完全自主知识产权，为超材料/超表面、第三代光学器件、广义芯片等变革性战略领域的跨越式发展提供了制造工具。”
