圖3 雙光束光刻示意

雙光束光刻技術需要配置特制的光刻膠以對2束光產生不同的響應，對于第1束激發(fā)光而言，作用是讓光刻膠產生聚合，并且光強和聚合程度成正比。光刻膠對第2束光的響應要求是在激發(fā)光光強不為零的情況下，才對第2束光有抑制曝光作用。因此即便第2束光的光強較強，激發(fā)光光強為0時，光刻膠也不響應，此時單體不發(fā)生聚合。同時，在第1束光光強不為0的情況下，第2束光光強越強，光刻膠的曝光程度越低。光刻膠材料要想實現(xiàn)2束光的不同響應，關鍵在于引發(fā)劑的選擇。因為引發(fā)劑是決定單體聚合程度的重要因素，一般情況下引發(fā)劑在光的作用下發(fā)生激發(fā)進而產生激發(fā)態(tài)中間體（自由基），其再與單體作用發(fā)生聚合反應進而產生樹脂固體，顯影后得到目標圖案，這一過程和EUV光刻機的光刻膠作用機理是一致的，且光刻膠的曝光程度與光強成正比，因為光強越強，激發(fā)產生的自由基數(shù)量越多。但是雙光束超分辨光刻技術的第2束光的作用是將激發(fā)態(tài)的引發(fā)劑分子通過受激輻射的方式，使其躍遷回更低的能級，從而喪失和單體的反應能力。另外，激發(fā)波長應選在所用引發(fā)劑材料激發(fā)譜的峰值波長附近，以保證較好的吸收；抑制光波長應選在所用引發(fā)劑材料激發(fā)譜的長波拖尾處，以避免損耗光對樣品的二次激發(fā)。同時受激輻射使得處于高能態(tài)的分子躍遷到低能態(tài)，其躍遷的速度與產生受激輻射效果的第2束光的光強成正比，第2束光光強越強，理論上高能態(tài)分子躍遷回低能態(tài)的比例越高。

值得一提的是，雙光束超分辨光刻技術作為對傳統(tǒng)紫外光刻技術的改良，繼承了后者的大部分基礎設施，實現(xiàn)了技術上的平滑過渡。這種技術通過引入額外的長波光源和光路，對現(xiàn)有的短波長光源進行波長調整，而核心的微縮投影曝光技術保持不變。這樣，在不犧牲已有工業(yè)光刻經驗的前提下，能夠以較低成本對產線設備進行升級和替換。在具體實施上，雙光束超分辨光刻技術要么通過改變現(xiàn)有光源的波長并添加新的光路，要么在現(xiàn)有紫外光刻機上直接增加新的光路。新加入的光路在完成投影曝光圖案的調制之后，與第1束光合束，對傳統(tǒng)單光束光刻機不造成任何影響。因此，這項技術能夠充分利用現(xiàn)有的光刻資源。EUV光刻機的優(yōu)勢是具有更高的光刻分辨、生產效率高、光刻工藝簡單。但是，EUV光刻機也存在許多問題，例如耗能巨大、能量利用率低、光學系統(tǒng)設計與制造復雜，以及將要到達摩爾定律的極限等。雙光束光刻技術在特制的光刻膠中可以得到9nm的分辨率，雖然不及EUV光刻機3~7nm的分辨率，但是設備的搭建簡易，光源為可見光，并且由于EUV光刻機的技術被封鎖，因此，對雙光束超分辨技術的掌握是十分有必要的。

在合束環(huán)節(jié)，長波光源的引入只需添加一個特殊的雙色鏡，它能夠使第1束光不受影響地通過，同時引導第2束光耦合進入第1束光的光路，共同進入光刻投影物鏡。此方法確保了與現(xiàn)有紫外光刻技術的完全兼容性，避免因技術顛覆帶來的高昂成本問題，從而為工業(yè)界接受該技術提供堅實的基礎。因此，在產能、分辨率和套刻精度方面，雙光束超分辨光刻技術水平與現(xiàn)有的EUV光刻機持平，展現(xiàn)出其作為技術升級路徑的可行性和優(yōu)勢。

雙光束超分辨光刻技術的問題與挑戰(zhàn)

一方面，2束光束的對準是雙光束超分辨光刻技術取得超分辨光刻效果的關鍵，對準涉及到2個方面。一是如何確保2束光的中心完全重合。雙光束超分辨光刻技術采用第2束光的核心目的是對第1束光產生的衍射邊緣進行修正。在一般情況下，將2束光各自產生的光斑對準的關鍵是其相對位置是否對齊?？梢酝ㄟ^調整光學系統(tǒng)中的雙色鏡，使得第2束光的位置相對第1束光的位置發(fā)生改變，并最終完全對齊。在這個過程中，精確測量每個光斑的位置光強分布，并通過光學系統(tǒng)來調整兩者的相對位置是完全可行的。二是光刻設備隨著時間的推移難以長時間保持對準。在理想狀態(tài)下，2個光斑的相對位置是不會發(fā)生變化的。然而，光刻設備在受到外界環(huán)境，例如振動、溫度改變等多因素的影響時，相對位置可能會發(fā)生一定程度的偏移，導致2束光分離。為了解決這一問題，光刻設備的各光學元件的位置移動和形狀改變程度必須降到最低，確保雙光束產生相應的抑制效果。