极紫外(EUV)光刻技术是互补金属氧化物半导体（CMOS）量产中一种先进的技术，随着下一代高数值孔径(NA)EUV扫描仪的不断发展，EUV光刻技术正朝着特征尺寸低于10 nm的方向发展。到目前为止，基于透射光栅的EUV干涉光刻技术(EUV-IL)已经成为早期开发EUV光刻胶和相关工艺的图案化工具，在探索和推动光子光刻技术的发展方面发挥了关键作用。然而，由于衍射极限的限制，使用EUV-IL技术实现低于10 nm的特征尺寸仍存在挑战。
瑞士Paul Scherrer研究所(PSI)的研究人员开发了一种新的EUV-IL装置，该装置采用基于反射镜的技术，突破了传统基于光栅方法固有的衍射效率对衍射极限的限制，显著提高了光刻的分辨率，可用于制造更密集的电路模式，有望进一步推进计算机芯片的小型化。相关研究成果以“Extreme ultraviolet lithography reaches 5 nm resolution”为题，发表在Nanoscale上。
光刻技术演进，见证芯片的巨变
目前微米级芯片的导电通道一般相隔12 nm，而PSI的研究人员已经成功制造出了5 nm间距的通道。这意味着采用该技术可以设计出比以前更紧凑的电路。Giannopoulos表示，“我们的工作展示了光刻的潜力，这对工业界和学术研究来说都是重要的一步。”
1970年，一个微米级芯片上通常只能容纳大约1000个晶体管。而50多年后的今天，一个仅比指尖大一点的区域就可以容纳大约600亿个元件，这些元件都是用光刻技术制造的。制造流程可以简略概括为：1）在硅晶圆上旋涂上一层光刻胶来构成光敏层；2）将其暴露在与芯片版图相对应的光模式下，可以改变光刻胶的化学性质（溶解性）；3）根据使用的正（负）胶，显影去除暴露（未暴露）的区域，在晶圆上留下导电通道，形成所需的布线图案。
长期以来，工业界广泛使用波长为193 nm的深紫外（DUV）光刻技术。自2019年以来，制造商一直在量产中使用波长为13.5 nm的EUV光刻技术；更短波长的极紫外光可以曝光更精细的结构，分辨率低至10 nm或更小。最近在PSI，研究人员使用瑞士光源(SLS)照射并进行探究，最终将入射光波长调整为13.5 nm。
图1 PSI的研究员Iason Giannopoulos手持用于在SLS进行EUV光刻实验的装置部件照片
新一代极紫外光刻工具引领芯片制造革命
PSI的研究人员通过间接暴露样品扩展了传统的EUV光刻技术。图2是研究人员开发的极紫外光反射镜干涉光刻技术（MIL）的原理示意图，两束相干光通过两个相同的反射镜反射到晶圆上，形成干涉图案，其周期取决于入射角和光的波长。为了评估MIL装置的性能，在高分辨率的HSQ（Hydrogen silsesquioxane，氢倍半硅氧烷）光刻胶上进行图案曝光。通过单次曝光，分别在掠射角（α）17°和21.2°下实现了特征尺寸6 nm和5 nm的干涉图案。
图2 中：MIL原理示意图。极紫外光束被物理光子阻挡器分成两部分，在被特定倾斜角度的镜子反射后，两束相干光在光刻胶上发生干涉。左：曝光图案的扫描电子显微镜图像，特征尺寸6 nm。右：曝光图案的扫描电子显微镜图像，特征尺寸5 nm
在扫描电子显微镜下观察，发现导电通道具有高对比度和锋利的边缘。Kazazis表示，“我们的实验结果表明EUV光刻技术可以产生极高的分辨率，这意味着目前还没有可预见的根本局限性，这真的很令人兴奋，因为它扩展了我们对可能性的认知边界，并且可以为EUV光刻和光刻胶材料领域的研究开辟新的途径。”
目前，这种方法并不适用于工业界芯片生产，因为与工业标准相比，它的速度较慢，并且只能生产简单和周期性的结构，不能生产具有复杂结构的芯片。但是，它为未来芯片生产所需光刻胶的早期开发提供了一种方法，能实现目前工业界无法达到的分辨率。
该团队表示，他们计划在SLS使用一种新的EUV工具继续他们的研究，该研究将持续到2025年底；新工具与目前正在升级的SLS 2.0相结合，预计将极大地改善性能和功能。
