光刻機(jī)是集成電路制造的關(guān)鍵核心設(shè)備，為了在更小的物理空間集成更多的電子元件，單個(gè)電路的物理尺寸越來(lái)越小，主流光刻機(jī)在硅片上投射的光刻電路分辨率達(dá)到50-90nm。由于光波衍射的緣故，光刻電路是一個(gè)彌散的光斑，其特征尺寸大約是光波長(zhǎng)的一半，更小特征尺寸的光刻電路意味著更高的光刻分辨率。為了得到更高的分辨率，目前主流光刻技術(shù)的發(fā)展局限于在光學(xué)衍射極限范圍內(nèi)不斷縮短所用光源的波長(zhǎng)，其代價(jià)非常昂貴。今天光刻機(jī)被稱為“人類最精密復(fù)雜的機(jī)器”，荷蘭ASML公司EUV光刻機(jī)售價(jià)高達(dá)1億美元，而且只有ASML能夠生產(chǎn)。

　　國(guó)內(nèi)目前還沒有安裝ASML EUV機(jī)臺(tái)，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)上與之差距太大，根本無(wú)法在高端市場(chǎng)上參與競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)重制約了我國(guó)微電子信息工業(yè)的發(fā)展。根據(jù)媒體報(bào)道，近年來(lái)我國(guó)每年集成電路產(chǎn)品進(jìn)口金額與每年原油進(jìn)口金額大致相當(dāng)，每年已經(jīng)超過(guò)2000億美元，如何改變集成電路制造受制于人的局面是國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)研發(fā)的主要目標(biāo)。

　　2014年10月瑞典皇家諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)決定將當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予打破光學(xué)衍射極限發(fā)明超分辨率光學(xué)顯微技術(shù)的三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诔�分辨率光學(xué)成像方面的卓著貢獻(xiàn)。其中斯蒂芬?黑爾教授發(fā)明的STED超分辨技術(shù)采用二束激光，一束激發(fā)激光(Exciting Laser Beam)激發(fā)顯微鏡物鏡下的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，另外一束中心光強(qiáng)為零的環(huán)形淬滅激光(Inhibiting Laser beam)淬滅激發(fā)激光產(chǎn)生的熒光。這兩束光的中心重合在一起，使得只有處于納米級(jí)環(huán)形淬滅激光中心處的熒光分子才能正常發(fā)光，通過(guò)掃描的辦法就可以得到超越衍射極限的光學(xué)成像。

　　遵循這個(gè)思路，華中科技大學(xué)國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室的甘棕松教授在國(guó)外攻讀博士學(xué)位期間，采用類似方法在光刻制造技術(shù)上取得進(jìn)展，成功突破光學(xué)衍射極限，首次在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)記錄的單線9納米線寬，雙線間距低至約50納米的超分辨光刻。未來(lái)將這一技術(shù)工程化應(yīng)用到光刻機(jī)上，能夠突破光學(xué)衍射極限對(duì)投射電路尺寸的限制從而實(shí)現(xiàn)超分辨光刻，有望使國(guó)產(chǎn)集成電路光刻機(jī)擺脫一味采用更短波長(zhǎng)光源的技術(shù)路線。

　　甘棕松教授發(fā)明的超分辨納米光刻技術(shù)利用光刻膠雙光子吸收特性，采用雙束光進(jìn)行光刻，一束為飛秒脈沖激光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形進(jìn)入到物鏡，聚焦成一個(gè)很小的光斑，光刻膠通過(guò)雙光子過(guò)程吸收該飛秒光的能量，發(fā)生光物理化學(xué)反應(yīng)引發(fā)光刻膠發(fā)生固化;另外一束為連續(xù)激光，同樣經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形后，進(jìn)入到同一個(gè)物鏡里，聚焦形成一個(gè)中心為零的空心狀光斑，與飛秒激光光斑的中心空間重合，光刻膠吸收該連續(xù)光的能量，發(fā)生光物理化學(xué)反應(yīng)，阻止光刻膠發(fā)生固化。兩束光同時(shí)作用，最終只有連續(xù)光空心光斑中心部位的地方被固化。甘棕松教授目前已經(jīng)把空心光斑中心部位最小做到9nm，至此突破光學(xué)衍射極限的超分辨光刻技術(shù)在常規(guī)光刻膠上得以完美實(shí)現(xiàn)。

　　采用超分辨的方法突破光學(xué)衍射的限制，將光聚集到更小的尺寸，應(yīng)用到集成電路光刻可以帶來(lái)兩個(gè)方面的好處：一方面可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，不再需要采用更短波長(zhǎng)的光源，使得光刻機(jī)系統(tǒng)造價(jià)大大降低;另外一方面采用可見光進(jìn)行光刻，可以穿透普通的材料，工作環(huán)境要求不高，擺脫EUV光源需要真空環(huán)境、光刻能量不足的羈絆。

　　與動(dòng)輒幾千萬(wàn)美元的主流光刻機(jī)乃至一億美元售價(jià)的EUV光刻機(jī)相比，超分辨光刻硬件部分只需要一臺(tái)飛秒激光器和一臺(tái)普通連續(xù)激光器，成本只是主流光刻機(jī)的幾分之一。該系統(tǒng)運(yùn)行條件比紫外光刻溫和得多，不需要真空環(huán)境，不需要特殊的發(fā)光和折光元器件，和一般光刻系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)僅僅是引入了第二束光，系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)上改動(dòng)比較小，光刻機(jī)工程化應(yīng)用相對(duì)容易，有希望使國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)在高端領(lǐng)域彎道超車、有所突破。