进入量子世界！美国首次商业化原子级精密光刻技术
我们常说的芯片也就是集成电路：通过平面制造工艺将元器件（例如，晶体管）“集成”在半导体芯片，并封装在保护外壳内，以执行特定功能。为了把晶体管做小、提高晶体管密度，自然需要更精密的刻刀——光刻机。
众所周知，国产光刻机与国际领先水平差距非常大。就分辨率而言，目前荷兰ASML领先的EUV光刻机分辨率为13纳米，可以支持生产5nm芯片；正在开发的下一代High-NA光刻机分辨率达8纳米。而国产光刻机只能达到90纳米。
正当国产光刻机积极追赶AMSL时，光刻机领域又曝出了重大新闻。9月19日，美国公司Zyvex实验室宣布世界上最高分辨率的光刻系统——ZyvexLitho1TM[1]。该工具采用量子物理技术，实现了768皮米(即0.768纳米)的原子级精密图案和亚纳米级分辨率。这一进展使量子计算机能够为真正的安全通信提供牢不可破的加密，还能更快地发现药物、更准确地预测天气。
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ZyvexLitho1™：首次商业化原子级精密光刻技术
ZyvexLitho1TM是基于Zyvex实验室自2007年以来一直在改进的扫描隧穿显微镜（STM）仪器，并集成了许多自动化特性和功能，这是任何商用扫描隧穿显微镜所没有的。现在，Zyvex实验室正在接受ZvyvexLitho1TM系统的订单，交货期约为6个月ARO（收到订单后）。
左：Michelle Simmons；右：Joe Lyding
2015年费曼奖得主、硅量子计算公司的首席执行官、新南威尔士大学量子计算和通信技术中心主任Michelle Simmons教授表示，“建立一个可扩展的量子计算机有许多挑战。我们坚信，要实现量子计算的全部潜力，需要高精度的制造。我们对ZyvexLitho1感到兴奋，这是第一个提供原子级精密图案的商业化工具。”
STM光刻技术的发明者、2014年费曼奖得主、伊利诺伊大学教授Joe Lyding表示：“到目前为止，Zyvex实验室的技术是最先进的，也是这种原子级精确光刻技术的唯一商业化实现。”
Zyvex Labs是美国一家致力于生产原子级精密制造工具的纳米技术公司。这个产品是在DARPA（国防高级研究计划局）、陆军研究办公室、能源部先进制造办公室和德克萨斯大学达拉斯分校的Reza Moheimani教授的支持下完成的，他最近被国际自动控制联合会授予工业成就奖，“以支持单原子规模的量子硅设备制造的控制发展”。
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氢去钝化光刻(HDL)：实现更高的分辨率和精度
氢去钝化光刻(HDL)是电子束光刻(EBL)的一种形式，它通过非常简单的仪器实现原子分辨率，并使用能量非常低的电子[2]。它使用量子物理学有效地聚焦低能电子和振动加热方法，以产生高度非线性（多电子）的曝光机制。HDL使用附着在硅表面的单层H原子作为非常薄的抗蚀剂层，并使用电子刺激解吸在抗蚀剂中创建图案。
左：0.768nm（2个原子宽）线；右：–0.384nm曝光的H原子阵列（白点）。HDL曝光单个H原子，与其他H原子平均间隔0.384nm可以通过这种技术曝光。
传统EBL使用大型昂贵的电子光学系统和非常高的能量(200Kev)来实现小光斑尺寸；但是高能电子（获得小光斑尺寸所必需的）分散在传统EBL使用的聚合物抗蚀剂中，并分散沉积的能量，从而形成更大的结构。HDL实现了比传统EBL更高的分辨率和精度。
数据显示，光刻胶中的沉积能量不会下降到光束中心的10%，直到径向距离约为4nm。
使用HDL，实验团队能够暴露比EBL的10%阈值半径小>10倍的单个原子。这个小得多的曝光区域令人惊讶，因为HDL不使用光学器件，只是将钨金属尖端放置在H钝化硅样品上方约1nm处。人们会期望，如果没有光学器件来聚焦来自尖端的电子，那么曝光区域会更大。
（按比例）显示了距H钝化硅表面约1nm的W扫描隧穿显微镜（STM）尖端。
电子似乎不太可能只遵循暴露单个H原子所需的实心箭头路径。为了解决这个谜团，我们必须了解电子实际上不是从尖端发射（在成像和原子精密光刻模式下），而是从样品到尖端（在成像模式下）或从尖端到样品（在光刻模式下）模式。使用具有无限平坦和导电衬底的简单模型、STM尖端顶点处单个W原子的发射以及简化的隧穿电流模型，我们将看到电流随着隧穿距离呈指数下降。
以下是一个简单的HDL模型。该模型假设一个无限平坦的导体作为基底，一个半径为Rt的球体作为STM尖端的顶点。来自STM尖端的隧穿电流可以用简化的表达式建模：
其中，i是隧穿电流，K是常数，V是尖端样品偏置，Td是隧穿间隙，ɸ是局部势垒高度，me是电子质量，ħ是普朗克常数/2π。使用V=4 V（常见的HDL偏置）、ɸ=4 eV（~钨尖端的功函数）和Td = 1 nm的方程，可以将常数K设置为0.194，这将产生电流1 nA，这是典型的HDL暴露电流。STM隧穿电流作为尖端高度函数的粗略经验法则是，将尖端高度改变±0.1 nm将使隧穿电流减小/增加一个数量级。最终，这一模型预测减少/增加7.75倍，为模型提供了一些可信度。
隧穿电流在样品上的径向分布
然而，仅此一点并不能解释HDL的原子分辨率。H原子仅相隔0.384nm，即使具有完美的尖端定位和随机（量子）曝光机制，预计会在大约30%的时间内看到错误率（去除相邻的H原子）。在4V的偏压下，通过单次电子撞击就有足够的能量转移，并且原子分辨率模式下的HDL是一个高度非线性的曝光过程，其曝光概率随5次隧穿电流的变化而变化。当对电流的依赖性应用于电流分布时，曝光效率显着提高，如下图所示：
由于量子隧穿效应和归一化曝光效率导致的归一化电流分布，每个电子释放的氢原子是与峰的径向距离（以nm为单位）的函数。
对于使用HDL曝光图案的常用模式，与不需要的曝光的横向距离约为0.47nm，导致错误率为10-6。对于能级和隧穿速率对距离变化极为敏感的固态量子器件，HDL是固态量子器件制造的理想选择。HDL光刻的几个例子如下所示：
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完整的扫描隧穿光刻系统：六大功能
嵌入ZyvexLitho1TM的是ZyVector™。这个20位数字控制系统具有低噪音、低延迟的特点，使用户能够为固态量子设备和其他纳米设备和材料制作原子级的精确图案。ZyvexLitho1™是一个完整的扫描隧穿光刻系统，具有任何其他商业扫描隧穿光刻系统不具备的功能[3]：能够实现无失真成像、自适应电流反馈回路、自动晶格对准、数字矢量光刻、自动化脚本和内置计量。
1）无失真成像。系统专有的蠕变（Creep）、滞后校正算法允许无失真成像，和原子级精确的尖端定位，可以实现前所未有的光刻精度。
2）可适应的电流反馈回路。所有的商业STM都使用相同的比例积分（PI）环路来提高和降低STM的尖端，因为它扫描保持一个设定点电流。不幸的是，这种简单的控制回路的尖端崩溃是经常发生的。如果只是简单的成像，这可以被容忍，但在做光刻时是一个严重的问题。因此，在ZyvexLitho1的控制系统中加入了专利的适应性电流控制回路，将极大地减少针尖碰撞。
图中显示了对硅（Si）表面的直线扫描，在控制回路为标准PI回路的轮廓E中，有几个扰动导致了电流误差[4]。在轮廓F中，可适应的控制回路被打开，针尖在同一直线上扫描。更精确的电流控制提供了一个更精确的轮廓，当表面扰动较大时，避免了针尖崩溃。
3）自动晶格对准。因为光刻模式和成像模式在能量上是分开的，所以在光刻之前和之后都可以对硅表面进行成像。这种非曝光的成像模式允许自动识别硅晶格，从而确定表面上的像素位置。这种晶格锁定过程可以自动保持针尖定位（因此也是光刻）的准确性。
4）数字矢量光刻技术。ZyvexLitho1使用氢气去钝化光刻技术从Si(100)2×1重建的表面去除H原子。这种自我发展的曝光技术在本质上是二元的。要么H-Si键被打破（将H原子送入真空），要么没有；不存在部分曝光或邻近效应。利用这一过程和作为硅表面晶格的全球基准网格，可以进行数字光刻。亚纳米像素是4个表面硅原子。设计网格与像素网格相同的计算机辅助设计（CAD）文件可以被加载到ZyvexLitho1中，图案可以被自动分解成不同的几何形状，使针尖矢量可以用于不同的光刻模式；然后可以自动进行曝光。
5）自动化和脚本化。几乎所有的程序都可以实现自动化操作：用于单个命令或脚本的命令行界面、用于内置和用户编写的脚本的脚本菜单。并且，具有多种图案输入模式：作为几何图形、矢量列表、黑/白位图。
6）内置计量学。有一个非破坏性的成像模式，这样新的图案可以与旧的图案对齐，并且在写入后可以检查图案质量。
不仅如此，完整的ZyvexLitho1TM系统还包括一个为制造量子器件而配置的ScientaOmicron超高真空STM（扫描隧穿显微镜）。ScientaOmicron的SPM产品经理Andreas Bettac博士表示：“在这里，我们将最新的超高真空系统设计和ScientaOmicron的成熟的SPM与Zyvex的STM光刻专用的高精度STM控制器相结合。我期待与Zyvex继续进行富有成效的合作。”
参考链接：
[1]https://www.newswire.com/news/the-worlds-1st-sub-nanometer-resolution-lithography-system-21823319
[2]https://www.zyvexlabs.com/apm/products/zyvex-litho-1/physics-of-zyvex-litho-1/
[3]https://www.zyvexlabs.com/apm/products/zyvex-litho-1/features-of-zyvex-litho-1/
[4]https://doi.org/10.1109/TCST.2018.2844781