國產光刻機產業鏈，又迎好消息。
近日，據中國微米納米技術學會報道，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張子旸研究員，與國家納米科學中心劉前研究員合作，在《納米快報》（Nano Letters）上發表了題為《超分辨率激光光刻技術制備 5nm 間隙電極和陣列》（5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography）的研究論文，論文講述了該團隊開發的新型 5 nm 超高精度激光光刻加工方法。
據悉，《納米快報》是由美國化學學會出版的每月經同行評審的科學雜志，其成立于 2001 年 1 月，該期刊涵蓋了納米科學和納米技術及其子學科的各個方面。
本次論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國科學技術大學聯合培養碩士研究生秦亮。中科院蘇州納米所與蘭州大學聯合培養的博士研究生黃源清、和青島大學物理學院夏峰為論文共同第一作者。 張子旸研究員和劉前研究員， 為論文的通訊作者。
目前，本工作已經獲得國家重點研究計劃項目、國家自然科學基金、Eu-FP7 項目和中國博士后科學基金的支持。
微納加工的效率和精度有待提升
當前，亞 10nm 結構在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術領域，有著巨大的應用需求，因此微納加工的效率和精度也必須有所提升。
 
圖 | 亞 10nm 結構的應用領域和方向
具體來說，微納加工包括微制造和納制造兩個方面。而微制造主要包含兩種工藝方式，一種是基于半導體制造工藝的光刻技術、LIGA 技術和鍵合技術等，另一種是機械微加工。
而激光直寫正是一種高性價比光刻技術，其可以利用連續激光或脈沖激光，在非真空條件下實現無掩模快速刻寫，使用這種技術，器件制造成本相對會更低。
然而，長期以來，激光直寫技術由于衍射極限、以及鄰近效應的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。
在本次研究中，研究團隊使用了他們開發的具有完全知識產權的激光直寫設備，并利用激光與物質的非線性相互作用，來提高加工分辨率。
這有別于傳統的縮短激光波長、或增大數值孔徑的技術路徑，并打破了傳統激光直寫技術中、受體材料為有機光刻膠的限制。該團隊在研究中，使用了多種受體材料，極大擴展了激光直寫的應用場景。
此外，研究團隊從激光微納加工中的實際問題出發，很好地解決了高效率和高精度之間的固有矛盾，并開發出新型微納加工技術，該技術在集成電路、光子芯片和微機電系統等眾多微納加工領域，都擁有著廣闊應用前景。
在本次研究中，研究人員基于光熱反應機理，設計并開發出一種新型三層堆疊薄膜結構。
在無機鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長為 405 nm）交疊技術，通過精確控制能量密度及步長，實現了 1/55 衍射極限的突破（NA=0.9），達到了最小 5 nm 的特征線寬。
研究團隊還利用上述具有超分辨的激光直寫技術，實現了納米狹縫電極陣列結構的大規模制備。
相較而言，采用常規聚焦離子束刻寫的方式，制備一個納米狹縫電極需要 10 到 20 分鐘，而利用本文開發的激光直寫技術，一小時就能制備約 5×10 5 個納米狹縫電極，其大規模的生產潛力非常大。
 
圖 | 雙束交疊加工技術示意圖（左）和 5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）
納米狹縫電極，作為納米光電子器件的基本結構，有著極為廣泛的應用。
該團隊還利用新技術，制備出以納米狹縫電極作為基本結構的、多維度可調的電控納米 SERS 傳感器（SERS 一般指表面增強拉曼，Surface-Enhanced Raman Scattering，簡稱 SERS）。
并能做到在傳感器一維方向上，對反應 “熱點” 完成定點可控，實現類似邏輯門 “0”、“1” 信號的編碼和重復，并可通過狹縫間距、和外加電壓的改變，實現對反應 “熱點” 強度的精確可調，這對表面科學和痕量檢測等研究有著重要的意義。
 
圖 | （a）納米 SERS 傳感器的光學顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號譜；（c）不同寬度下拉曼信號譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號譜
據方正證券《光刻機行業研究框架——專題報告》顯示，光刻機作為前道工藝七大設備之首（光刻機、刻蝕機、鍍膜設備、量測設備、清洗機、離子注入機、其他設備），價值含量極大，在制造設備投資額中單項占比高達 23%。
同時，光刻機的技術要求極高，涉及精密光學、精密運動、高精度環境控制等多項先進技術。業界普遍認為，光刻機是人類文明的智慧結晶，其還被譽為半導體工業皇冠上的明珠。
光刻機分為前道光刻機和后道光刻機，前者用于芯片制造，大家熟知的 ASML 的光刻機便是前道光刻機；后道光刻機則主要用于芯片封裝。
目前，全球前道光刻機被 ASML、尼康、佳能完全壟斷，CR3（業務規模前三名的公司所占的市場份額）高達 99%。在當前局勢下，實現光刻機的國產替代勢在必行，具有重大戰略意義。
中科院已經深度布局光刻機產業鏈
中科院在光刻機核心組件方面早有布局。
比如負責曝光光學系統的長春國科精密光學技術有限公司，其背后大股東正是中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，第三大股東則是中國科學院上海光學精密機械研究所。
此外，國科精密通過承擔 “國家科技重大專項 02 專項” 核心光學任務，建成了國際水平的超精密光機系統研發與制造平臺。2016 年，國科精密研發的國內首套用于高端 IC 制造的 NA0.75 投影光刻機物鏡系統順利交付用戶，標志著我國超精密光學技術已經達到國際先進水平。
負責光源系統的北京科益虹源光電技術有限公司，其背后也有中科院的身影：大股東是中國科學院光電研究院，第五大股東則是中國科學院微電子研究所。
與此同時，科益虹源也是中國唯一、世界第三家高能準分子激光器研發制造企業，2018 年自主研發設計生產成功后，打破了國外廠商對該技術產品的長期壟斷。
 
圖 | 科益虹源生產的光刻用準分子激光器
負責物鏡系統的北京國望光學科技有限公司，其第二大股東和第五大股東，分別是中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、和中國科學院上海光學精密機械研究所。
國望光學研發的我國首套 90nm 節點 ArF 投影光刻機曝光光學系統，已于 2016 年順利交付，此項成果標志著我國超精密光學技術已全面形成、并躋身國際先進行列。該公司所承接的 110nm 節點 KrF 光刻機曝光光學系統的產品研發工作，也已接近尾聲。
值得注意的是，中科院背后這些公司之間的關系也很緊密。例如，國望光學是國科精密的間接股東。