暨南大学突破数字无掩模光刻极限，实现高密度纳米图案高保真制造

导读

近日，暨南大学赵圆圆和段宣明团队在《Microsystems & Nanoengineering》发表最新研究成果，提出了一种基于多重曝光与退相干光场的数字投影光刻新策略，成功实现高密度纳米图案的高保真数字曝光，为下一代集成电路、光子器件及量子芯片的制造提供了可行路径。

研究背景

随着集成电路、光子器件和量子芯片对功能性微纳结构密集度的不断提升，纳米级图案的高精度、高保真制造已成为核心技术难题。传统光刻技术不仅受限于高昂的掩模成本，还因多重对准和复杂工艺流程而增加生产难度，从而在小批量或研发阶段的高密度纳米图案制造中缺乏灵活性和效率。数字无掩模投影光刻（常见如DMD光刻）以低成本、灵活性高等优势成为新兴方案，但单次曝光仍难以突破衍射极限。高密度图形布局内部间距不均匀，会导致不同区域景深差异显著，进一步压缩工艺窗口，影响制备稳定性。因此，如何在保证高分辨率的前提下，实现高密度图形的一致、可靠转移，成为数字光刻领域亟需解决的技术难题。

研究方案与成果

暨南大学研究团队提出一种基于DMD光刻的原位数字多重曝光（Multiple Exposures, ME）策略将高密度目标版图分解为多个低空间频率的稀疏子版图，在同一光刻胶层中依次曝光。每个子版图的光场在光刻胶中独立作用，而不同子版图的光场在光学上相互退相干，即光场之间失去固定相位关系，干涉效应被抑制。这种退相干叠加机制使光刻胶中的化学反应只反映每个子版图的局部光强分布，避免了高密度图形间的干扰和桥连现象，从而显著提升图形可分辨性，并拓宽工艺深焦距与工艺窗口。

 

图1.多重曝光数字投影光刻系统及版图分解示意图

仅依赖多重曝光仍无法保证高密度图形的一致性。为此，团队开发了基于梯度下降的空间均匀化版图分解算法（GD-LDSU），首次在版图分解中引入可微目标函数。该算法不仅解决最小间距违规问题，还最大化子版图内部间距均匀性，有效抑制局部景深差异对工艺窗口的压缩。GD-LDSU 可高效运行于 GPU 平台，适用于大规模、复杂版图的快速处理。仿真与实验结果显示，该方法显著降低了工艺波动带宽（PV-band），拆分的稀疏掩模相比密集掩模具有更大焦深容忍范围，保证高密度图形的稳定曝光转移。

实验验证环节覆盖一维周期线阵列和二维芯片金属层版图：对于一维致密线阵列加工，多重曝光将最小可分辨周期从 378 nm（约 0.5λ/NA）降低至 223 nm（约 0.3λ/NA），实现亚衍射极限图案转移； 对于二维集成电路金属层加工，最小间隙仅 1 个 DMD 像素（75.6 nm），高保真曝光，无图形粘连现象，对于这种亚100 nm尺度的间隙结构，传统的光学紫外曝光是无法实现的仅有电子束曝光可以制备；

与单次曝光相比，多重曝光在不同剂量下均保持良好图形一致性，显著提升高密度图形的可靠性。该策略不仅适用于芯片金属层，还成功应用于光学微环谐振器和集成光波导结构制造。实验显示，多重曝光能够抑制窄间隙区域的非目标聚合反应，避免热点图形粘连，提升器件结构完整性与一致性。同时，光刻效率约 0.1 mm²/s，为大面积、高密度纳米制造提供可行的技术路径。

 

图2.二维芯片金属层的多重曝光实验结果

 

图3.光子器件结构多重曝光实验结果

这一技术凭借其突破衍射极限的高分辨率、广阔的工艺窗口和高保真图形转移能力，在未来纳米制造和光子器件领域展现出广阔的应用前景。首先，该技术能够支持高密度集成电路金属层和微纳电子器件的精确制造，为小批量研发、快速迭代设计以及新型芯片原型开发提供灵活、高效的解决方案。其次，在光子集成器件与量子芯片制造中，该技术可实现复杂光波导、微环谐振器及超高密度光学结构的可靠转移，保证器件性能和一致性，有助于推动光子芯片在量子计算、量子通信及高性能光学传感等前沿领域的应用。

暨南大学为论文唯一通讯单位，论文第一作者为梁紫鑫博士、陈经涛博士，通讯作者为赵圆圆副教授与段宣明教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广州市科技计划及广东省基础研究基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01131-x