导读

近日，暨南大学物理与光电工程学院赵圆圆/段宣明教授团队在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Digital phase-shift mask projection lithography enabling sub-diffraction-limit resolution for dense nanoscale patterning”的研究论文。

该研究提出了一种数字相移掩模投影光刻（Digital Phase-Shift Mask Projection Lithography, PSM-DPL）新方法，通过对数字掩模光场振幅与相位的协同独立调控，实现亚衍射极限高密度纳米结构高效率、高精度制造，推动数字投影光刻技术向着先进制程节点工艺迈进，为下一代芯片制造和纳米光子器件加工提供了新的技术路线。

近年来，以数字微镜器件（DMD）和液晶硅空间光调制器（LCOS-SLM）为核心的数字掩模投影光刻因具有无掩模、低成本、高灵活性和快速迭代等优势，成为下一代光刻技术的重要发展方向。该技术利用可编程数字掩模直接生成曝光图形，能够显著缩短芯片设计到原型验证周期，特别适用于小批量、多品种和定制化微纳器件制造。

然而，数字投影光刻的分辨率受到光学衍射极限和数字掩模像素尺寸的双重制约。当投影倍率不断提高、相邻像素间距缩小至亚波长尺度时，邻近图形的光场会发生严重重叠，导致图像对比度下降、结构无法有效分辨，从而限制了数字光刻在高密度纳米制造和先进芯片加工中的应用。现有数字光刻系统的典型分辨率通常停留在微米至亚微米尺度，难以满足未来纳米电子学和纳米光子学的发展需求。

在传统半导体光刻领域，相移掩模（Phase-Shift Mask，PSM）技术已被广泛用于提升成像对比度和分辨率。其原理是在相邻透光区域引入π相位差，通过光场相消干涉增强明暗边界，从而突破常规成像分辨率限制。尽管该技术已在先进光刻机中得到应用，但传统相移掩模需要在物理掩模版上沉积精确厚度的相移层，无法直接应用于基于空间光调制器的无掩模数字光刻系统。因此，如何将相移掩模的超分辨能力与数字光刻的灵活可编程优势相结合，实现低成本、高分辨率、无掩模的纳米制造，成为当前数字光刻领域亟待解决的重要科学问题和技术挑战。

图1：基于数字相移掩模调制的投影光刻分辨率增强技术原理图

针对这一挑战，研究团队创新性地将传统半导体制造中的相移掩模（Phase-Shift Mask）思想引入无掩模数字投影光刻系统，通过构建双空间光调制器（Dual-SLM）级联架构，实现光场振幅与相位的独立可编程调控。在振幅SLM加载的密集数字版图之后，通过4F成像系统共轭像对准相位SLM加载的数字相位版图，在相邻图形之间引入π相位差，使原本重叠的光场发生相消干涉，从而显著提高光刻成像的对比度和空间分辨率。

图2：基于双SLM级联架构的数字相移掩模系统光路图与实物图

研究团队搭建了基于517 nm飞秒激光和双液晶空间光调制器的数字相移掩模投影光刻平台，通过精确控制光场的振幅与相位分布，实现了高保真的数字相移掩模生成。实验结果表明：单次曝光即可获得最小约60 nm线宽的纳米线结构；实现235 nm周期（Half-pitch约117.5 nm）的高密度线阵列加工，分辨率达到0.32λ/NA，接近数字投影光刻系统的理论物理极限；进一步结合双重曝光策略后，周期可缩小至158 nm（half pitch ~0.21 λ/NA），成功突破投影光刻约185 nm（Half-pitch ~0.25λ/NA）理论周期分辨率限制。研究结果表明，相移调制不仅能够有效解决数字光刻中的“禁止周期（Forbidden Pitch）”问题，还能够在保持图形完整性的同时显著提高结构密度，为高信息容量芯片制造提供了新的解决方案。

图3：数字相移掩模调制曝光密集图案结果与仿真对比，以及工艺极限分析

为了验证技术的实际应用价值，研究团队进一步开展了典型集成电路金属层版图的曝光实验。实验结果显示，该方法不仅能够实现规则密集线阵列的高保真制造，对于复杂、非规则布局的芯片版图同样具有优异的加工能力。其中，多处线间距成功缩小至276 nm以下，突破了传统在轴照明数字光刻的分辨率极限约束（斯派洛判据，周期约370nm, Half-pitch ~0.5λ/NA ）。研究人员分析认为，目前获得的制造能力已经接近90 nm工艺节点对应的金属层图形要求。未来若结合更短波长激光光源以及先进多重曝光技术，有望进一步向28 nm工艺节点推进。

图4：数字相移掩模曝光有序和无序布局的集成电路版图，以及PSM-DMPL与248 nm、193 nm深紫外（DUV）和极紫外（EUV）光刻的间距分辨率和工艺因子统计结果比较

总结与展望

本研究提出的数字相移掩模投影光刻技术，通过引入双空间光调制器实现光场振幅与相位的独立可编程调控，并利用π相位差诱导的干涉消相效应，有效突破了传统数字光刻在衍射极限和像素耦合方面的关键瓶颈。实验结果表明，该方法能够在单次曝光中实现约60 nm（0.16 λ/NA）线宽及235 nm（half pitch ~0.32 λ/NA）周期的高密度纳米结构加工，并通过多重曝光进一步将周期压缩至158 nm（half pitch ~0.21 λ/NA），突破数字投影光刻的物理分辨率极限，为亚百纳米尺度结构的高精度制造提供了新的技术路径。

该技术不仅有望服务于先进集成电路原型验证和专用芯片开发，还可广泛应用于超构表面、衍射光学元件、纳米光子器件等领域的高精度制造。未来，团队将进一步优化数字相移掩模设计方法，结合人工智能辅助计算光刻、深紫外光源以及高阶多光子聚合加工技术，推动数字光刻向更高分辨率、更高效率和更大规模制造方向发展，为先进微纳光学制造技术发展提供新的支撑。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.080