圖1 電子束光刻（a）、單光束光刻（b）、雙光束光刻（c）技術(shù)的比較

雙光束超分辨光刻技術(shù)原理來源于受激輻射損耗顯微成像技術(shù)（stimulated emission depletion，STED），其基本原理如圖2所示。首先，第2束激發(fā)光將艾里斑內(nèi)的熒光分子從基態(tài)S0激發(fā)至第一激發(fā)態(tài)的較高振動態(tài)，然而處于較高振動態(tài)的電子會通過振動弛豫躍遷至第一激發(fā)態(tài)的最低振動態(tài)S1。隨后，第2束損耗光，將艾里斑周邊處于激發(fā)態(tài)的熒光分子淬滅激發(fā)，從而躍遷至基態(tài)的較高振動態(tài)，隨后通過振動弛豫回到基態(tài)最低振動態(tài)S0。由于受激吸收和受激輻射存在平等的競爭關(guān)系，即受激吸收過程→S1和受激輻射過程S1→的概率是相同的，但是由于振動弛豫的速率要遠大于熒光輻射速率，因此，處于振動態(tài)的電子迅速躍遷回S0而避免出現(xiàn)二次激發(fā)，從S1→的受激輻射過程就占絕對優(yōu)勢。這樣，就只有艾里斑中心處于最低激發(fā)態(tài)S1的熒光分子能通過自發(fā)熒光輻射的過程躍遷至基態(tài)S0而自發(fā)輻射發(fā)射熒光。

圖2 受激輻射顯微成像技術(shù)超分辨成像原理

理論上，由于STED損耗光為環(huán)狀且其中心強度為零，因此環(huán)狀損耗光越強，則由第1束激發(fā)光激發(fā)的熒光分子所占的區(qū)域就越小，其橫向分辨率就越高。在保證激發(fā)光聚焦光斑中心處熒光光強不變的情況下，熒光材料在激發(fā)光作用下熒光強度分布的半高寬會顯著縮窄，從而提高基于熒光強度分布測量的成像分辨率。受此啟發(fā)，將2束不同波長的光通過光路合束，再通過投影物鏡最終作用于特制的光刻膠材料，也可以產(chǎn)生與使用短波長光源時相同甚至更好的光刻分辨率效果，從而大幅度降低研制難度。要實現(xiàn)這一點首先需要選擇2種不同波長的光（圖3），一束激發(fā)光作用和EUV光刻機的光源作用一致，目的都是讓光刻膠產(chǎn)生聚合；另一束光是損耗光，是通過相位調(diào)制所產(chǎn)生的空心光，作用是將激發(fā)光產(chǎn)生的外圍光斑的引發(fā)劑淬滅回基態(tài)，使得外圍單體不發(fā)生聚合反應(yīng)，這樣就只有2束光聚焦光斑的中心區(qū)域發(fā)生聚合，因而能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨的寫入效果。2束光需要通過雙色鏡進行合束，雙色鏡在不改變原有第1束光的路徑的前提下，同時可以讓第2束光耦合到原有第1束光的光路中來，并一同進入到光刻投影物鏡。選擇2束光的波長時差距盡可能大，避免產(chǎn)生交叉激發(fā)的現(xiàn)象。