图3 双光束光刻示意
双光束光刻技术需要配置特制的光刻胶以对2束光产生不同的响应，对于第1束激发光而言，作用是让光刻胶产生聚合，并且光强和聚合程度成正比。光刻胶对第2束光的响应要求是在激发光光强不为零的情况下，才对第2束光有抑制曝光作用。因此即便第2束光的光强较强，激发光光强为0时，光刻胶也不响应，此时单体不发生聚合。同时，在第1束光光强不为0的情况下，第2束光光强越强，光刻胶的曝光程度越低。光刻胶材料要想实现2束光的不同响应，关键在于引发剂的选择。因为引发剂是决定单体聚合程度的重要因素，一般情况下引发剂在光的作用下发生激发进而产生激发态中间体（自由基），其再与单体作用发生聚合反应进而产生树脂固体，显影后得到目标图案，这一过程和EUV光刻机的光刻胶作用机理是一致的，且光刻胶的曝光程度与光强成正比，因为光强越强，激发产生的自由基数量越多。但是双光束超分辨光刻技术的第2束光的作用是将激发态的引发剂分子通过受激辐射的方式，使其跃迁回更低的能级，从而丧失和单体的反应能力。另外，激发波长应选在所用引发剂材料激发谱的峰值波长附近，以保证较好的吸收；抑制光波长应选在所用引发剂材料激发谱的长波拖尾处，以避免损耗光对样品的二次激发。同时受激辐射使得处于高能态的分子跃迁到低能态，其跃迁的速度与产生受激辐射效果的第2束光的光强成正比，第2束光光强越强，理论上高能态分子跃迁回低能态的比例越高。
值得一提的是，双光束超分辨光刻技术作为对传统紫外光刻技术的改良，继承了后者的大部分基础设施，实现了技术上的平滑过渡。这种技术通过引入额外的长波光源和光路，对现有的短波长光源进行波长调整，而核心的微缩投影曝光技术保持不变。这样，在不牺牲已有工业光刻经验的前提下，能够以较低成本对产线设备进行升级和替换。在具体实施上，双光束超分辨光刻技术要么通过改变现有光源的波长并添加新的光路，要么在现有紫外光刻机上直接增加新的光路。新加入的光路在完成投影曝光图案的调制之后，与第1束光合束，对传统单光束光刻机不造成任何影响。因此，这项技术能够充分利用现有的光刻资源。EUV光刻机的优势是具有更高的光刻分辨、生产效率高、光刻工艺简单。但是，EUV光刻机也存在许多问题，例如耗能巨大、能量利用率低、光学系统设计与制造复杂，以及将要到达摩尔定律的极限等。双光束光刻技术在特制的光刻胶中可以得到9nm的分辨率，虽然不及EUV光刻机3~7nm的分辨率，但是设备的搭建简易，光源为可见光，并且由于EUV光刻机的技术被封锁，因此，对双光束超分辨技术的掌握是十分有必要的。
在合束环节，长波光源的引入只需添加一个特殊的双色镜，它能够使第1束光不受影响地通过，同时引导第2束光耦合进入第1束光的光路，共同进入光刻投影物镜。此方法确保了与现有紫外光刻技术的完全兼容性，避免因技术颠覆带来的高昂成本问题，从而为工业界接受该技术提供坚实的基础。因此，在产能、分辨率和套刻精度方面，双光束超分辨光刻技术水平与现有的EUV光刻机持平，展现出其作为技术升级路径的可行性和优势。
双光束超分辨光刻技术的问题与挑战
一方面，2束光束的对准是双光束超分辨光刻技术取得超分辨光刻效果的关键，对准涉及到2个方面。一是如何确保2束光的中心完全重合。双光束超分辨光刻技术采用第2束光的核心目的是对第1束光产生的衍射边缘进行修正。在一般情况下，将2束光各自产生的光斑对准的关键是其相对位置是否对齐。可以通过调整光学系统中的双色镜，使得第2束光的位置相对第1束光的位置发生改变，并最终完全对齐。在这个过程中，精确测量每个光斑的位置光强分布，并通过光学系统来调整两者的相对位置是完全可行的。二是光刻设备随着时间的推移难以长时间保持对准。在理想状态下，2个光斑的相对位置是不会发生变化的。然而，光刻设备在受到外界环境，例如振动、温度改变等多因素的影响时，相对位置可能会发生一定程度的偏移，导致2束光分离。为了解决这一问题，光刻设备的各光学元件的位置移动和形状改变程度必须降到最低，确保双光束产生相应的抑制效果。
