什么是光刻技術(shù)

光刻技術(shù)簡單來講，就是將掩膜版圖形曝光至硅片的過程，是大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)。目前市場上主流技術(shù)是193nm沉浸式光刻技術(shù)，CPU所謂30nm工藝或者22nm工藝指的就是采用該技術(shù)獲得的電路尺寸。

圖1：基本的光刻過程

圖2：核心的曝光成像部分

光刻技術(shù)的三大指標分別是焦深、分辨率和產(chǎn)率，下面分別就其中的光學原理進行介紹，簡化后的光路結(jié)構(gòu)示意圖如下：

圖3：簡化光路原理圖（Light Source光源，Condenser Lens聚焦透鏡，Mask掩膜板，Objective Lens投影物鏡，Wafer硅片）

光源和聚焦透鏡構(gòu)成曝光系統(tǒng)，將特定方向、光譜特征和均勻性的光照投射到圖形制備好的掩膜板上，光照在掩膜板處發(fā)生夫瑯禾費衍射，衍射場特定級次的衍射光通過投影物鏡在硅片上成像，這就是基本的成像過程。

從夫瑯禾費衍射的數(shù)學表達形式看，積分項經(jīng)過簡單的線性變換，夫瑯禾費衍射場可以看做是掩膜板處光場的傅里葉變換，不同的衍射級次相對于掩膜板中心有不同的衍射角度，對應頻域中不同空間頻率的平面波。

從對稱的角度考慮，投影物鏡只需要能夠給出掩膜板衍射場的傅里葉逆變換，就可以在硅片上成完善的像，實際無法實現(xiàn)，因為實際投影透鏡總是有限孔徑的，并非掩膜板衍射場的所有衍射級次都可以通過投影物鏡，投影物鏡相當于一個低通濾波器。這里引出一個很有意思的概念-衍射極限，假若成像質(zhì)量缺陷完全是光學系統(tǒng)的孔徑尺寸限制導致，那么可以說該系統(tǒng)達到了衍射極限。

圖4：波像差示意圖

對于實際投影物鏡，像差會導致點源的波面在傳播過程中偏離球面，偏離光程差采用Zernike多項式表達，因此實際的投影物鏡的光瞳函數(shù)還需要乘以像差導致的位相差項。系統(tǒng)離焦可歸結(jié)為投影物鏡出瞳出的波像差，由于實際的投影物鏡重達500kg，往往采用階梯曝光加逐場調(diào)平的方法，實現(xiàn)硅片對實際投影物鏡焦點的對準，波像差示意圖如下所示：

圖5：硅片處離焦量示意圖

焦深定義為成像質(zhì)量允許的焦距變化，由上面的概念，實際上是光程差允許的變化。考慮極端情況，一階衍射光處光程差為1/4波長，則0階和1階衍射光不再發(fā)生干涉。利用這個概念，有焦深的表達公式：

進一步，可以得出成像分辨率的概念。投影物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定了能夠進入投影物鏡的衍射光場最大衍射角，對應于最大空間頻率；從干涉成像的角度來說，至少零級和一級衍射光通過投影物鏡，成像才能反映掩膜板圖形的特征尺寸（實際光刻系統(tǒng)0級和±1級衍射光參與成像），最終可以得到：

上式說明為了提升分辨率，必須降低工藝系數(shù)k和光源波長，提升投影物鏡數(shù)值孔徑，實際上***的發(fā)展過程也正是這樣一個過程（參考：***發(fā)展歷程）。投影物鏡的光瞳函數(shù)表示對光場的調(diào)制，當掩膜板趨近于無窮小，利用Point Spread Function可以衡量系統(tǒng)最終分辨率。

下面再來討論產(chǎn)率。硅片往往需要曝光多層，每層曝光采用逐場掃描/曝光的方式，整個光刻系統(tǒng)的產(chǎn)出能力與投影物鏡的設(shè)計和加工水平密切相關(guān)。實際投影物鏡為雙遠心系統(tǒng)，視場為一個狹縫；曝光系統(tǒng)采用柯拉照明，在該狹縫處形成均勻照明；狹縫和硅片做相對運動，即可完成整個掩膜板的單層曝光過程，經(jīng)過顯影測量即可完成單層光刻，多層光刻需要更換掩膜板，即單機套刻或流水線作業(yè)，進行機機套刻，難點在于不同曝光層的對準。

圖6：硅片曝光方式

上面僅僅討論了硅片表面成像的基本光學原理，沒有涉及投影物鏡的放大倍率、光源的斜入射、非相干照明的疊加、光的偏振特性、像方非空氣（沉浸式光刻），也沒有討論光刻膠內(nèi)成像部分。

相對于激光雷達技術(shù)來說，光刻技術(shù)由于原理復雜、器件昂貴、工藝繁瑣等，充分利用了計算機仿真技術(shù)，從光學成像到工藝，從機械設(shè)計到環(huán)境變量，從硬件開發(fā)到軟件系統(tǒng)，全部實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)仿真，為核心科學問題和關(guān)鍵技術(shù)問題解決指明了方向，實現(xiàn)了全流程開發(fā)的可控，值得我們學習。當然，成本也非常高昂，一切盡在取舍。