什么是光刻技术

光刻技术简单来讲，就是将掩膜版图形曝光至硅片的过程，是大规模集成电路的基础。目前市场上主流技术是193nm沉浸式光刻技术，CPU所谓30nm工艺或者22nm工艺指的就是采用该技术获得的电路尺寸。

图1：基本的光刻过程

图2：核心的曝光成像部分

光刻技术的三大指标分别是焦深、分辨率和产率，下面分别就其中的光学原理进行介绍，简化后的光路结构示意图如下：

图3：简化光路原理图（Light Source光源，Condenser Lens聚焦透镜，Mask掩膜板，Objective Lens投影物镜，Wafer硅片）

光源和聚焦透镜构成曝光系统，将特定方向、光谱特征和均匀性的光照投射到图形制备好的掩膜板上，光照在掩膜板处发生夫琅禾费衍射，衍射场特定级次的衍射光通过投影物镜在硅片上成像，这就是基本的成像过程。

从夫琅禾费衍射的数学表达形式看，积分项经过简单的线性变换，夫琅禾费衍射场可以看做是掩膜板处光场的傅里叶变换，不同的衍射级次相对于掩膜板中心有不同的衍射角度，对应频域中不同空间频率的平面波。

从对称的角度考虑，投影物镜只需要能够给出掩膜板衍射场的傅里叶逆变换，就可以在硅片上成完善的像，实际无法实现，因为实际投影透镜总是有限孔径的，并非掩膜板衍射场的所有衍射级次都可以通过投影物镜，投影物镜相当于一个低通滤波器。这里引出一个很有意思的概念-衍射极限，假若成像质量缺陷完全是光学系统的孔径尺寸限制导致，那么可以说该系统达到了衍射极限。

图4：波像差示意图

对于实际投影物镜，像差会导致点源的波面在传播过程中偏离球面，偏离光程差采用Zernike多项式表达，因此实际的投影物镜的光瞳函数还需要乘以像差导致的位相差项。系统离焦可归结为投影物镜出瞳出的波像差，由于实际的投影物镜重达500kg，往往采用阶梯曝光加逐场调平的方法，实现硅片对实际投影物镜焦点的对准，波像差示意图如下所示：

图5：硅片处离焦量示意图

焦深定义为成像质量允许的焦距变化，由上面的概念，实际上是光程差允许的变化。考虑极端情况，一阶衍射光处光程差为1/4波长，则0阶和1阶衍射光不再发生干涉。利用这个概念，有焦深的表达公式：

进一步，可以得出成像分辨率的概念。投影物镜的数值孔径决定了能够进入投影物镜的衍射光场最大衍射角，对应于最大空间频率；从干涉成像的角度来说，至少零级和一级衍射光通过投影物镜，成像才能反映掩膜板图形的特征尺寸（实际光刻系统0级和±1级衍射光参与成像），最终可以得到：

上式说明为了提升分辨率，必须降低工艺系数k和光源波长，提升投影物镜数值孔径，实际上***的发展过程也正是这样一个过程（参考：***发展历程）。投影物镜的光瞳函数表示对光场的调制，当掩膜板趋近于无穷小，利用Point Spread Function可以衡量系统最终分辨率。

下面再来讨论产率。硅片往往需要曝光多层，每层曝光采用逐场扫描/曝光的方式，整个光刻系统的产出能力与投影物镜的设计和加工水平密切相关。实际投影物镜为双远心系统，视场为一个狭缝；曝光系统采用柯拉照明，在该狭缝处形成均匀照明；狭缝和硅片做相对运动，即可完成整个掩膜板的单层曝光过程，经过显影测量即可完成单层光刻，多层光刻需要更换掩膜板，即单机套刻或流水线作业，进行机机套刻，难点在于不同曝光层的对准。

图6：硅片曝光方式

上面仅仅讨论了硅片表面成像的基本光学原理，没有涉及投影物镜的放大倍率、光源的斜入射、非相干照明的叠加、光的偏振特性、像方非空气（沉浸式光刻），也没有讨论光刻胶内成像部分。

相对于激光雷达技术来说，光刻技术由于原理复杂、器件昂贵、工艺繁琐等，充分利用了计算机仿真技术，从光学成像到工艺，从机械设计到环境变量，从硬件开发到软件系统，全部实现了关键技术仿真，为核心科学问题和关键技术问题解决指明了方向，实现了全流程开发的可控，值得我们学习。当然，成本也非常高昂，一切尽在取舍。