【摘要】简述目前微电子及半导体领域主流的光刻技术及其发展，介绍了目前主流的光刻技术有是紫外（UV）光刻技术、深紫外（DUV）光刻技术、极紫外（EUV）光刻技术和X射线（X-ray）光刻技术及它们的应用领域。同时探讨了光刻技术的发展和覆盖的范畴。
【关键词】光刻技术;UV;DUV;EUV
一、引言
光刻技术作为微电子及其相关领域的关键技术，在过去的几十年中发挥着重要作用;但随着人们需求的不断提高而光刻技术的进步又相对滞后的状况成为目前光刻技术的最大问题。因此，正确把握光刻技术发展将显得十分重要。
二、目前主流的光刻技术
目前，电子产业发展的主流趋势是”轻、薄、短、小”，这给光刻技术提出的技术是不断提高其分辨率，即提高可以完成转印图形或者加工图形的最小间距或者宽度，以满足产业发展的需求;但是，光刻工艺在整个工艺过程中的多次性使得光刻技术的稳定性、可靠性和工艺成品率对产品的质量、良率和成本有着重要的影响，这也要求光刻技术在满足技术的同时须提高质量。因此，光刻技术的焦点是可以提供给用户什么样分辨率和产能的设备及工艺技术。而提高分辨率主要通过：（1）增大光学系统数值孔径;（2）减小曝光光源的波长;（3）降低工艺影响系数;来实现。所以目前光刻技术发展主要从以上三点实施提升。
在减小曝光波长及增大光学系统数值孔径的研究和开发中，以光子为基础的光刻技术种类很多，但主要是紫外（UV）光刻技术、深紫外（DUV）光刻技术、极紫外（EUV）光刻技术和X射线（X-ray）光刻技术。不但取得了很大成就，而且是目前产业中使用最多的技术，特别是前两种技术，在半导体工业的进步中，起到了重要作用。紫外光刻技术是以高压和超高压汞（Hg）或者汞-氙（Hg-Xe）弧灯在近紫外（350～450nm）的3条光强很强的光谱（g、h、i线）线，特别是波长为365nm的i线为光源，配合使用：（1）处理掩模板;（2）调整掩模板照明;（3）光瞳滤光修正步前，当前用光瞳滤光设计透镜正处在初步研究阶段，修正掩模板和调整照明技术则在快速发展，并在某些场合的到应用;（4）离轴照明技术（OAI）;（5）移相掩模技术（PSM）;（6）光学接近矫正技术（OPC）等，可满足0.35～0.25μm的生产要求。
目前几乎所有的微电子领域此类设备和技术会占整个光刻技术至少50%的份额;同时，还覆盖了低端和特殊领域对光刻技术的要求。光学系统的结构方面，有全反射式（Catoptrics）投影光学系统、折反射式（Catadioptrics）系统和折射式（Dioptrics）系统等;深紫外技术是以KrF气体在高压受激而产生的等离子体发出的深紫外波长（248nm和193nm）的激光作为光源，配合使用i线系统使用的一些成熟技术和分辨率增强技术（RET）、高折射率图形传递介质（如浸没式光刻使用折射率常数大于1的液体）等，可完全满足O.25～0.18μm和0.18μm～90nm的生产线要求;至于深紫外技术能否满足65～45nm的生产工艺要求。相比之下，由于深紫外（248nm和193nm）激光的波长更短，对光学系统材料的开发和选择、激光器功率的提高等要求更高。
目前材料主要使用的是融石英（Fusedsilica）和氟化钙（GaF2），激光器的功率已经达到了4kW，浸没式光刻使用的液体介质常数已经达到1.644等，使得光刻技术达到100nm以下成为可能。投影成像系统方面，主要有反射式系统（Catoptrics）、折射式系统（Dioptrics）和折反射式系统（Catadioptrics）。折射式系统由于能够大大提高系统的分辨率而起到了非常重要的作用，但由于折射式系统随着分辨率的提高，对光谱的带宽要求越来越窄、透镜中镜片组的数量越来越多和成本越来越高等原因，使得折反射式系统的优点逐渐显示了出来。
同时，45nm技术的工艺已经成功，设备已经开始量产，这使得以氟（F2）（157nm）为光源的光刻技术前景变得十分暗淡，主要原因不是深紫外技术发展的迅速，而是以氟（F2）为光源的光刻技术诸如透镜材料只能使用氟化钙（CaF2）、抗蚀剂开发缓慢、系统结构设计最终没有方向和最后的分辨率只能达到80nm等等因素。极紫外（EUV）光刻技术早期有波长10～100nm和波长1～25nm的软X光两种，两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为主，后者以接触/接近式为主，目前的研发和开发主要集中在13nm波长的系统上。极紫外系统的分辨率主要瞄准在13～16nm的生产上。光学系统结构上，由于很多物质对13nm波长具有很强的吸收作用，透射式系统达不到要求，开发的系统以多层的铝膜加一层MgF2保护膜的反射镜所构成的反射式系统居多。考虑到技术的延续性和产业发展的成本等因素，极紫外（EUV）光刻技术能够满足未来16nm生产的主要技术。但由于极紫外（EUV）光刻掩模版的成本愈来愈高，产业化生产中由于掩模版的费用增加会导致生产成本的增加，进而会大大降低产品的竞争力，这是极紫外（EUV）光刻技术快速应用的主要障碍。
为了降低成本，国外有的研发机构利用极紫外（EUV）光源，结合电子束无掩模版的思想，开发成功了极紫外（EUV）无掩模版光刻系统，但还没有商品化，进入生产线。X射线光刻技术也发展非常迅速的、为满足分辨率100nm以下要求生产的技术之一。主要分支是传统靶极X光、激光诱发等离子X光和同步辐射X光光刻技术。特别是同步辐射X光（主要是O.8nm）作为光源的X光刻技术，光源具有功率高、亮度高、光斑小、准直性良好，通过光学系统的光束偏振性小、聚焦深度大、穿透能力强;同时可有效消除半阴影效应（PenumbraEffect）等优越性。
以Particles为光源的光刻技术主要包括粒子束光刻、电子束光刻，特别是电子束光刻技术，在掩模版制造业中发挥了重要作用。但电子束光刻由于它的产能问题，一直没有在半导体生产线上发挥作用，因此，人们一直想把缩小投影式电子束光刻技术推进半导体生产线。电子束光刻进展和研发较快的是传统电子束光刻、低能电子束光刻、限角度散射投影电子束光刻（SCALPEL）和扫描探针电子束光刻技术（SPL）。传统的电子束光刻已经为人们在掩模版制造业中广泛接受，由于热/冷场发射（FE）比六鹏化镧（LaB6）热游离（TE）发射的亮度能提高100～1000倍之多，因此，热/冷场发射是目前的主流，分辨率覆盖了100～200nm的范围。但由于传统电子束光刻存在前散射效应、背散射效应和邻近效应等，有时会造成光致抗蚀剂图形失真和电子损伤基底材料等问题，由此产生了低能电子束光刻和扫描探针电子束光刻。低能电子束光刻光源和电子透镜与扫描电子显微镜（SEM）基本一样，将低能电子打入基底材料或者抗蚀剂，以单层或者多层L-B膜（Langmuir-BlodgettFilm）为抗蚀剂，分辨率可达到10nm以下，目前在实验室和科研单位使用较多。扫描探针电子束光刻技术（SPL）是利用扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜原理，将探针产生的电子束，在基底或者抗蚀剂材料上直接激发或者诱发选择性化学作用，如刻蚀或者淀积进行微细图形加工和制造。另外一种比较有潜力的电子束光刻技术是SCALPEL，由于SCALPEL的原理非常类似于光学光刻技术，使用散射式掩模版和缩小分步扫描投影工作方式，具有分辨率高（纳米级）、聚焦深度长、掩模版制作容易和产能高等优势，半导体生产进入纳米阶段的主流光刻技术，因此，有人称之为后光刻技术。
通过物理接触方式进行图像转印和图形加工的方法有多年的开发，但和光刻技术相提并论，并纳入光刻领域是产业对光刻技术的要求步入纳米阶段和纳米压印技术取得了技术突破以后。物理接触式光刻主要包括Printing、Molding和Embossing，其核心是纳米级模版的制作。物理接触式光刻技术中，以目前纳米压印技术最为成熟和受人们关注，它的分辨率已经达到了10nm，而且图形的均一性完全符合大生产的要求，目前的主要应用领域是MEMS、MOEMS、微应用流体学器件和生物器件，预测也将是未来半导体厂商实现32nm技术节点生产的主流技术。由于目前实际的半导体规模生产技术还处在使用光学光刻技术探索和解决65nm工艺中的一些技术问题，而纳米压印技术近期在一些公司的研究中心工艺上取得的突破以及验证的技术优势。
其他光刻技术常见的技术方案如上所述的紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻等。近年来，在人们为纳米级光刻技术探索出路的同时，也出现了许多新的技术应用于光刻工艺中，主要有干涉光刻技术、激光聚焦中性原子束光刻、立体光刻技术、全息光刻技术和扫描电化学光刻技术等。
三、光刻技术的发展
随着电子产业的技术进步和发展，光刻技术及其应用已经远远超出了传统意义上的范畴，如上所述，它几乎包括和覆盖了所有微细图形的传递、微细图形的加工和微细图形的形成过程。因此，未来光刻技术的发展也是多元化的，应用领域的不同会有所不同，但就占有率最大的半导体和微电子产品领域而言，实现其纳米水平产业化的光刻技术除极紫外光刻外，纳米压印光刻和无掩模光刻也将成未来光刻技术。
参考文献
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作者简介：李亚明（1982—），男，南京中电熊猫液晶材料科技有限公司黄光科科长，主要从事生产管理和技术管理工作。