光刻技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)講，就是將掩膜版圖形曝光至硅片的過(guò)程，是大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)。目前市場(chǎng)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(guò)程

圖2：核心的曝光成像部分

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

圖3：簡(jiǎn)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(fèi)衍射，衍射場(chǎng)特定級(jí)次的衍射光通過(guò)投影物鏡在硅片上成像，這就是基本的成像過(guò)程。

從夫瑯禾費(fèi)衍射的數(shù)學(xué)表達(dá)形式看，積分項(xiàng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的線性變換，夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)可以看做是掩膜板處光場(chǎng)的傅里葉變換，不同的衍射級(jí)次相對(duì)于掩膜板中心有不同的衍射角度，對(duì)應(yīng)頻域中不同空間頻率的平面波。

從對(duì)稱的角度考慮，投影物鏡只需要能夠給出掩膜板衍射場(chǎng)的傅里葉逆變換，就可以在硅片上成完善的像，實(shí)際無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷?shí)際投影透鏡總是有限孔徑的，并非掩膜板衍射場(chǎng)的所有衍射級(jí)次都可以通過(guò)投影物鏡，投影物鏡相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器。這里引出一個(gè)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(xué)系統(tǒng)的孔徑尺寸限制導(dǎo)致，那么可以說(shuō)該系統(tǒng)達(dá)到了衍射極限。

圖4：波像差示意圖

對(duì)于實(shí)際投影物鏡，像差會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)源的波面在傳播過(guò)程中偏離球面，偏離光程差采用Zernike多項(xiàng)式表達(dá)，因此實(shí)際的投影物鏡的光瞳函數(shù)還需要乘以像差導(dǎo)致的位相差項(xiàng)。系統(tǒng)離焦可歸結(jié)為投影物鏡出瞳出的波像差，由于實(shí)際的投影物鏡重達(dá)500kg，往往采用階梯曝光加逐場(chǎng)調(diào)平的方法，實(shí)現(xiàn)硅片對(duì)實(shí)際投影物鏡焦點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)，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(shí)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(zhǎng)，則0階和1階衍射光不再發(fā)生干涉。利用這個(gè)概念，有焦深的表達(dá)公式：

進(jìn)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(jìn)入投影物鏡的衍射光場(chǎng)最大衍射角，對(duì)應(yīng)于最大空間頻率；從干涉成像的角度來(lái)說(shuō)，至少零級(jí)和一級(jí)衍射光通過(guò)投影物鏡，成像才能反映掩膜板圖形的特征尺寸（實(shí)際光刻系統(tǒng)0級(jí)和±1級(jí)衍射光參與成像），最終可以得到：

上式說(shuō)明為了提升分辨率，必須降低工藝系數(shù)k和光源波長(zhǎng)，提升投影物鏡數(shù)值孔徑，實(shí)際上***的發(fā)展過(guò)程也正是這樣一個(gè)過(guò)程（參考：***發(fā)展歷程）。投影物鏡的光瞳函數(shù)表示對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制，當(dāng)掩膜板趨近于無(wú)窮小，利用Point Spread Function可以衡量系統(tǒng)最終分辨率。

下面再來(lái)討論產(chǎn)率。硅片往往需要曝光多層，每層曝光采用逐場(chǎng)掃描/曝光的方式，整個(gè)光刻系統(tǒng)的產(chǎn)出能力與投影物鏡的設(shè)計(jì)和加工水平密切相關(guān)。實(shí)際投影物鏡為雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)，視場(chǎng)為一個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)，即可完成整個(gè)掩膜板的單層曝光過(guò)程，經(jīng)過(guò)顯影測(cè)量即可完成單層光刻，多層光刻需要更換掩膜板，即單機(jī)套刻或流水線作業(yè)，進(jìn)行機(jī)機(jī)套刻，難點(diǎn)在于不同曝光層的對(duì)準(zhǔn)。

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(xué)原理，沒(méi)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(méi)有討論光刻膠內(nèi)成像部分。

相對(duì)于激光雷達(dá)技術(shù)來(lái)說(shuō)，光刻技術(shù)由于原理復(fù)雜、器件昂貴、工藝繁瑣等，充分利用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，從光學(xué)成像到工藝，從機(jī)械設(shè)計(jì)到環(huán)境變量，從硬件開(kāi)發(fā)到軟件系統(tǒng)，全部實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)仿真，為核心科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解決指明了方向，實(shí)現(xiàn)了全流程開(kāi)發(fā)的可控，值得我們學(xué)習(xí)。當(dāng)然，成本也非常高昂，一切盡在取舍。