光刻技术（下）-模板式光刻

1.2.模板式光刻技术

1.2.1.     纳米压印

纳米压印光刻是先将预先图形化的模板与涂布好的纳米压印胶接触，然后使用加热、加压、紫外光照等手段使纳米压印胶材料变性，从而在纳米压印胶上复制出模板上的结构图案，其实质就是液态聚合物对模板结构腔体的填充过程和固化后聚合物的脱模过程，因此，其分辨率只与模板尺寸有关，不受光波波长、物镜数值孔径、聚焦系统等因素的限制，突破了传统光学曝光光刻工艺的分辨率极限。

1995年，周郁教授首先提出了纳米压印的概念。首次提出的纳米压印技术为传统的热压印，纳米热压印技术的工艺流程图如图1.8 所示。纳米热压印技术主要是利用加热使得具有热塑性的聚合物产生流动性，保持高于聚合物玻璃化温度T_g 的条件下将模板压入聚合物薄膜，经过足够时间的保压使得聚合物可以充分填充模板，在聚合物冷却到T_g 以下的温度时进行模板与基底的分离。

                                                                             图1.8      纳米热压印技术工艺流程图

由于热压印需要在高温高压的条件下进行，使得其应用领域会受到较为严重的限制，考虑到 PMMA 等热塑性材料在温度高于玻璃化温度时的粘度高、流动性差，热压印在制备微纳图形时的深宽比很难高于3:1(脱模难)。此外，热压印技术的升温与冷却过程会大大增加器件或结构制备过程的时间，导致生产效率的下降。

在热压印被提出后，1996 年．飞利浦实验室 Haisma 首次提出了紫外纳米压印的概念。紫外压印技术的压印胶通常也是通过旋涂的方法在基底上均匀的制备聚合物薄膜，然后将模板与涂有压印胶的基底对准，在室温下施加适当的压力将模板压入压印胶直至压印胶将模板图形结构填满，然后利用紫外光照射将含有光敏剂的压印胶固化，最后脱模便可在压印胶上获得对应的模板图形，其工艺流程图如1.9所示。

                                                                             图1.9      紫外光固化压印技术流程图

相对于传统的热压印技术，紫外压印所使用的胶粘度低，能够以液态形式迅速填充模板，使得压印过程可以在较低的温度以及压力下进行，从而避免了高温高压对模板以及基底带来的热膨胀等不利影响。紫外压印技术虽然能够保证超高的分辨率与保真度，但是因为硬质模板材质、尺寸以及涂胶面积等因素，导致单纯的紫外压印无法实现微纳结构的大面积制备。而滚轴纳米压印通过滚轴与衬底间的高副接触可产生极高的压强实现压印，并且可连续滚动模板实现连续压印，滚轴纳米压印可分为卷对平板纳米压印和卷对卷纳米压印两类。

卷对平板纳米压印也是可以分为热滚动式纳米压印和紫外滚动式纳米压印技术，两者的原理图如图1.10所示。在热滚动式纳米压印技术中，首先将涂覆有压印胶的平板基底加热到聚合物的玻璃化温度以上，再通过转动滚轴模具将图形压入光刻胶，利用滚轴的转动向前推进；而在紫外滚动式纳米压印技术中，将滚轴模具与薄膜的接触区域照射紫外光，压印后的薄膜将呈现凝胶或液体状，进而固化。

                                                                              图1.10    卷对平板纳米压印原理图

卷对卷压印技术的，利用刻蚀滚筒在基底上涂覆压印胶，带有模板图形的压印滚筒随后在压印胶上压印图形，卷对卷压印通常选择柔性基底，在压印后图形可卷为筒状，大大节省了加工空间，图案化过程可以连续进行，显著提高了压印产量，为工业化量产提供了有潜力的解决方案。

                                                                                 图1.11    卷对卷纳米压印原理图

目前佳能已经推出了纳米压印光刻机，其利用的纳米压印光刻技术被称为“喷射闪光压印光刻”(Jet and Flash Imprint Lithography, J-FIL)，其工艺流程如图1.12所示。该工艺工作流程包括以下四个步骤:首先，用喷墨点胶机将压印抗蚀剂液滴滴在晶圆上。第二步，模板直接接触到晶圆上，紫外线曝光固化抗蚀剂薄膜。第三步，将模板与晶圆分离。最后，重复这个过程来压印整个晶圆片。

                                                                                            图1.12    J-FIL的流程。

为了提高喷射闪光压印光刻的生产能力，佳能采用了（Gas Permeable Spin on Carbon, GP-SOC）技术来减少光刻胶填充时间。在传统旋涂碳（SOC）的基础上，GP-SOC具备气体渗透性，能够加速气体通过来消除气泡，减少缺陷并提升生产效率。根据佳能官网数据，其FPA-1200NZ2C纳米压印半导体制造设备可实现最小线宽为14 nm，相当于5 nm工艺节点。此外，随着掩模技术的进一步改进，有望实现最小线宽为10 nm，相当于2 nm工艺节点，从而与现有的EUV技术形成竞争。并且纳米压印光刻与其他光刻技术相比，纳米压印的成本会很低。图1.13为各个光刻技术能耗估计。从图中可以看出，随着EUV时代的到来，能源消耗急剧上升。相比之下，NIL可以有效降低光刻过程中的能耗。

                                                                                 图1.13    各光刻技术能耗估计图

纳米压印光刻技术虽然在成本效益和能源效率方面展现出显著优势，但其工业化应用仍面临两个关键性技术挑战。首先，缺陷控制问题尤为突出。由于NIL本质上是一种接触式图形转移工艺，模板与抗蚀剂之间的直接接触容易导致模板污染，同时抗蚀剂填充不均匀会引发局部缺陷（如气泡残留、图案畸变等），这些因素会显著影响工艺稳定性和产品良率。其次，产能限制问题亟待解决。传统NIL工艺的产量比投影式光刻要少。

针对上述挑战，佳能公司开发了两种解决方案。第一种是旋涂式纳米压印技术（Spin-coating NIL, SC-NIL）。该技术通过旋涂工艺在晶圆表面形成均匀的抗蚀剂薄膜，从而避免了传统喷墨分配所需的逐区域抗蚀剂沉积和液滴铺展步骤。基于Washburn毛细流动模型的理论分析，研究人员系统性地优化了工艺参数，在提高生产效率的同时，减少了缺陷密度。

第二种解决方案是多区域压印技术（Multi-field Imprint, MFI）。在佳能FPA-1200NZ2C设备中，集成了四个独立压印头，每个压印头均配备高精度喷墨喷嘴，用于在目标区域按需分配抗蚀剂液滴。该技术首先通过并行分配在多个压印区域同步沉积抗蚀剂，随后依次完成各区域的压印操作。相较于传统的单场顺序分配，MFI技术通过减少工作台移动次数，从而显著提升了整体生产效率。

                                                                                   图1.14    传统压印与MDI技术

NIL性能的缺陷密度和产量的变化趋势如图1.15所示，但图1.9的数据仅为论文中的预估值，官网上并没有给出具体的数据，与ASML的EUV光刻机：TWINSCAN EXE:5000，每小时晶圆数为185，还是存在差距。

                                                                      图1.15    纳米压印产能与缺陷密度性能图

1.2.2.     接近式光刻

接触式光刻的整体光路图如图1.16所示。从图中可以看出，接触式光刻系统的掩膜版和样品上的光刻胶是直接接触的，会造成掩膜版的污染和光刻胶面的损伤，从而缩短了掩模版的使用寿命。此外，由于此时光的传播为近场衍射，光场受到光源或物体表面细节的强烈影响，掩模的物理缺陷（如毛刺、颗粒污染）会通过近场衍射直接“复制”到光刻胶上，导致硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。

                                                                                                图1.16    接触式光刻

为了解决掩模版损坏问题并提高其重复利用性，接近式光刻技术应运而生。该技术通过将掩模版的位置提升至脱离硅片表面一定距离，从而避免了与硅片的直接接触。整体光路图如图1.17所示。由于存在这一间隙，光波在传播过程中会发生衍射效应，这将对光刻图形的分辨率和精度产生影响。尽管接近式光刻的理论精度可达到亚微米级别，但实际应用中其最小分辨率一般为2~3 µm。

                                                 图1.17    接近式光刻光路图以及分辨率与距离之间的关系

接近式光刻技术没有用到复杂且成本高昂的成像系统，从而有效降低了光刻的整体成本。但是，该技术受到衍射效应的制约，其光刻分辨率受限。在当今芯片制造中，面对极小尺寸特征的需求，该技术表现出了一定的局限性。

1.2.3.     投影式光刻

早期的投影光刻机掩模与晶圆之间是1:1成像，即全晶圆曝光。虽然当时晶圆尺寸只有2英寸(50 mm)，但即使这样也给投影物镜造成了很大的设计难度，最早佳能等公司开发的全折射光学系统因为光路很长，材料折射率均匀性不好等原因，并不是很稳定。很快出现了改进的光学方案，采用Dyson光学系统，如图1.18所示，为折反式光学系统。但是当视场进一步增大到75mm，并且分辨率继续提高时，又面临着与之前全折射方案同样的问题。层间套刻误差应控制在最小线宽（CD）的20%或更低，但是特别是因为掩模版和晶圆之间的膨胀差异，晶圆上不同的薄膜应力，曝光过程中透镜畸变的变化，以及不同组件之间透镜畸变的不匹配等因素导致套刻精度不能得到有效的保证。

                                                          图1.18    Optimetrix公司1:1全晶圆曝光系统(1974)

随着半导体行业对更大晶圆尺寸、更高分辨率和更高产率的需求不断提升，设备制造商开发出了扫描光刻系统，其中Perkin Elmer公司的Micralign系列是典型代表，其结构如图1.19所示。该系统采用照明部分和成像镜头设计保持不动，通过一个可绕平行于掩模-晶圆中心连线的轴线旋转的载体，在平行平面上同步支撑和移动掩模与晶圆片。这种光学设计具有轴对称特性，理论上能保证沿150mm中径、1mm宽度的狭窄环形视场内的成像均匀性，结合扫描运动实现了整个晶圆范围的高度均匀曝光。该系统具有成像质量高、匹兹万场曲为零、双远心等优点，但受限于最大0.16的数值孔径，且存在系统装调困难、需要高精度工件台和掩模台实现扫描曝光等缺点。随着成像要求的不断提高，Micralign系统最终因无法满足套刻精度要求而被淘汰。尽管制造商尝试了多种改进方案，但在CD控制要求日益严格和掩模制造成本持续攀升的背景下，具有缩小倍率成像功能的步进光刻机逐渐成为行业主流，获得了快速发展。

                                                       图1.19    Perkin Elmer公司的Micralign100系统(1974)

步进光刻机摒弃了早期全晶圆同时曝光的方式，转而将晶圆划分为多个独立的芯片区域（Die），如图1.20所示。其工作核心是“分步重复静态曝光”：每次曝光时，投影物镜保持静止，将掩模版 (Reticle) 上对应一个完整Die的图形，一次性（瞬时）以设定的缩小倍率（如4:1或5:1）完整地成像到晶圆上的目标位置。完成一个Die的曝光后，晶圆台（工件台）精确移动至下一个Die的位置，重复这一静态曝光过程。与全晶圆曝光不同，这种缩小投影成像方式需要额外增加掩模版与硅片（晶圆）的对准系统，以确保图形转移的精确性。关键要求在于：投影物镜的视场必须大于或等于单个芯片区域 (Die) 在晶圆上的实际尺寸，并且需要在整个视场内都维持所需的高分辨率和低像差控制。正是这一要求，使得物镜的设计制造面临巨大挑战，尤其随着芯片尺寸增大和分辨率要求的不断提高。

                                                                                          图1.20    步进光刻示意图

最早的步进光刻机是GCA公司的4800DSW机型，诞生于1978年，数值孔径是 NA0.28，倍率是10:1，视场是10 mm×10 mm，如图1.21所示。

                                                   图1.21    GCA公司4800DSW10:1缩小倍率光刻机(1978)

在摩尔定律的驱动下，对每个芯片的集成晶体管的数量要求越来越高，这在分辨率不断提高的同时，也要求芯片面积尽可能增加。这样对投影物镜的倍率要求又提高了，逐渐从 10:1发展到5:1和4:1，投影物镜视场也从10 mm×10 mm 提高14 mm×14 mm和22 mm×22 mm。这样虽然最早的步进光刻机对投影物镜的要求降低了，但是随着节点的缩小和芯片尺寸的进一步增加，投影物镜的难度是越来越大了。这最终促成了步进扫描光刻机的发明。

步进扫描光刻机与步进光刻机一个主要的区别是每个die不是同时曝光，而是通过掩模和晶圆的同步扫描运动来完成，如图1.22所示。步进扫描光刻机的工作方式是“分步扫描动态曝光”。虽然同样将晶圆划分为多个Die并按顺序曝光，但关键区别在于对每个Die的曝光过程：它不是一次性完成，而是通过掩模版和晶圆台的精密同步扫描运动来实现。在曝光时，一个狭缝状（Slit）的照明区域照射掩模版的一部分图形，同时掩模版和晶圆台在投影物镜下方以极高精度、同步匀速移动（扫描）。在移动过程中，狭缝光依次扫过掩模版上的Die图形，投影物镜则连续地将扫描到的部分图形缩小成像到晶圆上对应的移动区域，从而“拼合”出完整的Die图形。完成一个Die的扫描曝光后，晶圆台步进到下一个Die位置重复扫描过程。这种扫描方式极大地降低了对投影物镜瞬时视场的要求（只需覆盖狭缝宽度即可），从而有效克服了大芯片尺寸与极高分辨率、低像差之间的矛盾，成为现代高端光刻机（如ArF浸没式、EUV）的主流技术。

                                                                                    图1.22    步进扫描光刻示意图

步进扫描光刻机在不增加投影物镜复杂度的情况下，可以获得更大的曝光视场，但代价是增加了工件台，掩模台和控制系统等的复杂度。步进扫描光刻机可以说是为了平衡产率，工件台的复杂度和投影物镜的复杂度而在扫描光刻机和步进光刻机之间做的折中。最早的步进扫描光刻机是 PerkinElmer公司于1990年推出的Micrascan系列，如图1.23所示。MicrascanI是利用环形视场实现22 mm×32 mm的扫描视场，但是因为采用了很多折叠反射镜，装调困难，并且环形视场扫描存在过扫描影响产率，很快就被采用矩形视场扫描MicrascanII替代。Micrascan型号后续系列的扫描视场达到了22 mm×50 mm。目前EUV(extremely ultra violet,13.5nm)光刻机外，DUV(deep ultra violet，本文指248nm和193nm)光刻机都是利用投影物镜的矩形视场实现扫描曝光的，虽然不同机型投影物镜的静态视场各有不同，但标准扫描视场基本都是26 mm×33 mm。

                                          图1.23    步进扫描光刻机MicrascanI(1990)和Micrascan II(1993)

下面接着介绍光刻机的关键指标线宽(也称为分辨率，resolution)，其计算公式为:

其中k₁是工艺因子，λ是工作波长，NA(numerical aperture)是投影物镜的数值孔径。显然提高光刻机的分辨率需要从三个方面考虑，即缩短波长，增大数值孔径和降低工艺因子。事实上，整个步进扫描光刻机的发展历程基本上也是围绕着这三个因素开展。作为该领域的领先者，ASML的关键产品迭代（如图1.24所示）清晰地反映了这一技术演进路径。

                                                               图1.24    摩尔定律下ASML光刻机的发展历程

波长的缩短经历了从g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)到EUV的演进过程，但每一步缩短都伴随着严峻的挑战，涉及光学材料、光刻胶、光源及投影物镜设计的协同突破。这些因素紧密耦合、相互制约：波长越短，光学材料吸收越强，可选材料种类急剧减少，导致投影物镜色差校正极为困难——往往被迫采用成本高昂的折反射式设计或要求光源具备更窄的线宽，而后者又对光源技术提出极高要求。例如，在KrF与ArF波长下，仅剩熔融石英（fused silica）和氟化钙（CaF₂）可用，这就要求准分子激光器在保证足够功率的同时，还必须实现极窄的线宽。进入EUV波段（~13.5nm）后，挑战更为困难：由于所有材料均无法透射，光学系统必须采用全反射结构。为避免中心遮拦并充分利用成像视场，EUV光刻机不得不采用类似早期Micrascan I机型的环形视场设计（环宽仅约2mm）进行扫描，这大幅增加了工件台的运动精度和同步控制难度。此外，研发稳定可靠且满足高功率需求的EUV光源，也经历了漫长的技术攻关并付出了巨额成本。

在光刻波长持续缩短（从g线436nm至EUV）的同时，投影物镜的数值孔径（NA）也在不断提升，从20世纪80年代的约NA 0.2发展到21世纪10年代的NA 1.35。当NA超过1时，必须采用浸没式光刻技术，其通过在投影物镜最后一个透镜与硅片光刻胶之间填充高折射率液体（如去离子水），显著提高了分辨率。193nm光源在水中等效波长缩短至134nm，突破了157nm波长的理论瓶颈，使193nm浸没式（193i）光刻工艺节点得以从65nm不断下探：2010年实现32nm节点，并推进至22nm。其中，28nm节点尤为关键，它充分利用了成熟的193i技术，无需大规模设备更新，具备最优的投入产出比，至今仍极具价值。理论上，193i DUV光刻结合多次图形化技术（多次曝光）可延伸至7nm节点。为持续挖掘其潜力，业界不断开发更高NA成像镜头、FinFET/GAAFET等先进结构、多掩模版技术及高灵敏度DUV光刻胶等，将193i的极限拓展至14nm、7nm乃至5nm，使其在EUV光刻成熟前成为延续摩尔定律的最强、最成熟的主流纳米光刻技术。而对于EUV光刻，其核心矛盾在于：全反射系统为保障有限的光通量透过率，必须严格限制反射镜数量。若采用离轴设计规避中心遮拦，需额外增加反射镜补偿光路，这将导致光通量锐减至无法满足量产需求，同时非对称光路会引入难以控制的高阶像差。因此，工程上被迫选择同轴设计并接受中心遮拦的固有代价。此外，反射掩模带来的照明阴影效应，迫使投影物镜采用变形镜头设计（Anamorphic lens，即X方向4:1、Y方向8:1的非对称倍率），这不仅大幅增加了镜头设计与制造难度，也提升了对掩模台和工件台扫描精度的要求。

工艺因子（K₁）的降低主要通过两大途径实现：投影物镜像差的持续减小与分辨率增强技术（RET） 的广泛应用，目前K1值已逼近理论极限0.25，但进一步降低面临严峻挑战。在像差控制方面，投影物镜的波像差水平在过去几十年取得显著突破：20世纪80年代波像差RMS值仅约λ/20，而当前最先进的浸没式光刻物镜已将其降至λ/400；对于EUV物镜，波像差更优化至优于0.2nm RMS，畸变优于0.5nm RMS。与此同时，分辨率增强技术（RET）体系不断发展，主要包括：离轴照明（OAI）：通过倾斜照明光束提升特定方向图形的分辨率；光学邻近效应校正（OPC）：在掩模图形上添加亚分辨率辅助特征，补偿光刻过程中的图形畸变；相移掩模技术（PSM）：利用掩模上相邻区域的相位差（通常180°）增强图形边缘对比度；偏振照明：随NA增加（>1.0）而引入，通过控制光的偏振态优化成像对比度（因高NA下偏振效应显著）；光源-掩模协同优化（SMO）：联合优化光源形状与掩模图形设计，突破单一变量限制；其中，偏振照明虽显著提升了成像质量，但也增加了照明系统的复杂度和成本。随着K1逼近极限，上述RET技术（尤其是SMO、复杂OPC及偏振控制）已成为维持光刻分辨率的关键支撑。

光刻技术发展迅速，有很多其他正在探索和发展中的测量方法本文并未涉及，只是挑选了目前比较主流的技术，按照本人的逻辑顺序进行撰写，加之本人水平有限，文中不妥之处 还恳请广大同行和读者斧正。

参考文献

[1]         https://www.accscicn.com

[2]         孙伯文,张力,温积森,等.中国光学十大进展：大尺寸微纳光学器件制造技术[J/OL].激光与光电子学进展,1-27[2025-05-04].

[3]         许路奎,范子雄,王璐玮,等.光刻技术与光刻胶材料的进展与未来趋势（特邀）[J].中国激光,2025,52(07):9-50.

[4]         张娜,罗昊,邱毅伟,等.光纤多通道并行激光直写光刻系统（特邀）[J].中国激光,2024,51(12):390-396.

[5]         程鸣.激光直写衍射光学元件的设计与工艺研究[D].哈尔滨工程大学,2023.

[6]         王君.极紫外光刻物镜系统光学设计研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2015.

[7]         高晓蕾,陈艺勤,郑梦洁,等.大面积纳米压印技术及其器件应用[J].光学精密工程,2022,30(05):555-573.

[8]         李顺心.光电微器件的纳米压印制备研究[D].吉林大学,2020.

[9]         Nakasugi, Tetsuro, et al. "Multi-field imprint technology: enabling the productivity enhancement of NIL." Novel Patterning Technologies 2021. Vol. 11610. SPIE, 2021.

[10]      Nakasugi, T. "The current status of nano-imprint lithography and its future outlook toward carbon neutrality by 2050." Photomask Japan 2022: XXVIII Symposium on Photomask and Next-Generation Lithography Mask Technology. Vol. 12325. SPIE, 2022.

[11]      Stuerzebecher, Lorenz, et al. "High-resolution proximity lithography for nano-optical components." Microelectronic Engineering 132 (2015): 120-134.

[12]      尚红波.浸没光刻投影物镜光学设计与像差补偿研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2021.DOI:10.27522/d.cnki.gkcgs.2021.000007.

[13]      Bruning, John H. "Optical lithography: 40 years and holding." Optical Microlithography XX. Vol. 6520. SPIE, 2007.

[14]      Joachim Kalden, Jens Timo Neumann, Dirk Jürgens, Paul Gräupner, Wolfgang Seitz,Peter Kürz, "EUV optics at ZEISS: status, outlook, and future," Proc. SPIE 12953, Optical and EUV Nanolithography XXXVII, 129530Q (10 April 2024).