光刻技术（上）-直写光刻技术

从微纳制造与加工的角度来看，芯片（Integrated Circuit, IC）是一种高度集成化的微型功能载体，芯片的实现基于一系列高精度的微纳加工技术，在半导体材料（如硅晶圆）上精确构建复杂的电路结构与功能单元。

在所有芯片制造工艺中，光刻技术被广泛认为是整个微纳制造工艺的核心环节之一。光刻的本质是利用光学方法，将设计的特征图形精确转移至基底表面所涂覆的光刻胶层，并与后续的显影、刻蚀及去胶等步骤相结合，从而实现微纳结构的制作。光刻技术的精度与可靠性直接决定了微纳器件的特征尺寸、结构质量及最终性能，因此是芯片制造体系中的技术制高点之一。

根据图案转移方式的不同，光刻技术通常可以分为两大类：直写光刻技术和模板式光刻技术，如图1.1所示。直写光刻技术主要包括电子束直写光刻、离子束直写光刻以及激光直写光刻等方法。这类技术通常是通过逐点扫描的方式直接对光刻胶表面进行图案化，无需外部掩模。相比之下，模板式光刻技术则依赖于预先制作好的模板或掩模，借助模板图像转移完成加工过程。模板式光刻的主要类型包括纳米压印光刻、接触/接近式光刻以及目前最为广泛应用的投影式光刻。相较于有掩膜光刻，无掩膜直写光刻最大的优势为不需要预先制作掩膜就可以实现光刻图案的灵活定义，因而更加适合应用于科研以及高精度掩膜的制备。而掩膜式光刻最大的优势为高效、低加上成本，通过对高精度掩模版图形，定比例的缩放，可以在极短的时间内实现大面积的图形定义。

图1.1 光刻的主要工艺

1.1. 直写光刻技术

1.1.1. 电子束直写光刻

电子束光刻（EBL）利用聚焦电子束在抗蚀剂上直接写入图形，具备极高分辨率和无需掩模版的核心优势，特别适用于原型验证、图形数据灵活修改及纳米级研发。然而，其低曝光效率和复杂的控制系统限制了大规模生产应用，目前主要应用于光刻掩模版制造、小批量特殊器件及前沿纳米科学研究。

电子束光刻工艺流程图如图1.2所示。首先，为了减少基材表面的电荷积累，通常需先在基底上施加一层导电薄膜。随后，涂覆上对电子束敏感的抗蚀剂，该材料在被电子束照射后，其化学性质会发生显著变化。在实际操作中，电子束按照预设的设计图形对抗蚀剂层进行扫描。在此过程中，需精确控制电子束的剂量，以确保曝光效果的均匀性和准确性。经过曝光后，已被电子束照射的抗蚀剂区域会在显影液的作用下被去除，而未曝光的抗蚀剂层则保留在基底上，形成所需的图案结构。随后，基于保留的抗蚀剂图案，通过选择性蚀刻工艺，可以将该图案转移至基底材料中，从而实现微纳米结构的制备。

图1.2 电子束光刻工艺流程图

尽管现代电子束光刻系统非常复杂，但它们都有相同的基本部件。图1.3显示了带有主要设备部件的典型EBL系统的示意图。

图1.3 电子束曝光整体示意图

电子束光刻可以分为高斯束、变形束和多束三种光刻类型。高斯束电子束光刻采用束斑能量呈高斯分布的电子束作为刻写束，具有较低的成本和极高的光刻分辨率，能够实现纳米级结构的制造。然而，其单点写入的串行扫描方式导致加工效率极低，难适用于制备大面积的微纳光学器件。变形束电子束光刻则通过组合不同形状的光阑，形成多样化的电子束图案，从而实现一次性较大面积的曝光，有效提升了曝光效率。但随着加工节点尺寸的不断缩小，电子散射引发的邻近效应使得逆向光刻技术成为提高分辨率的必要手段。这导致变形束电子束光刻的模板制作难度大幅增加，限制了其进一步的发展。多束光刻技术则是另一种提升刻写通量的方法。在多束光刻设备中，刻写结构和高斯束光刻的处理方式一样被处理成离散化的像素点，多束电子束同时刻写成倍提升了刻写通量。

1.1.2. 离子束直写光刻

离子束直写光刻（Focused Ion Beam Direct Writing Lithography）利用聚焦离子束直接在样品表面进行无掩模微纳加工。其核心优势在于多工艺集成能力（如同步实现物理刻蚀、选择性沉积和离子注入）以及高深宽比结构加工能力，同时规避了电子束光刻的散射效应。然而，该技术存在根本局限：离子质量大导致光刻胶穿透浅、束流能量分散使分辨率受限；溅射粒子再沉积降低精度；逐点扫描效率极低；设备高真空需求推升复杂度。引入活性气体虽可提升刻蚀效率并抑制再沉积，但会牺牲分辨率和形貌可控性。因此，其高深宽比优势仅适用于简单三维结构（如垂直深槽），对拓扑复杂的非规则三维形貌（如曲面、悬臂）加工能力严重不足，加之效率瓶颈，主要局限于集成电路修复、透射电镜样品制备及微纳器件原型开发等小批量场景，无法满足大面积或复杂三维光学结构的量产需求。

图1.4展示的典型氦离子束（HIB）光刻系统工作流程如下：离子源（通常为液态金属离子源LMIS或气体场离子源GFIS）发射离子束（LMIS加热熔融金属如镓后从喷嘴发射，GFIS则在低温下由氦气针尖发射氦离子）；随后，第一个静电透镜对离子束进行初步聚焦和准直；束限孔筛选出细束流；四极偏转电极控制束流进行精确的二维扫描定位；八极偏转电极进一步优化束流控制（尤其在倾斜曝光时）；第二个静电透镜实现最终聚焦，确保束流在样品表面具有高强度和精度；样品置于可旋转/倾斜的样品台上以实现多角度曝光；柱隔离阀和差分泵送接口协同维持系统内部所需的超高真空环境，保障离子束稳定传输；光束遮挡器可在非曝光时段切断束流。聚焦的HIB按预设图形扫描样品表面，其高能量在光刻胶中引发化学变化（如产生自由基改变溶解度），曝光完成后经显影即可获得微纳图形。

图1.4 电子束曝光整体示意图。(a)实物图 (b)示意图

1.1.3. 激光直写

激光直写光刻（DLW）是一种利用聚焦光束在光敏材料上直接曝光固化、实现无掩模三维微纳结构制造的先进技术，克服了传统光刻依赖掩模导致的成本高、灵活性低等局限。其发展历程始于20世纪末，早期系统采用连续波激光器结合移动平台/旋转镜进行逐点扫描，但受限于能量密度难以实现高分辨率；21世纪初转向脉冲激光器（如飞秒激光），利用其高峰值功率诱导的非线性效应，在特定条件下（如双光子聚合）可实现亚微米至百纳米级分辨率，同时短脉冲特性显著降低热损伤风险；随后引入的多光子聚合（MPP）技术（通过高强度飞秒激光引发光刻胶非线性吸收），进一步突破衍射极限，实现真三维纳米结构的精准制造，大幅扩展了应用边界。该技术核心优势在于无需掩模直写任意三维结构、工艺简单、环境要求低，使其成为微光学器件、微流控芯片、光子晶体及生物工程等领域的关键甚至不可替代方案。然而，其逐点扫描本质导致加工效率低下，主要适用于小面积试制与研究。为提升效率，多光束并行方案被提出，包括：衍射光学元件（DOE）：生成固定点阵，但灵活性差；微透镜阵列（MLA）：产生多焦点并行扫描，但光斑均匀性难控；空间光调制器（SLM）或数字微镜器件（DMD）：可编程调制波前，但受刷新率限制（SLM≤2kHz, DMD≤32kHz）。这些方案普遍存在光斑调控精度不足、激光能量利用率低、系统复杂度高等问题，难以实现高通道数扩展与大规模应用。下文将重点介绍当前主流的双光子聚合激光直写技术。

在通常情况下，绝大部分的物质对于光的吸收是以一个光子为单位进行的，原子或分子吸收一个光子后从基态跃迁至激发态。1931年德国物理学家 Maria Goeppert Mayer从量子理论推导出在特定的条件下，双光子吸收发生的可能性。原子或分子同时吸收两个光子，中间产生一个虚拟态而跃迁到激发态的现象称为双光子吸收，工作原理如图1.5所示。单光子吸收的吸收强度与激发光强呈线性关系，而双光子吸收中吸收强度与激发光强的平方成正比，通常需要较高的激光功率才能激发。1961年，在激光得到应用之后，双光子吸收理论成功得到了实验验证。

图1.5 单光子吸收和双光子吸收原理图

双光子吸收与单光子吸收的关键区别在于：在双光子吸收过程中，材料不会因单次光子接触而固化，仅在同时吸收两个光子的极小空间内（约几十纳米）才会发生反应——这一高精度空间选择性源于飞秒激光的时域压缩与高倍物镜的空间压缩协同作用；相比之下，单光子吸收（图1.6(a)）中激光束路径上的材料会全深度固化，导致无法实现三维加工；而双光子荧光激发（图1.6(b)）仅在焦点处产生纳米级亮点，这种局域化效应使得微纳尺度三维加工成为可能。

图1.6 单光子激发与双光子激发区域大小对比

激光扫描振镜和纳米级的位移台，可以使激光焦点在光刻胶内进行移动，焦点经过的位置，光刻胶变性、固化。其常见的工作流程如图1.7所示，首先，在玻璃基底上通过滴涂或者旋涂的方式布上一层光刻胶，然后将激光光束聚焦到光刻胶中。通过移动激光焦点或者样品的位置，可以形成三维结构的曝光路径。当曝光完成后，将样品浸泡在溶剂中，溶解掉未曝光的光刻胶，基底上便剩下加工的微结构。

图1.7 激光直写光刻的工作流程图。 (a)玻璃基板上的光刻胶; (b)聚焦激光束照射; (c)被曝光的结构浸于未曝光的光刻胶中; (d)去除未曝光光刻胶后的独立结构

      未完待续，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。

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