第41卷第5期红外与激光工程2012年5月Vol.41No.5Infrared and Laser Engineering May.2012激光光刻技术的研究与发展邓常猛1,2，耿永友1，吴谊群1,3(1.中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院强激光材料重点实验室，上海201800；2.中国科学院研究生院，北京100049；3.功能无机材料化学省部共建教育部重点实验室(黑龙江大学)，黑龙江哈尔滨150080)摘要：光刻技术作为制备半导体器件的关键技术之一将制约着半导体行业的发展和半导体器件的性能。
随着半导体工业的发展，集成电路的特征尺寸越来越小，光刻技术将面临新的挑战。
分析了激光光刻技术，包括投影式光刻和激光无掩膜光刻技术的研究现状，着重介绍了极紫外光刻(EUVL)作为下一代光刻技术的发展前景和技术难点、激光无掩膜光刻技术的发展，特别是激光近场扫描光刻、激光干涉光刻、激光非线性光刻等新技术的最新进展及其在高分辨率纳米加工领域的应用前景。
关键词：投影式光刻；无掩膜光刻；发展趋势中图分类号：TN305.7文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)05-1223-09Research development of laser lithography technologyDeng Changmeng1,2,Geng Yongyou1,Wu Yiqun1,3(1.Key Laboratory of Material Science and Technology for High Power Lasers,Shanghai Institute of Optics andFine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China;2.Graduate University of the Chinese Academyof Sciences,Beijing100049,China;3.Key Laboratory of Functional Inorganic Material Chemistry(Heilongjiang University),Ministry of Education,Harbin150080,China)Abstract:Lithography technology,as one of the key technologies in the manufacture of semiconductor devices,has played an important role in the development of semiconductor industry.As the critical dimension of integrated circuit is decreased to smaller and smaller,lithography technology will face new challenges.In this review,the progress and status on laser lithography were presented,including projection lithography and laser maskless lithography.The foreground and technology challenges of extreme ultraviolet lithography(EUVL),which was considered to be the next generation lithography,were analyzed.The progress and application prospect in high-resolution nano lithography patterning of laser maskless lithography,especially of near-field scanning optical microscopy,laser interference and nonlinearity lithography etc,were discussed.Key words:projection lithography;maskless lithography;development trend收稿日期：2011-09-05；修订日期：2011-10-03基金项目：国家自然科学基金(60977004，50872139)作者简介：邓常猛(1985-)，男，博士生，主要从事光刻技术和光刻材料方面的研究。
Email:chmdeng@导师简介：吴谊群(1957-)，女，研究员，博士生导师，主要从事高密度光存储和光电子学功能材料方面的研究。
Email:yqwu@红外与激光工程第41卷0引言随着半导体工业的发展，集成电路的特征尺寸越来越小。
依据摩尔定律，在过去的40年里，集成电路的特征尺寸以每3年30%的速率减小[1]。
根据半导体发展联盟的路线图[2]，半导体器件的特征尺寸将继续缩减到32nm、22nm、甚至16nm。
伴随着特征尺寸的减少，器件的运算速率将增加，功耗会降低。
由于器件的集成密度将直接制约着器件的运行性能[3]，因而，光刻技术作为制备半导体器件的关键技术之一将制约着半导体工业的发展和半导体器件的性能。
为了满足半导体器件制备的需求，光刻技术将面临新的挑战。
激光光刻可以分为激光投影式光刻和激光无掩膜光刻技术。
传统的激光投影式光刻技术是基于光学曝光法，其曝光技术最终制约着光刻工艺的分辨率。
激光无掩膜光刻技术是利用激光束在基体的表面直接进行微纳(微米或纳米)图形的制备。
这种技术是直写式无接触的加工技术，因而无需传统曝光辐射式的光掩膜以及纳米压印接触式的模板，也避免了接触时出现的摩擦、粘附污染等问题，近年来受到人们的广泛关注。
文中将对激光投影式光刻和激光无掩膜光刻技术的研究现状和发展趋势作前瞻性的介绍。
1激光投影式光刻技术1.1发展现状激光投影式光刻技术一般要经过5个主要工艺步骤(根据光刻胶性质的不同，分为正性光刻和负性光刻)，如图1所示[4]。
曝光光路原理图如图2所示。
光束经过光学器件系统聚焦、投影到掩膜上，经过掩膜达到光刻胶膜面实现曝光，但是光学投影系统的分辨率受到衍射的限制。
即如果一个不透明的物体放在点光源和屏之间，物体的边缘将在屏上形成轮廓分明的阴影，几何阴影内的点上无光到达，而阴影的外侧被均匀地照亮。
实际上，由边缘形成的阴影会扩散，组成明暗相间延伸到几何阴影的光带。
这种光线在边缘处的明显弯曲就称为衍射，其形成的几何阴影光带制约着曝光的分辨率。
通常，光刻系统的分图1光刻工艺流程图Fig.1Process flow diagram of lithography图2曝光光路原理图Fig.2Schematic diagram of exposure light path辨率可以由下面的公式来表示：R=k1λNA(1)式中：R为分辨率；NA为数值孔径；λ为曝光波长；k1为工艺因子，与光刻胶材料的性质、加工技术以及光学系统成像技术有关。
为了提高分辨率，满足半导体工业发展的需求，曝光波长的缩短沿着436nm (g线)→365nm(i线)→248nm(KrF)→193nm(ArF)→157nm(F2)→13.5nm(极紫外光)的路线进行着。
曝光光源也经历着高压水银弧光灯(g线和i线光源)→KrF、ArF、F2受激准分子激光器的变迁，如图3所示[5]。
到下一代极紫外光刻将主要采用依靠激光和气体放电产生的等离子体极紫外光光源[6]。
在半导体工业的起始段利用曝光投影技术制备集成电路时，所需要的特征尺寸相比于曝光波长还是很大的。
随着集成度的提高，通过减少曝光波长也能在一定程度上满足需要。
但是，随着特征尺寸继续1224第5期图3半导体器件的发展趋势与光刻技术曝光波长对比Fig.3Comparison between development trend of semiconductor devices and exposure wavelength of lithography减少，特别是到100nm以下时，单纯的通过缩短曝光波长的方法难以达到要求。
目前，利用玻璃光学系统的光刻技术已经接近了它的极限，需要一些新的方法和技术来进一步提高分辨率。
一些相应的光学辅助技术，如相移掩膜(phase shifting mask,PSM)和离轴照明技术[7-9]的应用，取得了一定的效果。
利用F2准分子激光器发出波长157nm的真空紫外光来作为曝光光源可以进一步提高分辨率。
157nm 光刻技术[10]也被用于90nm工艺的开发。
但是当波长短到157nm时,大多数光学镜头材料都是高吸收态,吸收激光能量后受热膨胀,而造成球面像差。
增大NA是另一个提高分辨率的途径[11]。
2005年，美国半导体芯片制造技术研究与开发联合体Sematech 和英国Exitech公司联合推出全球首款NA=1.3的193nm浸入式光刻机,用于65/45nm光刻工艺。
在现有的193nm曝光技术的基础上，通过两次成像浸没式光刻技术可以达到32nm节点，并且这一方案已经非常接近批量生产实用化阶段[12]。
对解决特征尺寸22nm技术节点的方案而言，193nm多次成像光刻技术目前还尚不成熟。
因为多次成像意味着比两次成像更大的成本，另外多次成像的掩膜技术也需要很大的投入。
图4给出了未来10年里与技术节点对应的几种光刻技术的发展状态。
从图4可清晰地看出，图中所列出的一些潜在解决22nm技术节点的技术方法将会变得非常具有竞争性。
例如，无掩膜直写技术(maskless lithography,ML2)已被考虑作为22nm及以下节点的解决方案；一些新技术如自组装(self-Assembly)和纳米压印(Imprint)技术也正受到关注；但还需要更大的努力来克服其技术上的挑战；极紫外光刻是最被看好的用来解决22nm技术节点的投影光刻技术，也将是实现16nm节点技术生产的有力竞争者。
图4未来10年里与技术节点对应的几种光刻技术的发展状态Fig.4Future decade development status of several lithography technologies corresponding to the half-pitch node1.2极紫外光刻技术极紫外光刻(EUVL)技术从1986年提出到被考虑建立商用化设备经历了很长一段的发展历史[12-14]。