在微納工程領(lǐng)域，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的數(shù)字藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為具有特定功能的物理器件，依賴于一系列精密的制造工藝，其中光刻技術(shù)無疑是定義器件幾何構(gòu)型的基石，然而正如所有物理系統(tǒng)一樣，光學(xué)光刻的分辨率也受到其內(nèi)在物理規(guī)律的制約。本文將從經(jīng)典的光學(xué)理論出發(fā)，探討影響光刻分辨率的諸元，分析主流的分辨率增強(qiáng)技術(shù)，并最終聚焦于無掩模光刻這一新興范式，是如何在保證精度的前提下，為快速研發(fā)和多樣化應(yīng)用提供獨(dú)特的價(jià)值。

理論的邊界：瑞利判據(jù)及其啟示

任何關(guān)于光刻分辨率的討論，都繞不開瑞利判據(jù)。

圖 瑞利判據(jù)：兩個(gè)相等強(qiáng)度的點(diǎn)光源，其中一個(gè)的中央極大值，剛好落在另一個(gè)的第一極小值

這個(gè)源于天文學(xué)家瑞利勛爵用于判斷望遠(yuǎn)鏡分辨兩顆恒星能力的準(zhǔn)則，同樣精準(zhǔn)地描述了投影式光刻系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的最小特征尺寸。

CD=k1 * (λ / NA)

這個(gè)簡(jiǎn)潔的公式揭示了決定光刻分辨率三大核心要素：

λ (波長(zhǎng)): 曝光光源的波長(zhǎng)。更短的波長(zhǎng)意味著光波的衍射效應(yīng)更弱，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的圖形。這也是光刻技術(shù)發(fā)展史上，光源從可見光（g-line 436nm, i-line 365nm）一路演進(jìn)到深紫外（DUV, 248nm, 193nm），乃至極紫外（EUV, 13.5nm）的根本驅(qū)動(dòng)力。

NA (數(shù)值孔徑): 投影物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，代表了其收集光線的能力。NA值越大，意味著鏡頭可以接收更寬角度范圍的衍射光，從而保留更多圖形的細(xì)節(jié)信息，提升分辨率。

k1 (工藝因子): 這是一個(gè)綜合性的工藝相關(guān)系數(shù)，其值受到光刻膠性能、曝光工藝控制、分辨率增強(qiáng)技術(shù)（Resolution Enhancement Techniques, RET）應(yīng)用等多種因素的影響。k1的理論物理極限為0.25。

圖 光刻系統(tǒng)原理圖

瑞利判據(jù)如同一座燈塔，為光刻技術(shù)的演進(jìn)指明了三個(gè)方向：縮短波長(zhǎng)（λ）、增大數(shù)值孔徑（NA）、以及降低工藝因子（k1）。 然而每一條路徑的探索都伴隨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)和成本投入。光源波長(zhǎng)的每一次躍遷都意味著整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)、光刻膠材料乃至整個(gè)工藝生態(tài)的顛覆性變革。而NA值的提升也并非毫無代價(jià)，它往往會(huì)壓縮另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——焦深，給工藝控制帶來更大挑戰(zhàn)。因此在工程實(shí)踐中，我們更多地是在這三個(gè)變量之間尋求一種動(dòng)態(tài)的平衡與優(yōu)化。

工程的智慧：突破衍射極限的“組合拳”

當(dāng)特征尺寸不斷逼近光源波長(zhǎng)時(shí)，光的衍射效應(yīng)愈發(fā)顯著，單純依賴縮短波長(zhǎng)和增大NA已顯得力不從心。為此，一代代光刻工程師們發(fā)展出了一系列精巧的“財(cái)技”——分辨率增強(qiáng)技術(shù)（RET），其核心思想在于通過優(yōu)化照明方式和掩模版圖形，主動(dòng)地“管理”衍射光場(chǎng)，以期在晶圓表面獲得更理想的成像。

浸沒式光刻: 這是在增大NA路徑上的一大創(chuàng)舉。傳統(tǒng)光刻機(jī)中，投影物鏡與晶圓之間是空氣（折射率n≈1）。浸沒式光刻則在二者間填充了高折射率的液體（如純水，193nm波長(zhǎng)下n≈1.44），等效地將NA的天花板從1.0提升至1.44。這一技術(shù)的成功，極大地延長(zhǎng)了193nm ArF光刻技術(shù)的生命周期，使其能夠支撐到45nm甚至更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)。

圖 在浸沒光刻中，來自上方的紫外線輻射先穿過一組透鏡（1）和一層薄液膜（2；此處為水），然后照射晶圓（3）表面的光刻膠

離軸照明（OAI）: 傳統(tǒng)照明方式是光線垂直照射在掩模版上。OAI則通過特殊設(shè)計(jì)的照明光闌，使光線以一定角度傾斜照射。這種方式可以改變衍射光的空間分布，使得更高頻率的衍射級(jí)次能夠進(jìn)入物鏡，從而增強(qiáng)特定方向（如密集線段）圖形的對(duì)比度和分辨率。

圖 離軸照明通過傾斜照明，改變了（a）中所示二元掩模的常規(guī)成像，導(dǎo)致（b）中所示的衍射圖案發(fā)生偏移

相移掩模（PSM）: 傳統(tǒng)掩模版只控制光的“通”與“斷”（振幅）。PSM則在此基礎(chǔ)上，通過在特定區(qū)域引入厚度變化，額外控制透過光的“相位”。利用光波的干涉相消原理，可以在圖形邊緣形成更陡峭的光強(qiáng)梯度，從而獲得更清晰的成像。

圖 相移掩模類型：（1）二元掩模，（2）相移掩模，（3）蝕刻石英掩模（萊文森掩模），（4）半色調(diào)掩模。（頂部）掩模，（紅色）掩模上的光能/相位，（藍(lán)色）晶圓上的光能/相位，（綠色）晶圓上的光功率，（底部）硅晶圓上的光刻膠

光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）: 由于衍射效應(yīng)，掩模版上的矩形在晶圓上可能會(huì)成像為圓角或者尺寸失真。OPC技術(shù)通過在設(shè)計(jì)階段預(yù)先對(duì)掩模版圖形進(jìn)行“反畸變”處理，例如在尖角處添加輔助圖形或調(diào)整線條寬度，來補(bǔ)償成像過程中的光學(xué)失真。

圖 一張OPC（光學(xué)鄰近校正）的示意圖。藍(lán)色的Γ形是芯片設(shè)計(jì)師希望印刷在晶圓上的形狀，綠色的是應(yīng)用光學(xué)鄰近校正后掩模上的圖案，紅色的輪廓是該形狀實(shí)際印刷在晶圓上的樣子（與期望的藍(lán)色目標(biāo)非常接近）

這些RETs技術(shù)往往組合使用，形成了極其復(fù)雜的計(jì)算光刻體系，使得光刻從一門“光學(xué)藝術(shù)”演變?yōu)橐婚T依賴于海量計(jì)算和精密建模的“數(shù)據(jù)科學(xué)”。

范式轉(zhuǎn)移：無掩模光刻的靈活性與適用場(chǎng)景

盡管上述RETs技術(shù)極大地推動(dòng)了大規(guī)模集成電路制造的進(jìn)步，但它們高度依賴于一個(gè)核心部件——物理掩模版。掩模版的制造不僅成本高昂，且制作周期長(zhǎng)，一旦設(shè)計(jì)有變，整套掩模版便面臨作廢，這對(duì)于研發(fā)、原型驗(yàn)證和小批量生產(chǎn)場(chǎng)景而言，無疑是巨大的時(shí)間和成本障礙。

正是在這樣的背景下，無掩模光刻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它摒棄了物理掩模，轉(zhuǎn)而采用一個(gè)可實(shí)時(shí)編程的“數(shù)字掩?！眮碇苯由善毓鈭D案。目前，基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的無掩模光刻是其中最主流的技術(shù)路徑之一。

圖 DMD圖像技術(shù)概述

DMD是一種由數(shù)百萬個(gè)微米級(jí)的、可獨(dú)立高速翻轉(zhuǎn)的微型反射鏡組成的半導(dǎo)體光開關(guān)陣列。通過計(jì)算機(jī)精確控制每個(gè)微鏡的偏轉(zhuǎn)角度（“開”或“關(guān)”），就可以實(shí)時(shí)構(gòu)建出任意的二維光強(qiáng)分布圖形，并將其投影到涂有光刻膠的基底上，實(shí)現(xiàn)所謂的“直寫”。

這一從“物理模板”到“數(shù)字光場(chǎng)”的轉(zhuǎn)變，帶來了革命性的優(yōu)勢(shì)：

極致的靈活性與速度: 設(shè)計(jì)圖案的修改僅需在軟件中完成，幾分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到曝光的轉(zhuǎn)換，極大地縮短了研發(fā)迭代周期。這對(duì)于需要頻繁進(jìn)行版圖驗(yàn)證的科研工作，以及小批量、多樣化的產(chǎn)品試制至關(guān)重要。

顯著的成本效益: 省去了昂貴的掩模版制作、存儲(chǔ)和維護(hù)費(fèi)用，使得小批量生產(chǎn)和個(gè)性化定制在經(jīng)濟(jì)上成為可能。

強(qiáng)大的功能拓展性: DMD的每個(gè)微鏡不僅可以實(shí)現(xiàn)開/關(guān)二值調(diào)制，還能通過高速脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)多級(jí)灰度控制。這一能力使得無掩模光刻可以輕松實(shí)現(xiàn)灰度光刻，用于制造具有三維連續(xù)形貌的微光學(xué)元件（如菲涅爾透鏡、微透鏡陣列）和復(fù)雜的微流控通道等。

圖 澤攸科技ZML系列DMD無掩膜光刻機(jī)

在這一技術(shù)浪潮中，以澤攸科技為代表的科學(xué)儀器制造商，通過推出一系列桌面化的DMD無掩模光刻系統(tǒng)，將這一原本局限于特定領(lǐng)域的技術(shù)，推廣到了更廣泛的實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)機(jī)構(gòu)。例如，其ZML系列無掩模光刻機(jī)，便體現(xiàn)了該技術(shù)在工程應(yīng)用中的諸多考量。其采用高功率、高均勻度的LED作為曝光光源，結(jié)合DMD技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級(jí)別的分辨率。同時(shí)集成的CCD相機(jī)和自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”的引導(dǎo)式曝光與精準(zhǔn)套刻，大大降低了操作難度。對(duì)于工程師而言，這意味著可以更專注于器件設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)，而非耗費(fèi)大量精力在傳統(tǒng)光刻繁瑣的掩模對(duì)準(zhǔn)等步驟上。

圖 澤攸科技DMD無掩膜光刻機(jī)部分應(yīng)用案例

在實(shí)際應(yīng)用中，澤攸科技的設(shè)備已被用于二維材料器件的電極制備、微流控芯片的快速成型、以及與電子束光刻（EBL）的混合套刻等前沿研究中，充分展現(xiàn)了其在快速原型制造和多功能集成方面的潛力。

在限制與自由之間做出選擇

光刻技術(shù)的發(fā)展史，就是一部不斷挑戰(zhàn)物理極限，并通過工程創(chuàng)新拓展應(yīng)用邊界的壯麗史詩。從瑞利判據(jù)所揭示的理論限制，到浸沒式光刻、PSM、OPC等一系列精妙的工程解決方案，再到DMD無掩模光刻所帶來的全新設(shè)計(jì)自由度，我們看到的是一條從“遵循物理”到“駕馭物理”的清晰脈絡(luò)。

圖 無掩模光刻技術(shù)展示了同時(shí)對(duì)重新分布層（左）和過孔層（右）進(jìn)行圖形化的能力

對(duì)于追求極致線寬、進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)的半導(dǎo)體前道制造而言，以EUV為代表的、配合復(fù)雜RETs的傳統(tǒng)掩模光刻仍是不可替代的主流。然而，在更廣闊的科研、教育、先進(jìn)封裝、MEMS、生物芯片等領(lǐng)域，對(duì)研發(fā)效率、成本控制和設(shè)計(jì)靈活性的要求，往往超越了對(duì)極限分辨率的單一追求。

在這些場(chǎng)景下，以澤攸科技DMD光刻機(jī)為代表的無掩模技術(shù)，通過將光刻過程從依賴昂貴物理模板的“重資產(chǎn)”模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橛绍浖x的“輕量化”數(shù)字流程，為工程師和科研人員提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)且功能強(qiáng)大的新工具。它讓微納加工不再是少數(shù)尖端實(shí)驗(yàn)室的專利，而是成為更多創(chuàng)新思想得以快速驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)。最終技術(shù)的選擇并非簡(jiǎn)單的優(yōu)劣之分，而是在深刻理解其物理邊界和工程特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體應(yīng)用需求所做出的最明智的權(quán)衡。

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