摘要
光刻技术作为微纳加工的核心工艺，被广泛应用于集成电路、微机电系统（MEMS）、新型显示及微纳光学元件的制造。如下图1所示，光刻技术通过光学成像与光刻胶的光化学反应，将掩模版上的微纳级图形精密地转移到晶圆表面。
图1 光刻工艺示意图[1]
尤其在微纳光学领域，光刻技术不仅是制造微纳光学元件的基石，更催生了超表面、微透镜阵列等革新性的光学设计理念；在XR（Extended Reality 扩展现实）技术领域，光刻技术是推动行业产品发展的关键技术之一，它直接决定了XR设备中核心元件的精度与性能。本文将从其加工原理、应用潜力等方面展开论述。
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加工原理及流程
如下图2所示，光刻工艺的主要流程分为匀胶、前烘、曝光、后烘、显影等步骤。显影后的光刻胶图形可作为阻挡层，在随后的刻蚀工艺中将图形进一步转移至待加工的衬底膜层上。
图2 光刻工艺的主要流程
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匀胶（Coating）：通常使用旋转涂膜的方式，将光刻胶均匀地涂布在基底表面，并保证其厚度均匀。在匀胶后，通常还会进行去边（Edge Bead Removal, EBR）工艺，去除晶圆边缘积聚的光刻胶，防止其在后续工艺中造成污染； |
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前烘（Prebake）：这一步的主要目的是蒸发光刻胶中的溶剂，增强光刻胶与衬底之间的粘附性，减少旋涂时光刻胶膜层内的应力。烘烤可选的热源设备包括烘箱、加热板等； |
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曝光（Exposure）：通过曝光步骤将掩膜上的图形转移到光刻胶上。在这个过程中，光经过掩膜，形成掩膜图形的投影。光刻胶通常是一种对紫外光敏感的高分子材料，在曝光后发生的光化学反应使光刻胶的溶解度发生改变，从而在后续的显影工艺中能够选择性地去除特定区域的材料； |
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后烘（Post Exposure Bake）：曝光后对晶圆进行再一次烘烤。这一步的目的是进一步促进光刻胶中的化学反应，提高后续显影效果。后烘过程中，化学物质的扩散对改善图形边缘粗糙度也有一定的帮助。对于一些工艺精度要求比较低的光刻工艺，后烘步骤有时可以省略； |
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显影（Development）：通过显影液对光刻胶进行处理，使得曝光/未曝光区域的光刻胶被溶解掉，形成精细的图形结构。在显影后通常会进行一系列的测量和检查，以确保关键尺寸、缺陷密度、多层之间的套刻等指标符合光学元件的要求。 |
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发展历程
光刻技术的发展可追溯至20世纪60年代，随着集成电路的发明，光刻技术被逐步应用于集成电路的制造过程中。为了满足不断提高的分辨率与生产良率等技术要求，光刻技术持续演进，先后经历了接触式、接近式和投影式等关键发展阶段，如下图3所示。
图3 光刻工艺关键发展阶段
1、接触式光刻
早期的光刻工艺采用接触式光刻技术，其特点是掩膜版与晶圆表面的光刻胶直接接触。这种方式能够实现较高的分辨率，可达亚微米级别，但由于掩膜版与晶圆在接触过程中容易发生摩擦，导致掩膜版磨损、产生划痕和颗粒污染，从而影响生产良率和掩膜版寿命。因此，接触式光刻逐渐被接近式光刻和投影式光刻所取代。
图4 早期的接触式光刻机专利，Kulicke & Soffa制造公司，1965年。[3] K&S的接触式光刻机在1960年代拥有近100%的市场占有率[4]
2、接近式光刻
作为对接触式光刻的改进，接近式光刻在掩膜版与晶圆表面之间设置了数十微米的间隙，从而有效减少了因直接接触导致的划痕和颗粒污染问题。但受限于掩膜版与晶圆之间的间距以及近场衍射效应，使得该技术的分辨率通常只能达到3微米左右，难以实现进一步提升。
图5 早期的接近式光刻机，Canon PLA-300, 1974年。 [5] Canon PLA系列凭借其对掩模版和硅片间隔的精确控制占据了接近式光刻机的市场主导地位。[4]
3、投影式光刻
随着对生产良率和分辨率要求的不断提高，投影式光刻技术应运而生。该技术通过引入光学投影系统，将掩膜版与光刻胶基板完全分离，从根本上避免了因接触造成的污染问题。同时，投影式光刻利用远场衍射原理，相比接近式光刻的近场衍射，在分辨率方面具有更显著的优势，可实现1微米以下的图形转移。
在1970年代，Intel公司与Perkin-Elmer公司合作开发的Micralign投影式光刻机（图6），成功将生产良率从约15%大幅提升至70%，有力推动了整个硅谷的产业快速发展[5]。此后，步进重复式光刻（图7）和步进扫描式光刻（图8）等技术的相继出现，进一步提升了光刻工艺的分辨率和套刻精度，为大规模集成电路的制造奠定了坚实基础。
图6 早期的投影式光刻机，Perkin-Elmer Micralign系列光刻机和光路示意图，该系列光刻机为1：1投影，分辨率1.5~2um，1978年 [6,7]
图7 Nikon NSR-1505G步进式投影光刻机，该光刻机为5：1投影，分辨率1.2um，1981年。[8] Nikon的NSR步进式光刻机由于其在曝光场面积和分辨率上的优势，在1980年代取得了市场领先地位
图8 ASML首批双工件台步进扫描式投影光刻机AT:400, 分辨率0.28um，2001年。[8] ASML公司凭借其双工件台技术提高产能和随后发展的浸没式光刻技术提高分辨率成为了2002年之后的光刻机市场龙头
4、直写式光刻
此外，直写式光刻以其无掩膜、高灵活性的特点，在研发、小批量生产和特殊器件制造中扮演着不可替代的角色，是集成电路和微纳加工技术领域的重要补充。
图9 纳米级直写式光刻机（图源网络）
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技术应用
微纳光学是一门研究亚波长尺度下光学元件与材料的设计与应用的学科，其主要目标是通过对光传播行为的精确调控，实现特定的光学功能。微纳光学元件往往具备尺寸微小、结构复杂的特点，因此对制造工艺的精度要求极高，而光刻技术在其中扮演了不可替代的角色，下面将简要介绍几类典型的微纳光学元件及其应用。
1、超透镜（Metalens）
超透镜是一种基于超表面的平面透镜，利用二维结构实现对光线的聚焦功能。超表面由亚波长尺寸的纳米天线阵列构成，能够以超常规的方式灵活调控光的行为。通过设计超表面的几何结构，可对光的相位、振幅及偏振等参数进行精准操控。
超透镜技术为光学系统提供了轻量化、小型化的全新设计路径。其平坦的元件形态有效避免了传统曲面透镜常见的像差和图像畸变问题。得益于光刻技术对纳米结构的高精度加工能力，超透镜已在成像、传感等多个领域展现出重要的应用潜力。
图10 电镜照片（奥来样品）
2、微透镜阵列（MicroLens Array, MLA）
微透镜阵列是一种由高密度微透镜单元构成的光学元件，广泛应用于成像、传感等多个领域。其光学性能主要由微透镜的焦距、口径及排列方式决定。借助光刻技术，能够在基底上高效制备结构复杂、排列精密的微透镜阵列，并具备优良的工艺一致性和重复性。该技术还可实现对单个微透镜单元的精细调控，从而优化整个阵列的光学性能。
图11 电镜照片（奥来样品）
3、衍射光学元件 (DOE)
衍射光学元件是一种基于光的衍射效应实现对光传播与分布进行调控的光学元件，广泛应用于光束整形、成像及传感等多个领域。利用光刻技术，能够高精度地制备具有复杂衍射图案的微纳结构，实现多阶或多级衍射级的生成，从而有效提升元件的光学性能。
图12 电镜照片（奥来样品）
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总结与展望
光刻技术作为现代微纳制造的核心工艺，凭借其高精度、可控性和工艺灵活性，极大地推动了微纳光学领域的进步。该技术能够实现复杂微纳结构的精确制备，为各类光学元件的制造提供了以往难以实现的解决方案，不断将理论概念转化为现实元件。
在XR领域中，苹果Vision Pro搭载的Micro-OLED显示屏幕正是应用了半导体光刻技术，才助力其实现了高达3386PPI的极致像素密度，实现了较为细腻的画面体验。此外，AR眼镜中的衍射光波导元件也是采用半导体光刻机实现了量产，高精度的光刻技术有助于光波导达到超薄、高透的特点，使AR眼镜具有极佳的增强现实感和佩戴舒适性。例如，Meta首款AR眼镜原型产品——Orion 采用的就是基于碳化硅的衍射光波导。
光刻技术推动着产业界的产品升级，学术界的研究也同样如火如荼，其中浙江大学研发的一种新型光刻技术——双光束超分辨率3D激光直写技术，有望突破光学衍射极限的束缚，助力XR产品的光波导器件制造。简而言之，从让你看清虚拟世界的屏幕，到引导光线入眼的光学系统，XR体验的每一次清晰与沉浸，背后都有光刻技术的迭代升级和有力支撑。
随着微纳光学制造的持续发展，光刻技术也在不断突破分辨率与集成度方面的限制。未来，光刻技术将进一步与新材料、新工艺（如纳米压印、3D打印等）深度融合，持续拓展微纳光学的应用边界。可以预见，随着光刻技术的迭代升级，微纳光学元件将在功能和性能上实现更大跨越，并进一步促进光学、电子与信息技术等领域的融合与创新。
参考文献
[1]http://www.360doc.com/content/23/0418/17/1077137709_1077137709.shtml
[2] A.O. Adeyeye and N. Singh,“Large area patterned magnetic nanostructures”, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 153001 (2008)
[3] James A. Evans et al, US Patent 3220331, “Contact printing mask alignment apparatus for semiconductor wafer geometry”
[4]http://lithoguru.com/scientist/litho_history/Kato_Litho_History.pdf
[5] 日本半导体历史博物馆，https://www.shmj.or.jp/english/pdf/process/exhibi420E.pdf
[6] https://www.chiphistory.org/154-perkin-elmer-micralign-projection-mask-alignment-system
[7] https://www.chiphistory.org/landmarks/micralign-projection-mask-alignment-systems-1970
[8] https://www.chiphistory.org/301-nikon-nsr-series-steppers
[9] https://www.asml.com/en/news/stories/2021/twinscan-20-years-innovation
来源：S-Dream Lab
