前言

光刻已经广泛应用于微电子芯片和微纳结构光电子器件(如集成光学与衍射光学器件)的制造。随着技术的发展，人们对光刻也提出了更高的要求，如更小的特征尺寸、更大的光刻面积、更高的光刻速度、更简化的工艺流程，以及满足更加个性化的需求。在光刻的发展历程中，研究人员提出了各种各样的光刻方法，大致可以分为以下几类： ①高能束(如电子束、软X射线、聚焦粒子束)光刻，优点是能实现高分辨率的图形结构，缺点是设备昂贵，需真空操作，光刻速度慢和光刻面积小； ②探针(如热探针、近场探针、扫描隧道探针)光刻，优点是可在大气环境中操作，可得到任意高分辨率的图形结构，缺点是光刻速度极慢，难以大面积光刻； ③模板(如掩模曝光、纳米压印、模板自组装等)光刻是一种低成本、高效率的微纳结构刻写加工方法，但昂贵的纳米结构模板使得其难以在个性化、小批量的微纳结构器件中得到应用。

激光直写也是应用非常广泛的一种光刻方法，其基本过程是激光束斑作用于有机光刻胶薄膜上，有机光刻胶薄膜吸收光子能量后发生光化学反应(即曝光)，然后进一步显影刻蚀得到图形结构。激光直写由于能在大气环境中进行大面积任意图形结构的快速加工等特点，使得其在微电子光刻掩模板、集成光学和衍射光学器件的制造中得到了较为广泛的应用。传统的激光光刻曝光过程是一种光化学反应，是激光光敏模式的光刻，称为激光光敏(photonmode)光刻，即激光束作用于光刻胶薄膜(光刻胶薄膜一般为有机材料)，光刻胶薄膜吸收光子能量后直接导致化学键等结构变化，完成曝光。曝光后再进行一系列的后烘和湿刻等过程，将图形转移到所需要的硅片或其他基片上，完成整个光刻过程。

尽管光敏光刻已被广泛应用，然而仍具有如下一些不足。

(1) 光刻特征尺寸受制于光学衍射极限，难以获得分辨率低于光学衍射极限的光刻图形。

(2) 难以进行跨尺度光刻。对于一台光刻机，由于激光波长和透镜的数值孔径已经固化，因此特征线宽也随之固定，难以进行跨尺度(光刻特征尺寸任意可调)光刻。

(3) 光刻工艺流程复杂。由于采用有机光刻胶，其含有光酸剂等物质，导致光刻前要进行预烘处理，光刻后要进行后烘及图形固化处理等，整个光刻工艺流程复杂，难以满足特殊化和个性化需求。

(4) 光刻分辨率受制于分子结构尺寸，导致光刻图形的分辨率和边缘粗糙度难以达到亚纳米甚至原子级。

(5) 光刻胶薄膜的选择性和单一性。光敏光刻采用有机材料作为光刻胶，有机薄膜对光波的吸收具有波长选择性，导致光刻胶薄膜的单一性，即一种波长的光刻仪器需要研制合成相应的光刻胶。

(6) 难以实现宽波段光刻。光刻胶薄膜对光波的选择性吸收决定了一种光刻胶只能采用相对应波长的光刻机，不能实现一种光刻胶既能用于可见光光刻，又能用于深紫外/极紫外（DUV/EUV）光刻。

(7) 图形结构高度由仪器的景深决定。对于短波长光刻仪器，难以达到高度大于100 nm的图形。

激光热敏(heatmode)光刻从物理本质上就不同于光敏光刻，是一种光致热物理反应(包括光致热相变、热非线性、热扩散等)，尽管它们都采用激光作为能量源(热敏光刻也可以采用电子束或焦耳热等来提供能量源)。激光热敏光刻的基本原理： 激光束斑作用于热敏光刻胶薄膜，热敏光刻胶吸收光子，光子不会直接破坏热敏光刻胶的价键和晶体结构，而是将吸收的光子能量进一步转化成晶格振动，导致热敏光刻胶的温度升高，温度升至某种阈值(如结构相变和晶化)后，热敏光刻胶的价键结构或晶体结构才会发生变化，从而实现曝光。曝光后再利用其选择刻蚀特性进行湿刻，从而完成整个光刻流程。

激光热敏光刻具有以下特点。

(1) 宽波段光刻。热敏光刻的光刻胶一般采用无机非金属薄膜材料，这类材料的吸收光谱一般覆盖从近红外到极紫外的整个光刻曝光波段，可以称为宽波段光刻胶，满足宽波段光刻要求。

(2) 突破衍射极限的光刻。光刻特征尺寸不再受制于光学衍射极限，而是取决于热致结构变化区域的尺寸，而该区域的尺寸不仅受到光斑约束，而且会进一步受到热致相变阈值、热致非线性以及热扩散等多重约束。

(3) 跨尺度光刻。光刻中激光光斑的强度一般呈高斯分布，光斑中心的温度高，向四周扩散并逐渐降低，通过调控热扩散通道和曝光策略，能实现跨尺度光刻。

(4) 亚纳米甚至原子级的图形分辨率。热敏光刻胶一般是无机非金属薄膜，其基本的组成单元是原子，这也决定了热敏光刻的图形结构分辨率和边缘粗糙度能达到亚纳米甚至原子级。

(5) 光刻工艺流程大为简化。热敏光刻胶采用无机非金属薄膜材料，没有交联剂和光酸剂等中间物质，光刻无需固化、预烘和后烘等处理，光刻过程也不会产生气泡等副产物，光刻流程只有涂胶、曝光、湿刻、清洗，因此光刻工艺大为简化。