光刻是指光源发出的光通过掩膜板和透镜系统照射到光刻胶的特定部分并使之曝光，以实现图形的复制和转移。波长越小，得到的图形分辨率越高。曝光光源一个重要参数就是光的强度。光强定义为单位面积上的功率（mW/cm2），该光强应在光刻胶表面测量。光强也可以被定义为能量：单位面积上的光亮或亮度。曝光能量（剂量）＝曝光强度×曝光时间，单位为毫焦每平方厘米（mJ/cm2）。

电磁波谱：整个可见光和不可见的电磁波；可见光谱（白光是所有可见光谱波长的光组成）：390～780 nm；紫外光谱：4～450 nm。

紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率，现今最常用于光学光刻的两种紫外光源是汞灯与准分子激光。除了这些通常使用的光源外，其他用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光的源有X射线、电子束和离子束。

1.汞灯（Mercury Lamp）

原理：电流通过装有氙汞气体的管子时，会产生电弧放电。电弧发射出一个特征光谱，包括波长处于240～500 nm的紫外辐射光谱。

一般来说，特定波长的光源对应特定性能的光刻胶。在使用汞灯作光源时，需要利用一套滤波器去除不需要的波长和红外波长。所选择的波长应与硅片上的关键尺寸相匹配。高压汞灯一般用于Ⅰ线（365 nm）步进光刻机上。I line（Ⅰ线）用于关键尺寸大于0.35 μm的图形。

2.准分子激光（Excimer Laser）

20世纪80年代，激光光源就可以用于光学光刻，但是其可靠性和性能影响其在硅片生产上的实施直至90年代中期。其优点是可以提供较大的深紫外光强。迄今唯一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。

原理：准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，如氟化氩（ArF），这些分子只存在于准稳定激发态。当不稳定的准分子分解成两个组成原子时，激发态发生衰减，同时发射出激光。激光器通过两个平板电极的高压（10～20 kV）脉冲放电来激发高压惰性气体和卤素的混合物，使之维持着激发态的分子多于基态分子，实现连续发射激光。第一步激发：Kr*＋F2→KrF*＋F；第二步衰减：KrF*→Kr＋F＋DUV。

常见的准分子激光光源为248 nm的KrF（用于关键尺寸大于0.13 μm的图形）和193 nm的ArF（用于关键尺寸大于0.08 μm的图形）。

3.常见曝光波长

光刻机光源波长为350～450 nm。常见光源（曝光波长）分为：(www.daowen.com)

（1）汞灯可见光：g线（g-Line 453 nm）、h线（h-Line405 nm）、i线（i-Line 365 nm）。汞灯光谱如图5.22所示。

（2）紫外光（UV），i线：365 nm。

（3）深紫外光DUV，KrF 准分子激光248 nm，ArF准分子激光193 nm，F2（157 nm）。

（4）极紫外光源：EUV（10～13 nm）。

对光源系统的要求：

（1）有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；波长越短，就表示光刻的刀锋越锋利，蚀刻对于精度控制要求越高。

（2）有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短。

（3）曝光能量必须均匀地分布在曝光区。一般采用光的均匀度或者不均匀度、光的平行度等概念来衡量光是否均匀分布。常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g线（436 nm）或i线（365 nm）。对于波长更短的深紫外光光源，可以使用准分子激光。例如，KrF准分子激光（248 nm），ArF准分子激光（193 nm）和F2准分子激光（157 nm）等。

图5.22　汞灯光谱

曝光系统的功能主要有平滑衍射效应、实现均匀照明、滤光和冷光处理、实现强光照明和光强调节等。