|
|
光刻机的核心测量手段，你了解多少？
津镭光电
2022-07-06 10:00上海
关注
文章转载自 公众号《光电汇OESHOW》
杨宏兴1,2，付海金1,2，胡鹏程1,2*，杨睿韬1,2，邢旭1,2，于亮1,2，常笛1,2，谭久彬1,2
1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所
2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室
激光干涉位移测量（DMLI）技术是几何量精密测量最高水准的典型代表，精度达到亚纳米甚至皮米量级，在大科学工程如引力波探测、系外生命探测、先进重力场测量等重大科学领域，以及在超精密加工如晶圆光刻机、精密数控机床等基础工业领域都有广泛应用。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。在该领域，以美国Keysight公司（原Agilent公司）和Zygo公司为代表的国际顶级激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破，已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。
而在国内，哈尔滨工业大学针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求，在高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方面也取得了持续突破，研制出系列超精密高速激光干涉仪，可实现亚纳米级甚至深亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国350 nm至28 nm多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心测量手段，而且还可为我国7 nm及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。
对DMLI技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。
1
超精密高速测量的关键技术
作为激光外差干涉测量系统的核心，稳频激光器干涉光的频率相对准确度/稳定度、双频频差分别决定了干涉测量系统所能达到的极限测量精度和极限测量速度。因此，激光干涉仪的光源要解决高精度激光稳频与大频差分裂两个问题。
高精度激光稳频技术
1）基于稳频点偏移修正的高精度激光稳频
双纵模光功率平衡和纵向塞曼激光器左右旋圆偏振光功率平衡稳频方法的稳频结构简单，是现今应用最多、最有效的激光稳频方法。但其光功率平衡稳频工作点易受到光功率探测器温度漂移、偏振分光镜分光不均等因素的影响，其激光频率难以达到108量级的理论值。
哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所激光干涉团队（以下简称哈工大超精密激光团队）针对上述问题提出基于稳频控制点偏移量修正的激光频率漂移抑制方法，显著减小激光频率漂移，从（5~10）×108 提高至（1~2）×108。基于该方法的激光器经过中国计量科学研究院校准，其真空波长（频率）相对不确定度达到1.2×108（k=3）。
2）基于弱耦合水冷和稳频点修正的高精度激光稳频
上述光功率平衡稳频法在稳频过程中，激光管容易受到内部热应力及外部环境的热扰动影响，导致较大的短期频率噪声。为此，哈工大超精密激光团队提出基于弱耦合水冷和稳频点修正的高精度激光稳频方法，提高了激光器的频率稳定性和准确性，抑制激光管温度场不均和热应力扰动引入的短期频率噪声。与碘频标稳频激光器的长期拍频测试结果表明，该方法将激光频率的相对不确定度由 1. 2×108（k=3）提高至 3. 7×109（k=3）。
3）基于碘频标偏频锁定和弱耦合水冷的超高精度激光稳频
光功率平衡方法的稳频参考基准为激光管增益曲线的中心频率，即当频率呈稳定时，两束激光的光功率关于增益曲线的中心频率呈对称分布。在多年的研究过程中，哈工大超精密激光团队发现此稳频参考基准易受激光管老化等内外因素影响，导致其存在较大的长期频率漂移，以及稳频激光器的长期频率相对准确度/稳定度难以突破109量级。为此，他们提出一种基于碘频标偏频锁定的超高精度激光稳频方法，由碘分子光频标提供参考频率，通过腔长热调节使被稳频激光的频率锁定在参考频率的固定偏差处，结合弱耦合水冷稳频技术将热稳频激光器的频率相对准确度从3.7×109（k=3）提高到9.6×1010（k=3）。
双频激光生成技术
由于双频激光干涉仪的最大测量速度与双频激光的频差成正比，但考虑到高频信号的处理难度与实际测量速度需求，双频激光的频差一般要求在1~20 MHz之间，目前双频激光生成技术主要有纵向塞曼分裂、声光移频与双激光器互锁技术。
1）基于纵向塞曼效应的双频激光生成
纵向塞曼效应的原理是在He-Ne放电管轴线方向施加适当磁场，由于色散和频率牵引作用激光管输出左、右旋圆偏振光，两圆偏振光间具有一定的频差，所产生的频差大小、频率稳定性受磁场强度大小、均匀性等影响较大，因此哈工大超精密激光团队建立了空心圆柱永磁体磁场分布数学模型，优化设计了永磁体结构参数，塞曼频差达到3.6 MHz，其频差稳定度优于5 kHz ，结合稳频点偏移修正稳频方法，研制了系列塞曼稳频激光器（图1）。
图1 塞曼稳频激光器
2）基于双声光调制的双频激光生成
随着微电子装备制造业的快速发展对双频激光干涉仪提出了m/s级以上的测量速度，而纵向塞曼的频差受原理限制在4 MHz左右难以突破，哈工大超精密激光团队研制了一种基于双声光调制的双频激光生成技术，其频差从零到几十兆赫兹连续可调节，能够适应不同测量速度场合对激光频差的需求。该方法合成双频激光频差的基准为高精度零温漂晶振，其频差稳定度可达±1 Hz。该课题组结合弱耦合水冷和稳频点修正的高精度稳频方法，研制了空间分离型高精度稳频激光器、一体化水冷稳频激光器及偏频锁定型稳频激光器，如图2所示。
图2 基于双声光调制的双频激光器实物图。（a）空间分离型；（b）一体化水冷型；（c）偏频锁定型
3）基于双激光器互锁的双频激光
基于双声光调制的双频激光产生技术，受到声光移频器衍射效率及合光装置合光效率的影响，输出光功率损失较大。哈工大超精密激光团队在德国联邦物理技术研究院（PTB）研究团队提出的双光源频差锁定式稳频方法的基础上，设计了双激光器互锁双频激光生成激光器，相比于双声光移频方法，输出光功率提高了1倍以上，其频差稳定性随着频差值的提高而降低，满足纳米精度干涉测量下对频差锁定稳定度的指标需求。
高精度干涉镜组的设计与研制
高精度干涉镜组的3个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，哈工大超精密激光团队围绕这3个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。
1）共光路多轴干涉镜组
共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该课题组研制的5轴干涉镜组（图3）可实现热稳定性小于10 nm/K 、光学非线性误差小于1 nm以及任意两束光的平行性小于8″，与国际主流商品安捷伦Agilent、Zygo两束光的平行性5″~10″相当。
图3 自主研制的共光路多轴干涉镜
2）非共光路干涉镜组
非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上，通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线性误差。2014年，哈工大超精密激光团队提出了一种非共光路干涉镜组结构（图4），并进一步发现基于多阶多普勒虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于13 pm的非共光路干涉镜组，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于2 nm/K。同时，他们也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意两个光束之间的平行度均小于5″。
图4 自主设计的非共光路多轴干涉镜组
高速高分辨力干涉信号处理技术
1）基于时间差的干涉信号相位处理方法
双频激光干涉仪对位移的测量是通过相对相位测量来实现的。相对相位测量最常用的方法是时间差测量方法。哈工大超精密激光团队提出的基于锁相环倍频和数字延迟线的相位测量方法，提高了测量的相位/位移分辨力。基于该方法，他们开发了系列干涉信号处理卡，可有效测量分辨力最高达0. 31 nm@光学2细分或 0. 15 nm@光学4细分，最大测量速度可达2 m/s@光学2细分或 1 m/s @光学4细分，数据更新率可达10 MHz，单卡测量轴数最大为8轴。
2）基于动态正交锁相的高速高分辨相位测量方法
哈工大超精密激光团队提出的基于动态正交锁相的高速高分辨相位测量方法，将时间差测相问题转化为正交信号振幅测相问题，从测量模型上实现了测量速度与位移分辨力的分离，解决了原有方法测量模型中高速和高分辨力相互制约的难题。基于该方法，他们开发了系列高速动态信号处理卡，最大有效电子细分数可达4096，最小分辨力为0.077 nm@光学2细分或0.038 nm@光学4细分，最大测量速度可达5.37 m/s@光学2细分或2.68 m/s @光学4细分，最大数据更新率为10 MHz，单卡测量轴数最大为4轴。同时，该类型干涉信号处理卡还板载了高速高精度光电转换模块，在系统构架和使用上更为便捷。
2
仪器集成与典型应用
基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术，哈工大超精密激光团队研制了系列超精密高速激光干涉仪（图5），已成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司（SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。
图5 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪
超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量，不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水平，如复杂系统中的多轴同步测量、亚纳米乃至皮米量级新误差源的发现与处理、高水平的温控与隔振环境等。下面来看看超精密激光干涉仪的几个典型应用。
国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪
在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。
为此哈工大超精密激光团队成功研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。该设备已成功应用于我国350 nm至28 nm多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。
国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪
在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊Nature评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到1 nm以内。哈工大超精密激光团队研制出的国内首套亚纳米激光干涉仪，已成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图6），在量子化质量基准中国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一。
图6 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪
3
未来研究重点
哈工大超精密激光团队在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下3个方面：
1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6自由度复杂耦合、高速运动条件下实现0.1 nm及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气-真空适应性设计的复杂性大幅度增加。
2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年，国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021至2023年）。该项目由哈工大超精密激光团队与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接比对。
3）空间引力波探测。继2017年美国LIGO地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，哈工大超精密激光团队在引力波国家重点研发计划项目的支持下，将陆续开展卫星-卫星之间和卫星-平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。
哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所激光干涉团队介绍
哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所激光干涉团队在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过20年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，成立了哈尔滨工业大学激光测量青年科学家工作室，并且在研究过程中得到了12项国家自然科学基金、2项国家科技重大专项、2项国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。
本文改写自发表在《激光与光电子学进展》上“超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器”一文
|
|
发表于 2022-7-13 13:27:55
楼主
发表于 2022-7-17 14:45:35
