《光刻机像质检测技术》（上、下册）将于近期出版

内容简介

光刻机像质检测技术是支撑光刻机整机与分系统满足光刻机分辨率、套刻精度等性能指标要求的关键技术。本书系统介绍光刻机像质检测技术。介绍了国际主流的光刻机像质检测技术，详细介绍了本团队提出的系列新技术。涵盖了光刻胶曝光法、空间像测量法、干涉测量法等检测技术类型。包括初级像质参数、波像差、偏振像差、动态像差、热像差等像质检测技术。本书介绍了这些技术的理论基础、原理、模型、算法、仿真与实验验证等内容。以光刻机原位与在线像质检测技术为主，也介绍了投影物镜的离线像质检测技术。涵盖了深紫外干式、浸液式光刻机以及极紫外光刻机像质检测技术。

本书可为从事光刻机研究与应用的科研与工程技术人员提供参考。可作为高等院校、科研院所相关领域的科研人员、教师、研究生与本科生的参考书。同时，可为现代光学精密检测、光学成像等领域的科技人员、研究生和高等院校的本科生提供参考。

作者说

1958年，世界上第一块集成电路诞生。60多年来集成电路一直按照摩尔定律快速发展，集成度越来越高，单个芯片上的晶体管数量已经由最初的数十个发展到现在的数十亿个。伴随着集成电路的发展，其应用领域不断扩大。从身份证、手机到可穿戴设备，从计算机到移动通信，从汽车电子到高铁、飞机，集成电路的应用已经渗透到国民经济的各个领域以及人们生活的方方面面。随着5G、物联网、人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术的快速发展，其重要性日益凸显。

光刻机是集成电路制造的核心装备，其技术水平决定了集成电路的集成度，关乎摩尔定律的生命力。光刻机的分辨率、套刻精度等性能指标决定了集成电路的集成度，而光刻机的产率直接影响集成电路的制造成本，是集成电路实现量产的关键因素。为支撑集成电路按照摩尔定律不断向更高集成度发展，光刻机技术持续进步，分辨率、套刻精度与产率等性能指标持续提升。

为实现更高的分辨率，光刻机曝光波长持续缩短，由可见光到紫外、深紫外，再到极紫外。投影物镜数值孔径持续增大，曝光波长为193nm的深紫外光刻机的数值孔径从0.6增大到0.75、0.93，浸液技术的引入使得数值孔径最大达到1.35。采用光源掩模联合优化等分辨率增强技术，193nm浸液光刻机的分辨率达到了38nm。38nm分辨率已经逼近其理论极限值35.7nm，很难再进一步提升。为了实现集成电路的更高集成度，光刻机的套刻精度和产率持续提升，分别达到了1.4nm和275wph（硅片数/小时），结合多重图形技术，38nm分辨率的浸液光刻机已经应用于14nm、10nm乃至7nm技术节点集成电路的量产。曝光波长13.5nm、数值孔径0.33的极紫外光刻机分辨率达到了13nm，已经应用于7nm技术节点集成电路的制造。随着数值孔径的增大，极紫外光刻机的分辨率将进一步提升。

光刻机在集成电路制造中的作用是将掩模图形高质量的转移到硅片面。图形转移是通过投影物镜以成像的方式实现的，成像质量决定了光刻机的分辨率，直接影响套刻精度。随着集成电路按照摩尔定律持续向更高集成度发展，光刻机的分辨率、套刻精度等性能指标持续提升，对光刻机成像质量的要求越来越高。满足光刻机成像质量要求的投影物镜被誉为成像光学的最高境界，其波像差要在大视场、高数值孔径、短波长条件下控制到亚纳米量级，接近零像差。而且这个零像差是在光刻机曝光过程中，投影物镜持续受热的情况下实现的。光刻机成像以掩模台与工件台动态同步扫描的方式实现。二者的同步运动误差会产生动态像差，降低成像质量。为实现高成像质量，工件台与掩模台在高速运动过程中的同步运动误差需要控制到几纳米（相当于人类头发丝直径的几万分之一），被誉为超精密机械技术的最高峰。为确保成像质量，光刻机在高速扫描曝光过程中，硅片面需要始终保持在投影物镜~100nm的焦深范围之内，需要对硅片面的轴向位置进行高精度控制。

光刻机的成像质量是整机的成像质量，与光刻机的多个分系统密切相关。影响成像质量的像质参数不仅有投影物镜的波像差、投影物镜持续受热导致的热像差，工件台/掩模台同步运动误差导致的动态像差，还有像面平移、像面旋转、像面倾斜、最佳焦面偏移等初级像质参数以及投影物镜的畸变、偏振像差等。

为了实现高的成像质量，满足分辨率、套刻精度等光刻机性能指标要求，需要进行高精度的成像质量控制（像质控制）。像质控制是通过控制具体的像质参数实现的。实现高精度的像质控制，不仅需要控制初级像质参数，投影物镜的畸变、波像差、偏振像差，还需要控制热像差、动态像差等像质参数。光刻机分辨率、套刻精度等性能指标的不断提升，对光刻机成像质量的要求越来越高，需要控制的像质参数越来越多，控制精度要求越来越高。随着像质控制水平的提高，光刻机成像质量不断提升，使得性能指标得以不断提升，支撑着集成电路按照摩尔定律不断向更高集成度发展。

像质检测是像质控制的前提。为了实现各种像质参数的控制，光刻机需要初级像质参数、波像差、偏振像差、热像差、动态像差等不同类型像质参数检测技术。同样的像质参数在离线、原位、在线等不同场合需要不同的检测技术。以波像差检测为例，投影物镜制造过程中需要离线检测技术，光刻机集成测校与周期性维修维护时需要原位检测技术，而光刻机曝光过程中还需要在线检测技术。为满足不同类型像质参数在不同场合的检测需求，光刻机需要光刻胶曝光法、空间像测量法、干涉测量法等多种类型像质检测技术。这些技术构成了一个完整的光刻机像质检测技术体系。

这个像质检测技术体系支撑着像质控制的实现，使得光刻机的成像质量能够满足分辨率、套刻精度等性能指标的要求。随着集成电路不断向更小技术节点发展，光刻机性能指标持续提升，对成像质量提出了更高的要求，要求像质控制水平不断提升。不仅要求像质参数控制的精度、速度随之提升，而且要求控制的像质参数越来越多。在技术节点达到250nm以前，只需要控制初级像质参数，技术节点达到130nm时需要控制球差、彗差等波像差。技术节点延伸至90nm时，需要控制更高阶的Zernike像差。65nm及以下技术节点，需要对Z5到Z37甚至到Z64的波像差以及偏振像差进行精确控制。像质控制水平的不断提升对像质检测提出了更高的要求，要求检测精度更高、速度更快、可测的像质参数更多。为满足不断提升的像质检测要求，新的像质检测技术不断出现，光刻机像质检测技术体系的内涵不断丰富，检测技术水平不断取得突破。这个不断发展的像质检测技术体系支撑着高精度像质控制的实现，使得成像质量满足了不断提升的分辨率、套刻精度等光刻机性能指标要求，促进了光刻机整机与分系统技术的进步。

本研究团队多年来面向光刻机成像质量不断提升的需求，在国际主流的光刻机像质检测技术基础上，以提升检测精度与速度、扩展可测像质参数为目标，提出了一系列新的像质检测技术。这些技术中，一部分是现有检测手段的改进性技术，一部分是以现有技术为背景技术的新原理检测技术，一部分是本团队提出的全新的检测技术。这些检测技术丰富了光刻机像质检测技术体系，成为这个体系的重要组成部分。

本书系统介绍光刻机像质检测技术。介绍了国际主流的光刻机像质检测技术，详细介绍了本团队提出的系列新技术。涵盖了光刻胶曝光法、空间像测量法、干涉测量法等检测技术类型。包括初级像质参数、波像差、偏振像差、动态像差、热像差等像质检测技术。本书介绍了这些技术的理论基础、原理、模型、算法、仿真与实验验证等内容。以光刻机原位与在线像质检测技术为主，也介绍了投影物镜的离线像质检测技术。涵盖了深紫外干式、浸液式光刻机以及极紫外光刻机像质检测技术。

本书是光刻机像质检测技术的系统性论著。希望读者通过本书能够了解像质控制与光刻机性能指标提升、像质控制水平与光刻机整机与分系统技术进步的关系，了解光刻机的像质检测技术体系及其对像质控制的重要作用。能够在理论基础、检测原理、关键技术等方面深入理解体系中的系列像质检测技术，对光刻机像质检测技术的基础研究、应用技术研究以及工程技术研发有所帮助。作为超精密光学检测技术，光刻机像质检测技术可应用于离线、原位、在线等多种场合，检测的参数丰富、技术类型多，具有超高的检测精度，对天文观测、机器视觉、生物医学成像等光学成像以及光学精密检测等领域具有重要的借鉴意义，作者希望本书能够为相关领域的发展有所助益。

作者

2020年8月8日

于中国科学院上海光学精密机械研究所

作者简介

王向朝

中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（02专项）总体专家组专家。获国际与国内授权发明专利160余项，在国际与国内光学与光刻领域主流期刊发表学术论文360余篇，出版学术著作3部。培养博士研究生60余名（含我国高端光刻机整机技术领域第一批博士研究生）。

戴凤钊

中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。2008年本科毕业于西安电子科技大学，2013年获中国科学院大学博士学位。主要研究领域为高端光刻机技术。获授权国内外发明专利10余项，作为第一作者或通讯作者在国际光学领域主流期刊发表学术论文10篇，参与撰写学术著作3部。

《光刻机像质检测技术》（上、下册）将于近期出版，敬请期待哦！

本期编辑丨王芳