深紫外光学系统中的波前应如何测量？

从193 nm ArF投影物镜到405 nm无掩模曝光机，紫外和深紫外光学系统涵盖了多种波长、数值孔径范围、光源条件和成像架构。193 nm浸没式扫描仪、248 nm KrF设备、365 nm i-line步进机、375/405 nm无掩模曝光机以及266 nm检测或微纳加工装置，它们所面临的计量约束各不相同。

这就是为什么在紫外和深紫外系统中，波前表征不能简化为一成不变的测量方法。相关的测量方法不仅取决于工作波长、NA范围、光路和光源配置，还取决于需要表征的对象：光学元件本身、光源输出的光束，还是在实际工作条件下的完整光束加光学系统。

从衍射极限分辨率到工程问题

光刻系统是投影成像系统，其分辨率通常由瑞利公式概括：CD = k1 * λ / NA

其中CD是关键尺寸，λ是曝光波长，NA是投影光学系统的数值孔径，k1是工艺因子。在光刻中，k1反映了照明策略、掩模技术、光学邻近校正、光刻胶响应以及下游工艺优化的综合贡献。ASML指出，k1的物理极限约为0.25⁽¹⁾。

这一缩放关系表明，降低CD主要取决于三个杠杆：缩短曝光波长、增大投影镜头NA，以及通过照明优化、分辨率增强技术和计算光刻来降低有效k1。ASML还描述了如何利用离轴照明和瞳孔整形来改善成像性能，通过控制光与掩模图案的相互作用来实现。

然而，一旦工艺向更短波长、更高数值孔径和更低k1值方向发展，光学系统对残余误差的容忍度就会大大降低。残余波前像差、视场相关的波前误差、热诱导波前漂移和照明瞳孔不平衡都会改变晶圆平面上的空中像。其后果包括图像对比度降低、图像对数斜率下降、焦深压缩以及曝光剂量工艺窗口变窄。深紫外光刻研究已采用焦深、掩模误差增强因子和图像对数斜率等指标来量化这些影响⁽²⁾。

因此，波前质量是投影镜头性能、空中像保真度、CD控制和工艺窗口稳定性之间的纽带。对于高NA DUV成像系统而言，在工作波长下、跨越相关场点以及在实际热条件下进行高灵敏度波前测量，并非锦上添花，而是实现可重复成像的工程基础。

为什么选择波前，而不仅仅是MTF或CD?

基于MTF和CD的评估描述了系统响应或印刷结果。波前数据增加了一个诊断和过程控制层，使工程师能够在整个制造、组装和对准过程中监控光学系统，而不仅仅是测试最终结果。

通过将测得的波前分解为离焦、像散、彗差、球面像差和高阶项，工程师可以识别成像限制的来源，并利用这些信息指导修正步骤。

这种区分在紫外线和深紫外线系统中非常重要，因为相同的成像性能下降可能源于不同的物理原因：镜头对准、热漂移、视场相关像差、光源不稳定、镀膜特性或测试架构限制。波前计量有助于将可观察到的性能变化与可修正的光学根源联系起来。

紫外光(UV)和深紫外光(DUV)系统涵盖不同的波长和架构

193纳米ArF：浸没式与干式投影光学系统

在先进的前端制造中，193纳米ArF浸没式光刻长期以来一直用于要求苛刻的图形化步骤。ASML TWINSCAN NXT:2050i ⁽³⁾ 是一款代表性的高端浸没式ArF扫描仪，配备1.35 NA投影镜头，用于300毫米晶圆的大规模生产。这里的NA是指浸没介质中晶圆侧的有效数值孔径，而非空气中的等效NA。

即使极紫外光(EUV)已用于领先节点的选定关键层，193纳米浸没式光刻在许多互补图形化步骤中依然重要。在这样的生产环境中，必须将深紫外光(DUV)和EUV设备结合考虑，特别是在套刻和交叉匹配方面。ASML将TWINSCAN NXT:2100i(NXT:2050i的继任者)描述为包含针对DUV-EUV交叉匹配套刻改进的设备。

干式ArF系统仍是193 nm投影光学的重要工程参考。对于干式ArF光刻和高NA DUV光学模块，NA约为0.93代表了空气中具有代表性的高端实际条件。ASML TWINSCAN XT:1460K ⁽⁴⁾ 包含一个可变0.65-0.93 NA的193 nm投影镜头，这体现了该架构的光学要求。

在这些NA水平下，工程重点已超出标称分辨率。残余波前误差、视场相关像差、热诱导漂移和狭缝位置一致性均会影响空中像的稳定性。因此，高灵敏度波前表征对于投影镜头设计验证、目标对准、热行为分析以及工艺相关像差控制至关重要。

图1. DUV浸没式光刻系统的结构

248 nm KrF：用于成人和特殊工艺的投影光学系统

248 nm KrF 光刻技术对于成人节点和特殊工艺流程仍然至关重要。KrF 投影系统通常在干式配置下运行，其数值孔径(NA)范围从中等值到高 NA 系统不等。例如，尼康的 NSR-S220D⁽⁵⁾ 使用 248 nm KrF 准分子激光器、0.82 NA 投影镜头、1:4 缩小比以及 26 mm x 33 mm 的最大曝光场。

对于更苛刻的 KrF 应用，ASML 将 TWINSCAN XT:1060K 确定为其最先进的 KrF 系统。ASML 的公开资料将其描述为用于更关键 KrF 层的 0.93 NA KrF 系统。

增加 NA 可以提高分辨率，但也会使焦深(DOF)大约按 1/NA² 的比例减小。因此，在成人节点或非关键层应用中，最相关的光学权衡可能不是最高分辨率。相反，它可能是分辨率、焦深、套刻精度、场均匀性和工艺鲁棒性之间的平衡。

图2. i-line光刻机系统示例。图片来源：a13ean，维基共享资源，CC BY-SA 3.0。

365 nm i-line：比路线图所示更广泛的应用空间

365 nm i-line系统涵盖了多种架构和应用场景。高分辨率i-line光刻机，例如原作FPA-3030i5+ ⁽⁶⁾，其数值孔径(NA)可调范围为0.45至0.63，旨在实现365 nm波长下的亚微米光刻。[8] ASML的TWINSCAN XT:400L配备了可调0.65 NA的365 nm投影镜头，其生产分辨率可达350 nm，采用环形照明时可达280 nm，而结合环形照明与高分辨率选项时可达220 nm。

i线生态系统还包括用于MEMS、厚胶、封装相关基板和非平整晶圆的接触式、接近式和低NA投影系统。在这些情况下，计量重点通常从极限分辨率转向焦深、基板公差、焦平面稳定性、畸变控制、套刻行为和场均匀性。

对于此类系统，波前和系统级表征需要反映工艺目标。低NA厚胶工艺和高分辨率i线步进式曝光机虽然工作在相同的标称波长下，但并不需要相同的测试架构。

375 nm和405 nm：无掩模直写系统

在375 nm和405 nm波长下，无掩模直写系统通常采用数字图案写入，而非基于掩模的投影曝光。例如，海德堡仪器的MLA 150可配置375 nm和/或405 nm激光波长，并采用无掩模对准架构进行亚微米图案化。

这些系统用于MEMS、微光学、微流控、原型制作和封装相关开发等应用。其光学评估通常更接近系统级性能验证，而非传统的超高数值孔径投影镜头认证。对准精度、场均匀性、拼接行为、焦距稳定性和基底适应性可能比单纯的像差限制分辨率更为重要。

266 nm：检测、激光加工和特种深紫外光学

266 nm波段通常作为Nd:YAG激光器的四倍频产生，被用于多种深紫外(DUV)专业应用。在光掩模制造中，KLA将TeraScan描述为利用DUV图像采集技术进行掩模前后的图形检测以及进料质量控制。在激光加工领域，266 nm也用于精密微加工、薄膜处理、激光修复以及干涉或直写图形化。

这些应用需要灵活的计量配置。相关的测量可能针对单个组件、激光加工目标、反射或折射反射模块、光束调节光路或完整的检测子系统。

紫外/深紫外波前测量方法的四个维度

1. 波长匹配

在与设计波长不同的波长下进行测量可能会引入涂层响应差异、材料色散和折射率偏差。对于193 nm的光学系统，在633 nm下进行的测量可能无法代表相同的光路。测试波长越接近工作波长，波前数据就越能直接用于工程决策。

2. NA覆盖范围

在高NA下，瞳孔边缘可能携带与工艺相关的像差信息。如果测量配置无法采样整个瞳孔，或者在边缘处精度下降，可能会恰恰遗漏对图像对比度、景深和CD稳定性至关重要的区域。因此，动态范围、空间采样密度以及与强收敛或发散光束的兼容性是核心要求。

3. 光源条件

UV和DUV光源在测量链中并非中性元件。光谱线宽、脉冲间稳定性、光束质量和热载荷都会随时间影响测量的波前。在许多情况下，单次静态采集是不够的。重复测量、热漂移分析和动态监测能提供更具代表性的系统行为视图。

4. 测试架构与项目阶段

最合适的测量架构取决于项目的阶段。研发工作可能需要灵活性、样本对比和像差分解。组装和对准需要实时反馈、重复性和对调整的敏感性。系统级验证需要稳定性数据、多场点一致性以及能够与成像或工艺指标相关联的结果。

用于紫外和深紫外光学系统的Phasics测量平台

Phasics波前传感器基于四波侧向剪切干涉技术(QWLSI)，这是一种自参考技术，利用二维衍射光栅在探测器上生成入射波前的侧向剪切副本。记录的干涉图在单次采集中编码了整个孔径的波前梯度，无需单独的外部参考光束。这种架构支持紧凑且机械稳定的测量配置，这在紫外测试环境中具有重要价值。

对于紫外和深紫外应用，Phasics提供波前传感器、模块化平台(Kaleo Kit)以及定制集成解决方案，这些方案可根据待测系统的操作波长、数值孔径(NA)条件、光源配置和光学架构进行配置。

图 3. Phasics 紫外目标测量装置。上图：有限到有限系统。下图：无限到有限系统。

SID4-UV / SID4-UV HR

对于紫外光谱范围，SID4-UV / SID4-UV HR 波前传感器专为 190 nm 至 400 nm 的测量而设计。SID4-UV HR 产品页面指定了 512 x 512 个测量点和 2 nm RMS(在 266 nm 处为 λ /133 RMS)的紫外光谱灵敏度，使其适用于光学元件表征和紫外/深紫外波前计量测试台架。

典型应用场景包括紫外/深紫外光学元件表征、紫外光源质量控制、目标和模块测试，以及集成到专用计量台架中。

图 4.SID4-UV 波前传感器.

Kaleo Kit 模块化平台与定制集成

除了独立式波前传感器外，Phasics 还能提供模块化 UV/DUV 测试平台和预集成解决方案。根据项目需求，Kaleo Kit 配置可结合波前传感器、光源选择或光源集成、光束调控光学元件、参考组件以及分析软件。

对于尚未拥有合适DUV光源的客户，平台可在可行时配置集成光源。对于已拥有193 nm、248 nm、266 nm或其他UV/DUV光源的客户，Phasics可评估集成可行性，并设计与光源参数、接口约束和测量目标相匹配的计量架构。

当项目需要高NA DUV测量时，Kaleo Kit可配置适当的参考光学元件和光束调节模块。根据配置，它可支持TWE/RWE测量、Zernike像差分解、多场点比较和稳定性分析，测量配置最高可达约NA 0.95。

图5. Phasics 266 nm DUV Kaleo Kit 波前测量平台。

从光学规格到工程数据

紫外和深紫外光学计量中的核心问题不仅在于光学系统是否符合规格，更在于测量是否揭示了系统在实际运行条件下表现出当前行为的原因。

193 nm ArF投影物镜、248 nm KrF系统、365 nm i-line光刻机、375/405 nm无掩模曝光机以及266 nm检测或微纳加工装置，均属于广义的紫外光学计量领域，但其表征重点各不相同。因此，必须根据系统的波长、数值孔径范围、光源条件、测试架构及工程阶段，构建相应的波前测量方法。

通过结合波前图、泽尼克分解、TWE/RWE分析、多场点比较和稳定性监测，工程团队可以将光学性能转化为可用于设计验证、对准优化、热漂移分析和系统级认证的可操作数据。

讨论您的应用

如果您正在开发紫外或深紫外光学系统，从193 nm ArF到405 nm无掩模直写，Phasics可以帮助评估最适合您波长、NA范围和测试架构的波前测量方法。

审核编辑 黄宇