光刻机像质检测技术（上、下册）|周末读书

中国物理学会期刊网 2021-04-27

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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。本书系统地介绍了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，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、浸液光刻机以及极紫外光刻机像质检测技术。

本书适用于从事光刻机研究与应用的科研与工程技术人员，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。

曹健林先生为本书作序

王向朝研究员是国家科技重大专项《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》（以下简称02专项）的总体专家组成员，我们又都出身于中国科学院光学研究所，是多年的老同行，老战友。看到他和团队成员近20年研发工作总结的本书得以付梓，祝贺之余，也很高兴为这本凝结着多年辛苦与汗水的著作作序。

光波是人类获取信息的主要载体。在研究光的产生、传播、控制与应用的光学学科与技术发展体系中，光学检测一直占有重要地位。而在代表人类加工制造水平的精密、超精密光学（其实还不止是光学，也包括机械）发展进程中，检测的作用就更加重要。光学研究机构里经常有这样的争议，高精度是加工出来的还是检测出来的？在什么样的条件下达到什么样的检测精度和效率才能满足需求？......。毫无疑问，检测是实现精密、超精密的前提和保障。走进任何一个光学实验室，检测仪器经常是全部装备中最重要的组成部分，其精度和效率指标也是该实验室水平与能力的主要标志。

作为一个发展中国家，光学检测手段和装备的欠缺曾是我国光学相关技术、工程和产业能力落后于发达国家的重要原因，也严重制约了我国精密机械、精密仪器仪表等相关技术和产业的发展。记得本人上世纪80年代初在中科院长春光机所（中国装备最好的光学研究所之一）读研究生时，用于指导加工制造的光学检测能力也就是10纳米量级（可见光波长的十分之一左右），检测精度达到纳米量级的数字干涉仪还是难以企及的梦想。后来到国外去读博士，看到实验室里大量精度比国内高几个数量级的测量仪器可以任由学生们使用，其喜悦兴奋和激动至今历历在目。相信有同样经历的向朝同志也一定会有同样的记忆。

进入新世纪之后，我国光学检测的综合能力（包括研发和产业应用）普遍有了大幅度提高。一方面是中国经济水平提高和加大研发投入的结果，以数字干涉技术为主的手段和仪器迅速普及；另一方面，中国的制造业也在迅速升级换代，以精密、超精密加工制造为代表的先进制造对检测技术装备及其发展提出了强烈需求。其中最有代表性（也是最难啃的硬骨头），代表着当今世界人类超精密加工水平和能力的装备正是用于超大规模集成电路前道制造中的光刻机。也正因为此，从02专项开始讨论立项时起，光刻机研发就被确认为是02专项，也是我国集成电路总体发展进程中最需要集中攻关的重中之重。

光刻机在集成电路制造中的作用是将掩模（mask）上的电路图形转移到基片（wafer）上。图形通过光刻机上的投影物镜以成像的方式实现转移，成像质量决定着光刻机的分辨率、套刻精度等一系列最重要的性能指标。随着集成电路对集成度的要求不断提高，对光刻机成像质量的要求也越来越高。目前业界公认光刻机投影物镜的成像质量要求是所有成像光学系统中最高，也是最苛刻的。仅就投影物镜的光学系统而言，其波像差要在短工作波长、高数值孔径和大视场条件下达到亚纳米量级的近零像差，要将这种近零像差检测出来实属不易（目前通常高质量光学系统的波像差是纳米量级或10纳米量级）。如果没有这种检测能力，研制和生产光刻机镜头就是一句空话。更为困难的是，光刻机成像质量要求的是工作过程中的整机成像质量，它不仅包括投影物镜的成像质量，还与光刻机的其他分系统密切相关。例如，工作时照明系统和镜头持续受热导致的热像差；工件台/掩模台同步相对运动导致的动态像差；像面平移、旋转、倾斜及焦面偏移等初级像质参数变化；以及投影物镜的畸变、偏振像差等等。这些影响整机成像质量的因素都必须仔细研究，还必须有能力把它们检测出来。只有这样，才能实现对整机成像质量的高精度控制和补偿。

因此，光刻机像质检测是一项内容庞杂、工作量巨大、充满难关险阻的艰苦工作。正如本书后记中所提到的，自本世纪初起，先后有27名博士在向朝同志指导下，以光刻机像质检测为大框架完成了博士论文；团队共发表了60篇SCI论文，69篇国内期刊论文，34篇国际会议论文；申请并获授权国内外发明专利100余项。这些研究工作形成了本书的主要内容，据我了解，这也是国内第一本全面、系统且密切结合高水平研发工作的光学检测专著。由于光刻机本身的高指标、高难度和先进性，我相信本书对于所有涉及光学精密、超精密测量检测的相关工作，都具有重要参考价值。

作为中国光刻机研发大团队中的一员，我还想就本书的特点谈点体会：

1. 本书是中国光刻机研发攻坚克难历史进程的一个缩影。我国的光刻机研发始于上世纪60年代，从时间上看并不晚。问题在于，当发达国家认识到集成电路支撑的微电子产业将成为推动整个社会由工业化向信息化过渡的基础时，他们有能力将集成电路的发展推入快车道，有能力集中财力和相关技术来支持集成电路高速发展（包括材料、装备和制造工艺），所谓摩尔定律，描述的就是这种集中全社会（甚至全球）之力所能达到的结果。遗憾的是，当时的中国，包括上世纪70、80甚至90年代，都还不具备上述条件，而且由于发达国家的封锁，我们也无法参与集成电路发展的主流。在集成电路制造装备方面，我们在技术基础上（主要是精密光学、精密机械和高精度测量与控制）本来就有不小差距，加上研发投入不够（比发达国家差几个数量级），我们和发达国家的差距实际上是越来越大的。一个基本事实是，2006年国家中长期发展规划（2006~ 2020 ）公布之时，中国的集成电路制造装备产业可以说还是一白纸。

真正开始改变这种状态的是2008年国家科技重大专项的启动。光刻机成了02专项的重中之重，国家意志开始落实为基本资源保证，于是才有接下来的队伍组织和研发攻关。有了这些基础条件，科技人员才能确立比较远大的奋斗目标（在这里，具体体现为现代化大规模集成电路生产制造用的光刻机，而不是实验室或单项技术突破用的实验模型），才能下决心吃透和掌握每一项关键技术及其在产业规模应用条件下的相互关系。这是一条漫长艰苦的发展道路，又是一条绕不开，省不了的道路。这类关键技术还有很多，光刻机像质检测技术只是其中的一个代表。

2. 本书的内容是中国科技队伍在一个集中最新研发成果并应用于发展最快的高技术产业装备研发中如何学习、应用、改进、创新的典型。的确，光刻机研发、生产和在生产线上的使用我们都是后来者，相关的关键技术我们也不是发明者，但中国科技队伍善于学习，这是我们最大的优势之一。我们不仅善于学习基础理论，光刻机的研发过程证明，我们还敢于在实践中应用，敢于在条件比国外同行差的条件下应用，同时在学习和应用中改进、创新。宋代大诗人陆游有两句很有名的诗：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。我们应该牢记这条古训。正反两个方面的历史经验都告诉我们，不能老是坐而论道，掌握新技术、创造新技术的必要条件是干，是实践。新中国的科学技术，特别是其中的技术科学和工程科学，基本都是用任务带学科（老一辈科学家的总结）发展起来的，这一光荣传统值得我们继承和发扬。

3. 中国光刻机的研发还在路上，相关的像质检测技术研究也在不断发展之中。相信在下一步的研发与攻关进程中，中国的光刻机像质检测技术还会有“第二版”、“第三版”......。今天的“第一版”可以告诉世人，在光刻机的关键技术方面，中国的科技队伍是扎扎实实一步一个脚印走过来的，我们是在不断与全世界的同行们交流、切磋（60篇英文SCI文章和34篇国际会议论文就是明证）。今后，我们也会继续这样做。从本质上讲，科学技术不分种族，也没有国界，理应为全人类的福祉和进步贡献力量。

4. 和当年02专项启动，也是本书涉及的主要工作之奋斗目标确定之时相比，我们的进步是巨大的，其影响对国内相关领域的推动与促进作用也开始明显地体现出来。但我们也清醒地懂得，下一步的任务会更艰巨，挑战会更多，压力会更大，尤其是我们所面临的外部环境，比起当年可能要更加复杂和不确定。我们的内部环境也会有些变化，例如，当年的争论可能主要是能不能干，该不该干；今天更多的或许是如何干，如何尽早出成果，解决“卡脖子”问题。对于中国科技队伍来说，我们最重要的还是坚定信心，坚持成功的经验，克服曾经影响发展的体制机制障碍，继续一步一个脚印地走下去。我愿意用毛主席的诗句与本书作者们和整个光刻机研发团队共勉：世上无难事，只要肯登攀！

是为序。

国家科技部原副部长中国光学学会原副理事长集成电路产业技术创新战略联盟理事长02专项光刻机工程指挥部总指挥/研究员

2020年10月

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曹健林先生为本书作序手稿