波长13.5nm、精度0.55nm RMS——EUV干涉测量挑战与突破
在半导体制造的前沿，极紫外（EUV）光刻是推动摩尔定律继续前行的关键技术。EUV光波长仅13.5 nm，比可见光短了约40倍，因此能够刻出更细的线条。然而，要制造出合格的EUV投影光学系统，其难度堪比“在针尖上雕花”——镜面面形误差必须控制在0.1 nm级别，否则就会严重劣化成像质量。
那么，如何测量和校准这样一个超高精度的EUV光学系统？答案是“在波长下进行干涉测量”——即使用与工作波长完全相同的13.5 nm EUV光，通过干涉仪直接测量系统的波前误差，并据此调整镜片位置，直到波前质量达到衍射极限。
今天这篇文章基于实际工作和相关国内外资料，详细拆解一款0.3数值孔径（NA）的微曝光工具（MET） 进行EUV干涉测量和对准的过程。这是当时世界上分辨率最高的投影光刻系统之一，其设计分辨率为27 nm。如今，EUV光刻已经进入量产阶段，数值孔径也已从0.3提升到0.55（High-NA）。但研究所揭示的测量与对准难题，依然是EUV光学制造和集成的核心挑战。今天，我们就以这项研究为蓝本，带你走进EUV干涉测量的前沿，看看科学家们如何在亚纳米精度下与“看不见的”波前误差斗智斗勇。
一、MET：一台“显微镜级”的EUV投影系统
MET是一套双反射镜系统（图1示意），由凸面镜M1和凹面镜M2组成，NA=0.3，工作波长13.5 nm。它的视场很小：掩模面约3 mm × 1 mm，晶圆面仅600 μm × 200 μm，但分辨率极高（设计27 nm）。为了达到衍射极限性能，系统波前误差需要控制在0.2 nm RMS左右。
在正式装配前，两片反射镜分别由蔡司公司用可见光干涉仪测量，其中M1的单镜波前误差约为0.22 nm（高阶球差）。装配后，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）用可见光点衍射干涉仪（PSDI）进行了首次对准，测得系统波前为0.56 nm RMS（37项Zernike），其中高阶球差占0.49 nm。
随后，这台光学系统被转运到LBNL的先进光源（ALS）束线上，进行EUV波长的干涉测量和对准优化。研究报告了两种EUV干涉测量方法的应用结果：横向剪切干涉（LSI） 和相移点衍射干涉（PS/PDI）。
二、两种EUV干涉测量方法
2.1 横向剪切干涉（LSI）
LSI是一种自参考技术：在焦点后方放置一个二维交叉光栅（周期1.5 μm，位于第一个Talbot平面），将波前分成两束并使其横向错位，发生干涉。通过分析干涉条纹，可以恢复出波前的梯度，进而积分得到波前形状。
优点：对准宽容度大，容易实现；可同时获得两个方向的梯度。
缺点：靠近光瞳边界的区域信息丢失；需要复杂的重建算法。
实验中，LSI是主要的测量工具。每次测量采集约32条干涉条纹，采用区域法和模态法两种方式重建波前，两者差异通常小于0.05 nm。
2.2 相移点衍射干涉（PS/PDI）
PS/PDI是公认的精度标准：在像面放置一个极小的针孔（直径20–35 nm），通过针孔的衍射产生近乎理想的球面参考波，与测试波发生干涉。通过压电陶瓷推动针孔进行相移，提取波前相位。
优点：直接测量，无需复杂重建；精度高。
缺点：针孔制作极难（需要150–200 nm厚的镍膜，且针孔直径仅20–35 nm）；对准容差极小（横向±10–15 nm，纵向±100 nm）；波前像差大会使对准更加困难。
由于PS/PDI的对准极其敏感，它通常只在LSI将系统调整到接近理想状态后才使用，作为最终验证。
三、EUV测量结果：波前质量与对准漂移
3.1 第一次EUV测量 vs 可见光测量
首先，研究人员在20.0°C下进行了首次EUV LSI全场测量（图2）。结果显示，波前存在一个0.80 nm的初级球差，与可见光对准后的预期（0.17 nm）相差很大。
图2：首次EUV全场测量结果
为了对比，他们将EUV测量结果与LLNL的可见光测量结果进行了比较（图3、图4）。但由于转运过程中可能发生的对准变化，两者差异高达1 nm左右，且不仅在球差项，连三叶草等非对准项也存在明显差别。当减去球差后，RMS差异仍有0.79 nm（图4b）。不过，高阶球差项两者吻合较好（EUV 0.35 nm，可见光0.41 nm）。
图3 系数对比
图4 波前相位图对比
3.2 第一次EUV对准与PS/PDI对比
接下来，研究人员使用LSI对系统进行了迭代对准，优化全场波前。但在对准过程中，他们发现了一个令人头疼的问题：对准状态不稳定。在调整后的几分钟内，彗差和像散会漂移0.1–0.2 nm；几小时后，甚至出现0.2–0.3 nm的突变。有一次，系统在放气/抽气循环后（即使过程非常缓慢），对准状态也发生了明显变化。
第一次EUV对准完成后，他们将干涉仪切换到PS/PDI模式（需要放气）。接下来两天的PS/PDI测量显示，球差比LSI的结果大了0.36 nm（图5、表2）。经过反复检查数据分析方法，他们确认这不是算法差异，而很可能是系统对准状态在放气/抽气过程中发生了阶跃变化。
图5 LSI与PS/PDI系数对比
3.3 最终优化与长期漂移
后期，研究人员进行了最后一次对准优化。此时中心视场的37项RMS波前误差达到了0.55 nm（λ/24.5），其中高阶球差占主导（图6）。这是一个相当出色的结果，已经接近衍射极限。
图6 最终优化后的波前（中心场0.55 nm RMS）
当时EUV干涉测量的整体精度大约在0.5 nm水平，这对于0.3 NA系统来说已经非常了不起，但距离EUV光刻量产所需的亚纳米精度仍有差距。
四、启示：EUV光学测试的挑战与未来
这篇早期的研究，揭示了EUV光学测试中的几个核心挑战：
对准状态极其敏感：即使是放气/抽气这样的温和操作，也可能改变镜片的相对位置，导致球差和彗差的阶跃变化。这意味着测试环境必须极度稳定，且每次改变配置后都需要重新验证对准。
可见光与EUV测量结果存在系统性差异：虽然高阶球差吻合，但低阶项差异较大。部分原因可能是多层膜反射带来的相位变化（角度、偏振相关），而可见光无法模拟这一效应。这凸显了“在波长下测试”的必要性。
不同EUV干涉方法之间也需要交叉验证：LSI和PS/PDI各有优缺点，两者差异（0.5 nm左右）反映了各自的系统误差。未来需要发展更精确的数据分析算法（尤其是剪切干涉的重建方法）和更稳定的针孔制造工艺。
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