万字浅析EUV国产光刻机的哈工大激光干涉仪和清华双工件台

真空双工件台是除了光源和光学系统之外的EUV光刻机三大核心技术之一。工件台用于承载硅片，掩模台用于承载掩模板，两者配合实现对准、调平调焦、步进和扫描曝光，使得掩模上的电路版图能快速地转移到硅片上的曝光场，如此循环往复完成硅片上所有视场的曝光。由于存在4:1的缩放关系，所以工件台精度和复杂度远高于掩模台，EUV工件台需要在超过5米/秒的高速、7G高加速度下实现亚纳米级的量测精度。

怎么才能做到高速超精密的量测呢？让我们先把目光从芯片微观世界投向广袤无垠的宇宙。

13亿年前，距离地球13亿光年的两个质量分别为36倍和29倍太阳的黑洞合并而发射出引力波，有约3倍太阳质量的能量在不到1秒的时间内以引力波的形式释出，其峰值功率达到了全宇宙的所有可见光功率的50倍。引力波导致的时空涟漪以光速向地球扑去。

时间来到200多年前的1802年，年仅29岁的英国科学家托马斯·杨敢于公然反对牛顿的光粒子说，进行了著名的双缝干涉实验，证实了光的波动性。通过人为创造光的相干条件，为将来的激光干涉量测技术开创了先河。那时，人们确信是以太支撑着光的传播，正如空气支撑着声波的传播。

到了1887年，为了证实以太是否存在，科学家试图测定地球对于绝对坐标系的以太的相对速度，美国首位诺贝尔物理学奖获得者迈克尔逊发明了干涉仪。迈克尔逊干涉仪属于双光束干涉仪，其原理是一束入射光经过分光镜分为垂直的两束后，各自被对应的平面镜反射回来，因为这两束光频率相同、振动方向相同且相位差恒定，所以能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必需求出相干光的光程差位置分布的函数。如果干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度发生变化，或是光路中某段介质的折射率发生了变化。

迈克尔逊干涉仪就是现代激光干涉仪的前身，在当时就具备了极高的精度。只是以太是不存在的，自然无法测出地球和以太的相对速度，不过却间接证明了光速不变。迈克尔逊绝对不会料到，一百多年后，他的发明可以进化到既可以窥探遥远深邃的宇宙，又可以雕刻最细微的硅基芯片世界。

到了1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。

塞曼的老师、荷兰物理学家洛伦兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线，这种现象称为塞曼效应。

塞曼效应是继法拉第磁致旋光效应之后发现的又一个磁光效应，塞曼和洛伦兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。未来，人类将应用塞曼效应，通过在激光光源上叠加磁场来产生稳定的双频频谱，从而排除干涉臂中可能对光程产生的外界干扰，大幅度提高激光干涉仪的精度。

1960年12月，伊朗科学家贾万在美国贝尔实验室成功制造了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。

基本上，激光干涉仪都使用氦氖激光器的632.8nm波长的光，发散角可以小到0.1mrad，光束截面的光斑均匀。氦氖激光器还可输出绿光、黄光、红外光，但只有632.8nm波长的光适合作激光干涉仪的光源。而其它类型的激光器，如半导体、固体激光器等的相干等性能都远不及氦氖激光器。

1972年，美国标准局的埃文森用激光干涉法，测得光速为299792.458km/s。而这一数值也最终被作为国际推荐值使用。显然，精确的光速是激光干涉仪最重要的基准精度。

时间终于来到2015年9月14日，一个不管怎么看都十分平常的日子，人类通过激光干涉仪探测到了13亿光年外，两个黑洞相互绕转、扭曲地融合在一起，辐射出携带着黑洞的质量和自旋信息的引力波。

在引力波探测中，采用带有法布里－珀罗谐振腔的等臂迈克尔逊干涉仪，干涉臂长度在几千米的量级。严格控制两束光的光程，使得两束光干涉相消。当引力波通过时，一束光的光程被拉长，另一束光的光程被缩短，产生光程差，我们就能在探测器上观测到激光干涉条纹亮度的变化。引力波引起的相位变化与臂长成正比，臂长越大，相位变化越大。例如，对于频率为100Hz的引力波，为了获得最佳探测效果，迈克尔逊干涉仪的臂长应为75公里，在地球上建造这么大尺度的干涉仪是不可能的，而采用法布里－珀罗谐振腔可以让激光在谐振腔的反射镜之间反复振荡，大幅度增加了干涉臂的有效长度，从而提高了引力波探测器的灵敏度。

在EUV光刻机中，自然用不到引力波探测中造价超过5亿美金，探测精度达质子直径千分之一的激光干涉仪，但是面向最先进制程的芯片、高度工程实用化的激光干涉仪也绝非易事。

事实上，超精密量测一直是制约我国工业迈向高端的一项卡脖子技术。一般来讲，量测技术与工业实力是螺旋递进的关系。先进的量测技术可以促进工业实力的进步，工业实力的进步又能继续促进量测技术的发展。

长久以来，高速超精密激光干涉仪相关技术和产品，基本上都被美国公司把控，最著名的是Keysight和Zygo。ASML的EUV光刻机的量测系统就是Keysight提供的。

Zygo参与了中国多个重要项目的搭建工作，比如“神光”激光项目。上海光机所等研究机构都使用了Zygo从100mm至800mm口径多种激光光源，633nm及1um波长的各型号干涉仪作为项目核心计量检测设备。在美国对中国的芯片产业进行绞杀前，国产光刻机双工件台激光干涉仪也是从Zygo采购。

哈尔滨工业大学是国防七子之一，不仅在航天领域独树一帜，在激光基础理论研究和应用方面也可以傲视全球。

哈工大突破了Keysight和Zygo在该领域的垄断，哈工大研发的“真空用超高精度激光干涉仪”已完成验收，位移分辨率高达0.005nm，位移测量标准达到0.03nm，关键指标表现和ASML至高水准相差无几，符合EUV双工件台对该技术的精度要求。2022年底，这项技术以第一名拿下了中国光学工程学会主办的首届“金燧奖”金奖。

谭久彬院士指导的胡鹏程教授团队突破了双频激光干涉仪系列核心技术和工程化关键技术：

发明了稳频点修正和弱耦合水冷的高精度激光稳频方法与装置，突破了热稳频激光器的长期频率漂移和短期频率噪声瓶颈，其相对不确定度从1×10的负8次方量级提升至3.7×10的负9次方；发明了虚反射光迹精准规划的高精度非共光路外差干涉方法与镜组，从原理上消除了双频混叠引入的纳米级光学非线性误差，抑制了虚反射引入的亚纳米级光学非线性误差，使光学非线性误差从1nm以上降低至0.013nm；发明了动态正交锁相的高速高分辨力干涉信号处理方法，突破了高测量速度和位移高分辨力难以兼顾的问题。

“高速超精密激光干涉仪”在光刻机当中的应用主要是用于硅片台和掩模台的对准，实现对工作台的超精密运动控制，以实现定位精度为亚纳米量级的高速运动。干涉仪的测量轴数可达22轴以上。配合超稳定的恒温气浴和隔振环境，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。

我们知道，除了光刻机的工件台，光刻机的物镜需要高端数控机床进行超精密加工。而高端数控机床和精密加工又需要双频激光干涉仪来进行量测。对于光刻机以外的其他一些设备，比如刻蚀、薄膜沉积、离子注入等设备的零部件，我们也能实现更高的加工精度。而且，双频激光干涉仪还能用在现代机械制造领域，超精密加工领域，科学仪器领域以及天文领域。

比如我国工业最短板的高档数控机床，核心量测零部件就是双频激光干涉仪，可以快速、准确、便捷的获取和分析数控机床到头的定位精度信息，为分析和改进数控机床的性能提供了可靠的依据。

再比如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。

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，哈工大的系列超精密高速激光干涉仪已成功应用于上海微电子、中国计量科学研究院、德国联邦物理技术研究院等十余家单位，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。

可以说，这项高速超精密激光干涉仪技术的的确确打通了我国工业的很多环节。

有了精确的量测后，工件台本身的精确的动态响应就十分重要。工件台的动态指标包括：速度、加速度、急动度、痉挛度、稳定时间、换台时间。工件台的精度指标包括：移动标准差影响套刻精度，移动平均差影响光刻线宽。概而言之，工件台的运动精度直接影响光刻机的分辨率，速度和加速度直接影响光刻机的生产效率。为了在大行程范围内实现高加速、高速及高精度的运动，光刻机工件台普遍采用宏微叠层结构。其中，宏动台完成大行程、微米级精度运动；小行程的微动台叠加在粗动台上，用于补偿宏动台的运动误差，最终实现纳米级，甚至亚纳米级运动精度。

光刻机运动台经历了从丝杆，直线导轨，气浮到磁浮的发展过程。

我们知道ASML DUV工件台的宏动台是采用气浮加直线电机驱动，运动件和基座之间有一个高压气膜，学名叫气体静压轴承。在运动过程中，运动件和基座之间的摩擦力几乎为零。由于没有接触，气浮支承就避免了与传统轴承相关的摩擦、磨损、润滑处理等问题。到了EUV阶段，发展到亚纳米的定位精度，这需要到达物理极限的控制精度。气流实在是难以控制，气膜的刚度，气浮的飞行高度，气体的扰动等都会影响运动精度，所以必须采用磁悬浮平面电机驱动。磁悬浮结构简单、基座表面无需精密加工、可实现非运动自由度的主动约束、省去了从直线运动到平面运动的中间转换装置。另外，为了精密控制六个自由度的承载片的运动，磁场给了控制更多的灵活性。再次，EUV光刻必须在超高真空环境下工作，气浮显然对系统不够友好。

永磁同步型平面电机可以看作是直线电机的一种演变，由永磁阵列、线圈阵列和支撑结构组成。在支撑部件的限制和电磁力的作用下，平面电机的线圈阵列能够带动负载产生两维的平面运动。平面电机直接利用电磁能产生平面运动，具有出力密度高、低热耗、高精度的特点，因省去了从旋转运动到直线运动再到平面运动的中间转换装置，可把控制对象同电机做成一体化结构。

工件台工程化的复杂度极高，需要解决的关键问题主要是两方面：解决高速高加速度和高精度的矛盾，解决高动态和低发热的矛盾。

必须研究磁场、线圈、冷却系统的优化方法，实现大推力、低温升，避免热变形误差；研究电机磁场的精密计算模型，实现磁场阵列的优化布局，降低驱动非线性与轴间互感耦合；进行结构动态刚度分析，避免强磁场作用以及高速惯性力作用下产生结构变形与振动；进行电机热分析与冷却结构，提出一种良好散热结构；研究平面电机参数的精密测试与标定方法，并结合精密运动试验，基于动力学特性，研究对三自由度合成运动结果数据的精密运动解耦分离方法，实现对驱动特性参数的精密标定，满足高速、纳米级精度的运动控制要求。

要提高工件台的精度还需要微动台，微动台则需要音圈电机或压电电机。

音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机，其工作原理与扬声器相似而得名。音圈电机具有结构简单、动态响应速度快、无齿槽转矩、高线性度等优点。音圈电机的定子是由磁钢和导磁铁构成，动子则由质量较好的线圈和骨架组成，由磁钢产生的磁场经导磁铁导磁，即在动圈行程内产生大致均匀的磁场，当线圈通电后，通电导体在磁场中受到一个轴向电磁力，使音圈运动，其运动速度和方向因电流的大小和方向而异。

音圈电机固然有各种优点，但是在光刻工程中要实现纳米级的微动定位，工程上还需要做大量针对性优化工作：必须对音圈电机的永磁体、铁轭和端部等结构进行优化，达到均匀动子行程内的磁通密度、必须抑制音圈电机的端部效应和涡流损耗，有助于提高电机的定位精度。必须设计制造多自由度的音圈电机，以便减少多个电机联合实现多自由度运动时的误差叠加。

压电电机的机制与电磁电机完全不同，利用的法国物理学家皮埃尔·居里发现的压电效应，压电材料因为晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。当在压电材料表面施加电场，因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长，电能转化为机械能。

压电电机能实现亚纳米范围内的运动，其位移是基于晶体固态动力学，无磨损，无需润滑，耐久性突出，几十亿次耐久试验不会明显产生特性变化，响应时间可达几微秒，可实现超过10000G的加速度。缺点是可驱动行程较小，比音圈电机小了2个数量级。

为了实现更好的运动精度和快速响应，可以联合实用音圈电机和压电电机。微动台采用由音圈电机驱动，以进行大行程高速的进给，压电电机再连接在音圈电机的输出轴上的结构，通过给压电电机施加反向作用力，起到高速运动平台的减振作用，能有效地解决高加速度运动过程平台振动大、难于快速稳定的问题；在平台稳定后，压电电机则切换功能，用于驱动微平台运动，实现平台微运动的精密定位。

实现了工件台的精确高速响应后，接下来就是对工件台进行分身。

2000年左右，为了提高产率和经济效益，硅片直径从200mm升级到300mm，这样使得芯片制造成本降低了30%。在光刻机中，直径更大的硅片需要更大的工件台来承载，对于单个硅片需要曝光更多的场。早期光刻机中的工件台是单工件台，在完成一次硅片曝光之后，需要将曝光后的硅片取下，然后工件台回到起点重新装载新的硅片，这样的设计增加了曝光的等待时间，限制了产率。

此外，随着光刻技术节点的延伸，光刻工艺对套刻精度提出了更高的要求。多层光刻技术突破了单层光刻工艺水平面临的光学限制和更小线宽的挑战，而多次曝光就需要测量基片上数十到数百个预定点的层间偏移量，定量地估计层间移位，套刻误差就是描述当前层与参考层套刻精准性的重要参数，以7nm节点光刻机为例，套刻误差要求小于线宽的20%，即1.4nm。比如英伟达的H100 AI芯片，800亿个晶体管，台积电采用4N工艺，需要多达89张掩膜进行多次光刻，每次掩膜曝光就必须进行精确的对准操作。

所以，2001年ASML推出了TWINSCAN系列双工件台系统。双工件台在工作时，其中一个工件台在曝光位进行硅片曝光，另一个工件台在测量位对新的硅片进行对准和调焦调平。双工件台测量与曝光同时进行，使得光刻机可以实现更高的产率。此外，双工件台光刻机可以有更充足的时间，采用更多的对准标记进行对准，并且能够进行硅片形貌的测量，能实现更高精度的对准和调焦调平，这有益于制造更小特征尺寸的芯片。

双工件台的生产效率提高大约35%，生产速度则可以高达每小时270片~300片，套刻精度提高10%以上。

工件台是光刻机重要的核心子系统，是难啃的“硬骨头”——即便强大如ASML，其一个新工件台系统的研发都要耗费十几年的时间。日本尼康株式会社的社长来中国访问时曾说过这么一句话：“光刻机光学系统虽然很难，我相信你们能够研制出来，但工件台恐怕就拿不下来了，因为这个系统太复杂了。”

然而，光刻机双工件台，这个当之无愧的“精密机械之王”，却被清华大学朱煜教授带领的团队攻克了。

上世纪70年代，清华大学精仪系成功研制了“自动分步重复照相机”，也就是当时的步进光刻机。那时，当今的半导体巨擘英特尔不过刚刚成立，现在的光刻机巨头ASML还未创立，那台“清华出品”让中国足以自豪。然而，当时的中国尚未参与国际半导体分工，国内更没有形成充分的半导体消费市场，从20世纪70年代到21世纪初，在狂飙突进的国际半导体行业，我国却被远远甩在了后面。40多年转瞬即逝，历史绕了个大圈儿，又回到了起点。“十年磨一剑，百天一纳米”，这条悬挂在实验室的横幅或许能说明朱煜团队多年心路历程。双工件台的研发道路漫长而坎坷，一路走来的艰辛和曲折，用“九九八十一难”来形容似乎也不为过。

EUV双工件台需要平衡精度、分辨率、速度是三项重要指标，其他的指标还包括动态范围、材料选择、外形尺寸和环境条件。除了高精度激光干涉仪这种非接触式量测方案，还需要用到几十个分辨率达到0.1nm RMS的电容位移传感器率进行分布式监测。精密测量技术必须具备皮米级的标定能力，而各个运动部件的肯定是做不到皮米级精度的，不过累积误差可以通过精密标定系统标定出来，再使用数字控制器进行误差补偿，最终实现皮米级的运动精度。

要把一个高精尖的技术成果产业化，涉及的问题比科研本身更多。就光刻机双工件台而言，这样一个庞大复杂的技术系统，对于全球任何一家企业来说，实现产业化都极具挑战性。

还是那句话：尊重规律，保持敬畏，充满信心，黎明一定会到来。