深紫外光学系统的波前如何检测？

面向不同波段与高NA的

紫外光学系统表征方法

在半导体微纳加工与光刻系统中，紫外光学系统覆盖多个波段和多种成像架构。193nm与248nm主要对应缩小投影光刻中的投影物镜；365nm i-line则既可用于投影式步进光刻机，也广泛出现在接触式、接近式曝光以及部分封装、MEMS与厚胶工艺中; 355nm、375nm和 405nm更常见于无掩模直写成像与先进封装相关设备；266nm则更多出现在干涉光刻、激光直写微纳加工、掩模版修复（reticle repair）以及特种深紫外成像系统中。

不同波段对应的光源形式、数值孔径（NA）范围、成像路径以及工艺目标均存在明显差异，因此其光学表征方法也具有强烈的场景依赖性。

光刻系统本质上是一个受衍射限制的投影成像系统，其分辨能力通常用以下半经验公式表示：

CD = k1 · λ / NA

其中 λ 为曝光波长，NA 为投影光学系统数值孔径，CD (Critical Dimension)为工艺中的关键尺寸如最小线宽、孔径或半间距。k₁则是一个综合工艺因子，反映照明方式、掩模技术、OPC、光刻胶响应以及后续工艺优化对分辨率的共同作用。 该公式源自瑞利判据（Rayleigh criterion），ASML对Rayleigh公式的说明中也指出k₁物理极限约为0.25⁽¹⁾。

这一定标关系表明，缩小CD主要依赖三个方向：缩短曝光波长、提高投影物镜 NA，或通过照明优化、掩模增强技术和计算光刻等方式降低有效k₁。ASML也指出，在波长节点之间，行业主要依靠光学系统发展以及降低k₁的工艺技术来继续提升分辨率，例如离轴照明、自由形光瞳整形、OPC与计算光刻等。

然而，当光刻工艺进入短波长、高 NA 和低k₁区间后，系统对光学误差的容忍度会显著降低。此时，投影光学系统中的残余像差、场依赖波前误差、热致波前漂移以及照明光瞳偏差，都会改变晶圆面上的空间像(aerial image)强度分布，降低图像对比度和图像斜率，并进一步压缩焦深(DOF)与曝光剂量窗口。相关DUV光刻研究⁽²⁾也将焦深、掩模误差增强因子(MEEF)和图像对数斜率(ILS) 等作为评价像差影响和工艺窗口的重要指标。波前质量是连接投影物镜性能、空间图像质量、CD控制和工艺窗口稳定性的关键参数。对于高NA的深紫外成像系统而言，对波前误差进行高灵敏度、原位化和多场点表征，已成为保障成像一致性与工艺可重复性的必要手段。

• 193nm浸没式ArF与dry ArF光学系统

在前道先进制程中，193nm ArF浸没式光刻系统长期承担关键图形转移任务，高 NA 投影物镜是其核心光学架构之一。以ASML TWINSCAN NXT:2050i ⁽³⁾ 为例，其公开规格显示系统采用NA1.35的193nm折反射式投影物镜，支持26×33mm全场扫描曝光。这里的NA指晶圆侧在浸没介质中的实际工作数值孔径，而非空气中的等效NA。 这类系统的工程关注点集中在波前误差控制、热效应引起的像差漂移以及多场点（multi-field point）一致性。

图1 DUV浸没式光刻系统结构

在国内DUV光刻装备、ArF投影物镜和关键光学子模块的研发中，193nm dry ArF高NA光学系统仍然是当前非常现实的工程目标。对于dry ArF光刻装备和高NA DUV光学系统而言，NA0.93仍然代表着空气介质下193nm投影光学的重要技术门槛。以ASML早期dry ArF平台为参照，TWINSCAN XT:1460K ⁽⁴⁾ 的公开规格显示，其采用193nm dry ArF激光光源的步进扫描（step-and-scan）投影光刻系统，投影物镜NA范围达到0.65–0.93。

在这类高NA系统中，工程关注点不仅是分辨率本身，还包括投影物镜的残余波前误差、场依赖像差、热负载引起的像差漂移，以及扫描曝光过程中不同曝光带(slit)位置和多场点的成像一致性。随着CD缩小和工艺窗口收窄，微小的波前变化都可能影响空间像的对比度、图像斜率、焦深以及后续CD/CDU稳定性。因此，面向193nm ArF光学系统的高灵敏度波前表征，是投影光学设计验证、物镜调校、热漂移分析和工艺相关像差控制中的关键环节。

针对这类光学系统，Phasics可提供面向193 nm波段的深紫外波前测量方案。该方案可覆盖dry ArF投影光学中典型的NA 0.93工作条件，并具备最高约NA 0.95的测量配置能力，可用于高NA深紫外物镜、dry ArF光学元器件以及投影光学模块的波前表征，为DUV光学元件、物镜组件和子系统级验证提供符合工作条件的测量手段。

• 248nm KrF与365nm i-line系统:成熟制程中的投影光学表征

在248nm KrF与365nm i-line光刻系统中，缩小投影仍是重要的成像方式；在DUV系统中，掩模或reticle上的图形通过投影光学系统缩小并聚焦到涂胶晶圆表面，曝光完成后晶圆再移动至下一个曝光场。

对于248nm KrF系统，投影物镜的NA通常位于约0.60–0.82区间。例如Nikon NSR-S220D⁽⁵⁾采用248nm KrF光源、1:4缩小倍率、26mm × 33mm最大曝光场和NA 0.82的投影物镜。更高端的dry KrF系统则可进一步推高NA，例如ASML TWINSCAN XT:1060K为0.93NA的248 nm KrF双工作台光刻系统。 NA增大提升分辨率，但焦深会按1/NA²快速下降，因此在非最关键层或成熟制程中，继续提高NA并不总是最优选择。

对于365nm i-line系统，高分辨率投影式步进光刻机的NA通常约为0.45–0.65。例如 Canon FPA-3030i5+⁽⁶⁾ NA为0.45–0.63，ASML TWINSCAN XT:400L 则采用可变0.65 NA的365nm投影镜头。

但i-line体系的应用范围更宽，仍包括接触式、近接式曝光，以及面向大焦深、厚胶和非平整基板的低NA投影系统。对于这类工艺，光学设计更强调焦深、对位容差、厚胶曝光能力和高起伏基板适应性。因此，相关波前与系统表征需求也会从极限分辨能力转向场内波前均匀性、像差分布、焦面稳定性、畸变控制和系统容差预算。

图 2. i-line stepper 光刻设备示例。
Image credit: a13ean, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

• 355nm, 375nm/405nm无掩模直写系统

在375 nm和405 nm波段，无掩模直写系统通常采用数字图形写入方式，用于先进封装、MEMS、微流控、原型制造和厚胶结构等场景。以Heidelberg Instruments MLA150为例，该系统使用数字微镜器件（DMD，Digital Micromirror Device）实现动态空间光调制，主曝光波长为405nm或375nm，面向先进封装与 MEMS原型制造，分辨率约在1µm量级，与前道投影光刻系统存在本质差距。

在该类系统中，光学评价更接近系统级性能验证，包括对准精度、成像稳定性及基板适应能力。波前测量承担快速验证与系统调校工具的角色。355 nm则更常见于UV激光直写、材料微加工、薄膜加工和部分特种检测系统。

• 266nm系统：检测、微加工与特种光学应用

266 nm 位于深紫外波段，在半导体前道检测与部分微纳加工链路中具有明确的应用基础。对于晶圆缺陷检测而言，短波长光源有利于提高小尺寸缺陷的光学响应和检测灵敏度，因此被用于高灵敏度缺陷检测（如DUV brightfield inspection）。在微纳图形化和激光加工方向，266 nm通常来自 Nd:YAG 激光的四倍频输出，可用于激光干涉/全息光刻、激光直写、薄膜加工和精密微加工等场景。相关厂商(如OptoSigma)提供专用的激光加工物镜，其典型数值孔径为 NA 0.2到0.42之间。在UV显微与检测光学中，典型UV 显微与激光修复物镜如Mitutoyo M Plan UV系列在该波段对应NA 0.25–0.55；当系统采用反射或折反射结构（如 Schwarzschild 类型）以避免色差或适配深紫外时，NA 可能进一步扩展至约0.3–0.65。

这类应用对测量方案的灵活性要求更高，案例详见:Phasics成功交付多波长深紫外Kaleo Kit套件波前测量平台

DUV光学系统测量方案的四个

维度

在紫外光学系统中，波前测量已经从单一性能指标扩展为系统分析工具。对于投影物镜，波前误差与像差分布直接关联；对于系统级设备，波前数据还可进一步用于分析场点差异、焦面稳定性、畸变趋势和潜在套刻风险。

• 波段匹配

测试波长与系统设计波长之间的偏差，会引入材料色散和镀膜响应差异，从而影响测量结果的可解释性。对于高精度DUV系统，接近工作波段的测量更具工程意义。193nm、248nm、266nm、365nm和405nm对材料、镀膜、光源和探测器提出的要求均不同，因此测量方案必须首先满足波段适配。

• 高数值孔径带来的空间约束

高 NA 条件下，光瞳边缘区域、局部面形误差和高空间频率成分对成像质量的影响更加显著。测量方案需要具备足够的空间采样能力和动态范围，以覆盖完整光瞳并捕捉关键误差特征。对于高NA dry ArF光学系统，测量配置还需要适配强会聚或强发散光束，避免测试路径本身限制系统表征能力。

• 光源条件的影响

短波长系统中，光源谱宽、稳定性和脉冲特性会影响色差、焦点位置和成像对比度。高功率或长时间运行条件还可能引入热效应，导致时间相关的波前漂移。因此，单次静态测量往往不足以完整反映系统行为，重复测量、动态监测和热态分析在DUV系统表征中具有重要意义。

• 测试架构与使用阶段

研发阶段关注样件比较、设计验证和误差来源识别；装调阶段关注实时反馈、重复性和调节效率；系统验证阶段关注绝对精度、长期稳定性和工艺相关指标。测量方法需要与具体阶段匹配，才能将波前数据转化为可用于工程决策的结果。

Phasics DUV光学系统

波前测量方案

对于深紫外和高NA光学系统，波前测量不能脱离系统设计波长和实际工作条件。波长偏差、NA条件变化、镀膜响应差异或测试光路简化，都可能导致测量结果无法准确代表系统真实状态。因此，Phasics的测量方案首先强调在目标波长、目标NA和实际使用的光路架构下进行表征；其次，根据研发、装调和系统验证等不同阶段，提供可调整的测试配置与分析工具。

Phasics 的技术基于四波横向剪切干涉技术（QWLSI），通过自参考结构实现紧凑布局与高采样密度测量。对于紫外和深紫外应用，Phasics可围绕工作波长、NA、光源条件和测试架构提供传感器与模块化平台方案，用于光学元器件、物镜组件和系统模块的波前表征。Phasics提供亚纳米级别RMS的可重复性精度测量、Zernike高阶像差分解分析、TWE / RWE与多场点一致性分析等。

图4 Phasics 紫外物镜测量搭建(上图有限有限系统，下图无限有限系统)

• 紫外波段传感器：SID4-UV / SID4-UV HR

在紫外波段，Phasics提供具备自消色差且兼具多波长适用性的SID4-UV / SID4-UV HR波前传感器，覆盖190–400nm范围，支持高密度相位采样与纳米级相位灵敏度。适用于：

• UV/DUV 光学元器件表征

• UV/DUV 光源质量检测

图5 SID4-UV 波前传感器

• Kaleo Kit模块化平台及系统预集成解决方案

除了标准波前传感器，Phasics还可提供面向UV / DUV光学系统的模块化测试平台及预集成解决方案。

面向尚未具备合适深紫外光源的客户，我们提供包含光源选型与集成的整体方案。193nm、266nm等深紫外波段对激光器的谱线、稳定性、光束质量和环境适配要求极高，可用于高精度计量的光源选择有限。Phasics已与多家国际顶尖DUV激光器供应商达成长期稳定合作，可根据具体应用需求，构建包含光源、波前传感器、扩束/缩束光路、高NA参考反射镜和分析软件在内的模块化计量平台Kaleo Kit。针对高NA深紫外应用，Kaleo Kit可搭配相应口径与曲率的高NA参考反射镜，实现最高约NA 0.95的波前测量配置，用于物镜、光学组件和子系统级模块的TWE / RWE、Zernike像差、多场点一致性和系统稳定性分析。

同时，针对已经拥有深紫外激光器的客户，Phasics可在项目可行性评估的基础上，提供预集成测试平台方案。对于满足系统集成要求的项目，Phasics可基于客户现有光源参数、接口条件和测试目标，设计定制化计量架构。

通常情况下，Phasics建议使用客户实际光源完成系统集成与验证，以确保测量结果能够反映目标工作条件。若客户因运输、安全或项目安排等原因不便提供实际光源，Phasics可在参数充分明确的前提下，评估采用替代光源进行预集成和接口验证的可行性。最终配置需根据具体项目要求确定。

图3 Phasics 266nm 深紫外Kaleo kit波前测量平台

紫外光学系统的工程问题集中在真实工作条件下的成像表现。波长、NA、光源特性和光学结构共同决定系统性能边界，也决定了对应测量方案的复杂度。193nm ArF、248nm KrF、365nm i-line、375/405nm无掩膜直写以及266nm深紫外系统虽然都属于紫外光学范畴，但其表征重点并不相同。

针对不同波段与应用场景构建匹配的波前测量方案，有助于将光学性能从单一指标转化为可分析、可优化的工程数据。通过波前图、Zernike 像差分解、TWE / RWE、多场点一致性和动态稳定性分析，工程团队可以更清晰地理解系统误差来源，并将测量结果用于设计验证、装调优化和工艺控制。

关注Phasics公众号，获取更多关于紫外光学系统与波前测量的技术解析；如需进一步交流或项目支持，欢迎与团队联系。

Reference:

[1]  ASML, The Rayleigh criterion, Lithography Principles.[2] Zhang S. et al., Applied Optics, 61(20), 6023–6032 (2022). DOI: 10.1364/AO.462436

[3] ASML, duv-lithography-systems, twinscan-nxt2050i

[4] ASML,duv-lithography-systems, twinscan-xt1460k

[5] Nikon, Semiconductor Lithography Systems Lineup: NSR-S220D.

[6] Canon, FPA-3030i5+

Wang X. et al., Materials Today, 67, 299–319 (2023). DOI: 10.1016/j.mattod.2023.05.027