文 | 祥說
編輯 | 祥說
介紹
掃描干涉光刻機移相鎖定是實現大面積高精度全息光柵曝光拼接的關鍵之一。為了實現大面積高精度全息光柵高精度曝光拼接，針對掃描干涉光刻機步進掃描拼接軌跡，重點開展了移相鎖定系統的研究。
在零差移頻式相位鎖定分系統和外差利特羅式光柵位移測量干涉儀的基礎上，闡述了掃描干涉光刻機的新型移相鎖定系統原理。針對新型的移相鎖定系統原理，構建了移相鎖定控制系統實驗裝置。
最後,基於移相鎖定控制實驗裝置，針對移相鎖定定位性能，開展了移相鎖定定位控制實驗以及影響控制精度的因素分析。
實現了士3.27 nm(36 A=251nm)的定位控制精度；針對移相跟蹤控制性能，在移相跟蹤控制精度實驗分析的基礎上，利用陷阱濾波&PID控制實現了士417nm(36 A=251 nm)的跟蹤控制精度。
研究背景
大尺寸高精度全息平面光柵在193ArF浸沒式步進掃描光刻機口可、慣性約束核聚變脈衝壓縮裝中具有重要應用。掃描干涉光刻機是製造大尺寸高精度全息平面光柵的最為關鍵的設計。
其基本原理是利用兩束毫米級口徑的高斯光束形成亞波長級干涉條紋，然後配合超精密工作台以步進掃描拼接方式將該干涉條紋記錄於塗有光刻膠的基底上，進而實現大尺寸光柵的曝光。
麻省理工學院的SchattenGurg等人，提出了掃描干涉光刻原理並研製出了首台掃描干涉光刻機原型機。
影響掃描干涉光刻機曝光拼接精度的因素主要有干涉圖形移相鎖定誤差：干涉圖形的對準誤差、周期測量誤差和波前測量誤差等，其中干涉圖形移相鎖定誤差最為關鍵。
影響干涉圖形相位鎖定精度的主要原因有兩方面，一是在實際掃描干涉光刻過程中諸如振動、溫度變化、空氣變化等引起的干涉圖形的相位漂移；二是工作台有限的運動精度導致其軌跡在實際運動中偏離預設運動軌跡而引起不正確的曝光拼接。
Nanoruler採用外差型干涉圖形相位鎖定系統和雙頻激光干涉儀位移測量系統相配合，完成了干涉圖形的相位漂移的抑制和工作台軌跡誤差的補償，從而實現了納米級的干涉圖形移相鎖定精度。Nanoruler雖然掃描曝光拼接精度很高。
但是其系統方案也存在一定的局限性。例如，外差型干涉圖形相位鎖定系統和雙頻激光干涉儀位移測量系統環境敏感性很高，難以實現米級行程範圍內納米級曝光拼接精度，是制約掃描干涉光刻機製造米級平面光柵的主要瓶頸。
計算方法
2.1掃描干涉光刻移相鎖定控制性能介紹
掃描干涉光刻曝光拼接過程是通過如圖1所示的「蛇形」步進掃描拼接軌跡實現。圖1中，干涉圖形矢量方向平行於X方向，X是工作台的步進運動方向，Y是工作台的掃描運動方向。
掃描干涉光刻過程中，干涉圖形受外界擾動的影響而發生漂移。同時，工作台沿X方向步進至下一掃描曝光位置時，X方向將產生運動誤差，這將導致即將開始的掃描曝光過程相對上次掃描曝光過程整體發生錯位。
從而影響兩次掃描拼接的接縫精度。工作台做步進運動時，X方向的運動誤差將作為指令輸入至相位鎖定系統，系統移動干涉圖形相位並使它定位至預設位置，從而確保兩次掃描拼接的接縫精度。
因此，系統移相定位鎖定工作台步進軌跡X方向誤差的能力是掃描干涉光刻實現高精度拼接的關鍵性能。工作台沿Y向做掃描運動時，X方向的運動誤差將作為指令輸入至相位鎖定系統。
系統通過移動干涉圖形相位跟蹤補償掃描過程中X方向的運動誤差來實現高精度單次掃描拼接。因此，系統移相跟蹤鎖定掃描過程中工作台X方向運動誤差的能力是掃描干涉光刻實現高精度拼接的另一關鍵性能。
2.2工作台的運動誤差
X1和X2平面光柵和對應的光柵干涉儀陣列用於測量工作台X方向位移和偏航轉角Oz,Y1和匕平面光柵和對應的光柵干涉儀陣列用於測量工作台Y方向位移。組光柵干涉儀陣列中間為干涉圖形。
工作台相對於干涉圖形在XOY面內做步進掃描曝光時，通過同組光柵干涉儀之間的接力來保證工作台的位移始終能夠被測量岀來。工作台根據測量反饋值進行精密運動控制,然後輸岀運動誤差用於移相鎖定。
實際上受限於裝調精度，干涉圖形的坐標系與工作台坐標系之間存在很小的夾角a(mrad量級)，需要將工作台坐標系的運動誤差轉換至干涉圖形坐標下的運動誤差方能確定拼接誤差。圖3所示為工作台坐標系與干涉圖形坐標系之間的關係。
2.3移相鎖定控制原理
掃描干涉光刻機以圖1中的「蛇形」步進掃描軌跡實現大尺寸光柵的曝光拼接。為實現高精度相位拼接，需要干涉圖形相位鎖定系統進行補償的是工作台步進運動和掃描運動中的X。方向的誤差。
另外，由於相位鎖定系統不具備補償偏航轉角誤差的功能，因此，工作台需要自身進行偏航轉角誤差的控制以滿足高精度曝光拼接的需求。
2.4移相鎖定實驗裝置設計
目前，新型掃描干涉光刻整機尚未完全搭建岀來，暫時得不到利用外差利特羅式光柵干涉儀位移測量系統進行控制的工作台的運動誤差。
但本文利用PI微動台模擬運動誤差，利用外差利特羅式光柵干涉儀位移測量系統測量該模擬運動誤差，進而利用配合已構建的相位鎖定系統來模擬掃描干涉光刻移相鎖定功能。圖5所示為模擬掃描干涉光刻移相鎖定功能的實驗裝置。
移相鎖定實驗裝置包含零差移頻式相位鎖定系統和外差利特羅式光柵干涉儀位移測量系統，光學和機械結構見於文獻干涉圖形鎖定系統控制硬件架構和外差利特羅式光柵干涉儀位移測量系統的數據採集硬件架構均是基於VME控制總線實現的。
主要包括上位機、單板計算機、HRPMI電子部件（接收器和數據採集卡）、並行I/O板卡、VME機箱、頻率合成器、功率放大器和ZYGO ZMI4104C相位卡。
單板計算機、並行I/O板卡以及ZMI 4104C安裝於VME機箱的背板上，數據採集卡通過PMC插槽安裝在單板計算機上。
2.5工作台運動誤差模擬
實際步進運動中，工作台沿X方向的誤差量級在50nm左右,當工作台由當前曝光位置步進至下一曝光位置時，相位鎖定系統根據X,方向的誤差移動干涉圖形使工作台在位置停止處獲取正確的干涉圖形相位。
這個過程相當於將穩定在當前位置的干涉圖形迅速移動至下一位置並實現穩定，階躍運動能夠較好地模擬該過程。為了模擬多次階躍過程的定位能力，設置工作台步進運動時X。方向的誤差為峰峰值約50 nm、頻率為1 Hz的方波曲線運動。
讓實驗裝置中的微動台以該方波曲線運動，則外差光柵干涉儀測量系統的輸岀值（模擬工作台步進運動時X"方向誤差）如圖6所示。實際掃描曝光過程中，工作台X,方向的誤差量級約為100 nm左右。
誤差最高階諧波頻率約為13為能夠更為真實地模擬掃描曝光過程X"方向的運動誤差，本文假設掃描軌跡X,方向的誤差是頻率為30 Hz、峰值為100 nm的正弦型曲線。
讓微動台以該正弦型曲線運動，則外差光柵干涉儀測量系統的輸岀值（模擬工作台掃描運動時X,方向誤差）如圖7所示。
2.6移相定位鎖定控制實驗
將圖6中的頻率約為1 Hz、峰峰值約為50 nm的方波軌跡誤差輸入至相位鎖定系統，利用PID控制進行移相定位鎖定控制實驗，調試至較優的PID參數，得到如圖8所示的移相定位鎖定控制結果(實際控制了4 s,為清晰表達圖中僅顯示了2 s)。
圖8結果顯示，鎖定系統能在自身鎖定的同時快速移動干涉圖形補償工作台步進運動時X,方向的誤差，且能夠連續實現移相定位鎖定控制。
對圖8中的移相定位鎖定控制結果進行處理，得到了如圖9所示的移相定位鎖定控制誤差。圖9中數據的標準差a=1.09 nm(=251 nm)，採用3a值度量誤差，則移相定位鎖定控制誤差為士3.27 nm(3cj，A=251 nm)
結論
本文基於所提岀的新型零差移頻式干涉圖形相位鎖定分系統及平面光柵干涉儀位移測量分系統，開展了新型掃描干涉光刻機的超精密移相鎖定系統研究，設計並實現了移相鎖定控制實驗裝置。
並實現了士3.27nm(3o,A=251 nm)的移相鎖定定位控制精度和士4.17 nm(3c,A=251nm)的移相鎖定跟蹤控制精度，為未來新型掃描干涉光刻機的移相鎖定控制奠定了重要基礎。
下一步將針對構建岀的掃描干涉光刻機開展移相定位鎖定控制和移相跟蹤鎖定控制的研究。
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