文 | 祥说
编辑 | 祥说
介绍
扫描干涉光刻机移相锁定是实现大面积高精度全息光栅曝光拼接的关键之一。为了实现大面积高精度全息光栅高精度曝光拼接，针对扫描干涉光刻机步进扫描拼接轨迹，重点开展了移相锁定系统的研究。
在零差移频式相位锁定分系统和外差利特罗式光栅位移测量干涉仪的基础上，阐述了扫描干涉光刻机的新型移相锁定系统原理。针对新型的移相锁定系统原理，构建了移相锁定控制系统实验装置。
最后,基于移相锁定控制实验装置，针对移相锁定定位性能，开展了移相锁定定位控制实验以及影响控制精度的因素分析。
实现了士3.27 nm(36 A=251nm)的定位控制精度；针对移相跟踪控制性能，在移相跟踪控制精度实验分析的基础上，利用陷阱滤波&PID控制实现了士417nm(36 A=251 nm)的跟踪控制精度。
研究背景
大尺寸高精度全息平面光栅在193ArF浸没式步进扫描光刻机口可、惯性约束核聚变脉冲压缩装中具有重要应用。扫描干涉光刻机是制造大尺寸高精度全息平面光栅的最为关键的设计。
其基本原理是利用两束毫米级口径的高斯光束形成亚波长级干涉条纹，然后配合超精密工作台以步进扫描拼接方式将该干涉条纹记录于涂有光刻胶的基底上，进而实现大尺寸光栅的曝光。
麻省理工学院的SchattenGurg等人，提出了扫描干涉光刻原理并研制出了首台扫描干涉光刻机原型机。
影响扫描干涉光刻机曝光拼接精度的因素主要有干涉图形移相锁定误差：干涉图形的对准误差、周期测量误差和波前测量误差等，其中干涉图形移相锁定误差最为关键。
影响干涉图形相位锁定精度的主要原因有两方面，一是在实际扫描干涉光刻过程中诸如振动、温度变化、空气变化等引起的干涉图形的相位漂移；二是工作台有限的运动精度导致其轨迹在实际运动中偏离预设运动轨迹而引起不正确的曝光拼接。
Nanoruler采用外差型干涉图形相位锁定系统和双频激光干涉仪位移测量系统相配合，完成了干涉图形的相位漂移的抑制和工作台轨迹误差的补偿，从而实现了纳米级的干涉图形移相锁定精度。Nanoruler虽然扫描曝光拼接精度很高。
但是其系统方案也存在一定的局限性。例如，外差型干涉图形相位锁定系统和双频激光干涉仪位移测量系统环境敏感性很高，难以实现米级行程范围内纳米级曝光拼接精度，是制约扫描干涉光刻机制造米级平面光栅的主要瓶颈。
计算方法
2.1扫描干涉光刻移相锁定控制性能介绍
扫描干涉光刻曝光拼接过程是通过如图1所示的“蛇形”步进扫描拼接轨迹实现。图1中，干涉图形矢量方向平行于X方向，X是工作台的步进运动方向，Y是工作台的扫描运动方向。
扫描干涉光刻过程中，干涉图形受外界扰动的影响而发生漂移。同时，工作台沿X方向步进至下一扫描曝光位置时，X方向将产生运动误差，这将导致即将开始的扫描曝光过程相对上次扫描曝光过程整体发生错位。
从而影响两次扫描拼接的接缝精度。工作台做步进运动时，X方向的运动误差将作为指令输入至相位锁定系统，系统移动干涉图形相位并使它定位至预设位置，从而确保两次扫描拼接的接缝精度。
因此，系统移相定位锁定工作台步进轨迹X方向误差的能力是扫描干涉光刻实现高精度拼接的关键性能。工作台沿Y向做扫描运动时，X方向的运动误差将作为指令输入至相位锁定系统。
系统通过移动干涉图形相位跟踪补偿扫描过程中X方向的运动误差来实现高精度单次扫描拼接。因此，系统移相跟踪锁定扫描过程中工作台X方向运动误差的能力是扫描干涉光刻实现高精度拼接的另一关键性能。
2.2工作台的运动误差
X1和X2平面光栅和对应的光栅干涉仪阵列用于测量工作台X方向位移和偏航转角Oz,Y1和匕平面光栅和对应的光栅干涉仪阵列用于测量工作台Y方向位移。组光栅干涉仪阵列中间为干涉图形。
工作台相对于干涉图形在XOY面内做步进扫描曝光时，通过同组光栅干涉仪之间的接力来保证工作台的位移始终能够被测量岀来。工作台根据测量反馈值进行精密运动控制,然后输岀运动误差用于移相锁定。
实际上受限于装调精度，干涉图形的坐标系与工作台坐标系之间存在很小的夹角a(mrad量级)，需要将工作台坐标系的运动误差转换至干涉图形坐标下的运动误差方能确定拼接误差。图3所示为工作台坐标系与干涉图形坐标系之间的关系。
2.3移相锁定控制原理
扫描干涉光刻机以图1中的“蛇形”步进扫描轨迹实现大尺寸光栅的曝光拼接。为实现高精度相位拼接，需要干涉图形相位锁定系统进行补偿的是工作台步进运动和扫描运动中的X。方向的误差。
另外，由于相位锁定系统不具备补偿偏航转角误差的功能，因此，工作台需要自身进行偏航转角误差的控制以满足高精度曝光拼接的需求。
2.4移相锁定实验装置设计
目前，新型扫描干涉光刻整机尚未完全搭建岀来，暂时得不到利用外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统进行控制的工作台的运动误差。
但本文利用PI微动台模拟运动误差，利用外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统测量该模拟运动误差，进而利用配合已构建的相位锁定系统来模拟扫描干涉光刻移相锁定功能。图5所示为模拟扫描干涉光刻移相锁定功能的实验装置。
移相锁定实验装置包含零差移频式相位锁定系统和外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统，光学和机械结构见于文献干涉图形锁定系统控制硬件架构和外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统的数据采集硬件架构均是基于VME控制总线实现的。
主要包括上位机、单板计算机、HRPMI电子部件（接收器和数据采集卡）、并行I/O板卡、VME机箱、频率合成器、功率放大器和ZYGO ZMI4104C相位卡。
单板计算机、并行I/O板卡以及ZMI 4104C安装于VME机箱的背板上，数据采集卡通过PMC插槽安装在单板计算机上。
2.5工作台运动误差模拟
实际步进运动中，工作台沿X方向的误差量级在50nm左右,当工作台由当前曝光位置步进至下一曝光位置时，相位锁定系统根据X,方向的误差移动干涉图形使工作台在位置停止处获取正确的干涉图形相位。
这个过程相当于将稳定在当前位置的干涉图形迅速移动至下一位置并实现稳定，阶跃运动能够较好地模拟该过程。为了模拟多次阶跃过程的定位能力，设置工作台步进运动时X。方向的误差为峰峰值约50 nm、频率为1 Hz的方波曲线运动。
让实验装置中的微动台以该方波曲线运动，则外差光栅干涉仪测量系统的输岀值（模拟工作台步进运动时X"方向误差）如图6所示。实际扫描曝光过程中，工作台X,方向的误差量级约为100 nm左右。
误差最高阶谐波频率约为13为能够更为真实地模拟扫描曝光过程X"方向的运动误差，本文假设扫描轨迹X,方向的误差是频率为30 Hz、峰值为100 nm的正弦型曲线。
让微动台以该正弦型曲线运动，则外差光栅干涉仪测量系统的输岀值（模拟工作台扫描运动时X,方向误差）如图7所示。
2.6移相定位锁定控制实验
将图6中的频率约为1 Hz、峰峰值约为50 nm的方波轨迹误差输入至相位锁定系统，利用PID控制进行移相定位锁定控制实验，调试至较优的PID参数，得到如图8所示的移相定位锁定控制结果(实际控制了4 s,为清晰表达图中仅显示了2 s)。
图8结果显示，锁定系统能在自身锁定的同时快速移动干涉图形补偿工作台步进运动时X,方向的误差，且能够连续实现移相定位锁定控制。
对图8中的移相定位锁定控制结果进行处理，得到了如图9所示的移相定位锁定控制误差。图9中数据的标准差a=1.09 nm(=251 nm)，采用3a值度量误差，则移相定位锁定控制误差为士3.27 nm(3cj，A=251 nm)
结论
本文基于所提岀的新型零差移频式干涉图形相位锁定分系统及平面光栅干涉仪位移测量分系统，开展了新型扫描干涉光刻机的超精密移相锁定系统研究，设计并实现了移相锁定控制实验装置。
并实现了士3.27nm(3o,A=251 nm)的移相锁定定位控制精度和士4.17 nm(3c,A=251nm)的移相锁定跟踪控制精度，为未来新型扫描干涉光刻机的移相锁定控制奠定了重要基础。
下一步将针对构建岀的扫描干涉光刻机开展移相定位锁定控制和移相跟踪锁定控制的研究。
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