激光指向穩(wěn)定在光刻系統(tǒng)應用中的關鍵作用及其優(yōu)化方案

光刻是半導體制造工藝中的核心之一，極紫外光刻技術作為新一代光刻技術也處于快速發(fā)展階段。其基本原理是利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光后因光化學反應而形成耐蝕性的特點，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。光刻半導體芯片二氧化硅的主要步驟包括涂布光致抗蝕劑、套準掩模板并曝光、用顯影液溶解未感光的光致抗蝕劑層、用腐蝕液溶解掉無光致抗蝕劑保護的二氧化硅層，以及去除已感光的光致抗蝕劑層。

在光刻系統(tǒng)中，激光的指向穩(wěn)定非常重要，會直接影響光刻的圖形準確性和一致性。影響光束指向穩(wěn)定的主要因素有三個，分別是激光器本身的位置偏移，處于不同基座上的激光器和照明系統(tǒng)之間的振動差異性以及傳輸過程中的光學系統(tǒng)的擾動。這些擾動會對光刻的質量造成嚴重影響。

首先，激光指向的穩(wěn)定性對于確保圖形的精確刻蝕至關重要。在光刻過程中，激光束需要精確地照射到硅片上的特定區(qū)域，以實現(xiàn)圖形的準確轉移。如果激光指向不穩(wěn)定，會導致圖形位置偏移、尺寸變化等問題，嚴重影響產品的質量和性能。

其次，激光指向的穩(wěn)定性還關系到光刻的重復性和一致性。在半導體制造中，往往需要對大量的硅片進行光刻處理，這就要求光刻過程具有高度的可重復性和一致性。如果激光指向不穩(wěn)定，每次光刻的結果都會有所差異，導致產品批次間的性能不一致，增加了制造難度和成本。

因此，激光指向的穩(wěn)定性在不斷提升的精度要求下顯得尤為重要。

我們可以通過減小振動和降低溫度變化等方式實現(xiàn)光束的相對穩(wěn)定，但這只是一種被動的補償方式，而且無法徹底規(guī)避這些干擾。對此，可以通過一套主動的補償系統(tǒng)，當光束發(fā)生偏移之后通過調整光路將其轉向回來，對環(huán)境的要求就顯得沒有那么苛刻。

來自TEM公司的Aligna激光束指向穩(wěn)定系統(tǒng)可以非常好的解決和實現(xiàn)上述功能。該系統(tǒng)由兩個快速反射鏡（FSM），一個位置探測器（PSD）和一個控制機箱組成。FSM的偏轉通過將電動馬達和壓電陶瓷進行結合，可以同時保證了快速反射鏡的大量程和高精度，配合高分辨率的位置探測器（PSD），系統(tǒng)總精度可達到亞微米量級。除此之外，響應時間對于需要激光束實時穩(wěn)定的系統(tǒng)而言也是至關重要的，優(yōu)秀的算法可以將其限制在0.2ms范圍，閉環(huán)帶寬超過5KHZ。

下圖為光束探測及其穩(wěn)定系統(tǒng)示意圖。激光經(jīng)過兩個快反鏡R1和R2之后入射到分束鏡BS1上，其中透射光用于后續(xù)的實驗和正常使用，少量反射光將進入PSD中，用于光束探測。PSD是一種基于半導體PN結橫向光電響應的光電器件，根據(jù)入射光斑的質心輸出電壓，兩個PSD分別用于檢測光束的位置偏移和角度偏移，控制器檢測到偏移信息后經(jīng)過算法將反饋信息給到FSM，控制FSM的旋轉，實現(xiàn)對主光束的指向糾偏。

下圖為使用該系統(tǒng)前后的光斑位置偏移情況，可以明顯看到在該系統(tǒng)工作之前光斑的位置是不穩(wěn)定的，有較大偏移；而在系統(tǒng)開始工作之后，光斑位置基本被控制在原點附近，位置穩(wěn)定性顯著提高。