[編者按] 光刻機(jī)是制造芯片的核心裝備，提升光刻機(jī)的研發(fā)制造能力，對國產(chǎn)芯片發(fā)展進(jìn)步至關(guān)重要。光刻機(jī)涉及多項復(fù)雜的先進(jìn)技術(shù)，中國工程院譚久彬院士在《儀器儀表學(xué)報》2023年3期發(fā)表《超精密測量是支撐光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的基石》一文，文章對超精密測量技術(shù)在光刻機(jī)制造中的重要作用進(jìn)行了闡述。

譚久彬簡介：中國工程院院士、國家計量戰(zhàn)略專家委員會委員、中國儀器儀表學(xué)會副理事長、哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器工程研究院院長。

超精密測量是支撐光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的基石

譚久彬

摘要：光刻機(jī)是尖端裝備的珠穆朗瑪峰。超精密測量是支撐光刻機(jī)產(chǎn)品研發(fā)與制造，保證光刻機(jī)產(chǎn)品制造精度等級與質(zhì)量水平的基石。本文綜述了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，從零部件、分系統(tǒng)、整機(jī)集成、整機(jī)性能層面闡述了超精密測量對光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展的支撐作用。分析了光刻機(jī)產(chǎn)品精密能力提升的途徑和超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測量體系建立的必要性，包括管控超精密光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量的工業(yè)測量體系和管控光刻機(jī)產(chǎn)品工業(yè)測量體系量值準(zhǔn)確可靠的計量體系。提出了建設(shè)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心的必要性。

關(guān)鍵字：光刻機(jī)；超精密測量；工業(yè)測量體系；計量體系；計量測試中心

1、引    言

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)處于高端裝備制造鏈的頂端，既是技術(shù)鏈的頂端，又是價值鏈的頂端；光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展不僅會直接拉動芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且會極大地牽動整個高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，是大國必爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。要打造一個有牽動力和競爭力的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)，首先必須打造光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量零部件產(chǎn)品的制

造鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，這是光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。超精密光刻機(jī)制造精度等級與質(zhì)量水平，決定了我國超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)和整個高端裝備制造業(yè)的核心競爭力。要成功研發(fā)與制造光刻機(jī)產(chǎn)品，并不斷提高光刻機(jī)產(chǎn)品制造精度等級與質(zhì)量水平，就必須首先完成系統(tǒng)的超精密測量能力建設(shè)。沒有系統(tǒng)的超精密測量整體能力支撐，就不可能制造出質(zhì)量合格的光刻機(jī)產(chǎn)品；即便勉強(qiáng)研發(fā)出光刻機(jī)樣機(jī)，也很難產(chǎn)業(yè)化，也就是說，沒有超精密測量能力，就無法生產(chǎn)出質(zhì)量合格的超精密光刻機(jī)產(chǎn)品，即無法滿足超精密、高性能、高穩(wěn)定性、高可靠性和長壽命等要求。系統(tǒng)的超精密測量整體能力建設(shè)是支撐光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量的基石，是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。超精密測量能力建設(shè)處于基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性地位，必須優(yōu)先發(fā)展。

2、光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢

2.1、光刻機(jī)是人類制造史上精度和性能水平最高的機(jī)器

超精密光刻機(jī)被譽(yù)為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，是人類制造史上精度和性能水平最高的機(jī)器。其精度和性能已經(jīng)接近人類超精密制造在現(xiàn)階段的精度極限和性能極限。光刻機(jī)的工作原理是，采用類似照相機(jī)原理的方式，把掩模板上的集成電路等精細(xì)圖形通過物鏡系統(tǒng)按比例縮小，成像到硅片上；然后使用化學(xué)方法顯影，再經(jīng)過離子束刻蝕，得到刻在硅片上的集成電路等精細(xì)圖形[1]。超精密光刻機(jī)是在超精密量級上把最先進(jìn)的光、機(jī)、電、控等十幾個至幾十個分系統(tǒng)，幾萬個乃至十幾萬個零部件集成在一起，通過及其復(fù)雜和嚴(yán)密的超精密測控系統(tǒng)，使光刻機(jī)的十幾個至幾十個分系統(tǒng)高精度和高性能協(xié)同工作。它是人類裝備制造史上復(fù)雜程度最高、技術(shù)難度最大、制造精度最高、綜合性能最強(qiáng)的尖端超精密裝備。它在高速和高加速度下，達(dá)到納米級的同步精度、單機(jī)套刻精度和匹配套刻精度等，這與傳統(tǒng)的精度提升環(huán)境完全不同。精度和性能是超精密光刻機(jī)的生命，其精度和性能提升一點(diǎn)點(diǎn)，通常都要付出幾倍，乃至十幾倍的代價。

2.2、現(xiàn)有光刻機(jī)是集成全球超精密制造和測量能力的高精尖技術(shù)的結(jié)晶

由于光刻機(jī)制造與集成難度極大，目前全世界只有少數(shù)幾家公司能夠研制和生產(chǎn)。光刻機(jī)主要以荷蘭ASML，日本Nikon和Canon三大品牌為主，而最高端EUV光刻機(jī)僅有ASML一家公司有能力制造。其中用于7nm節(jié)點(diǎn)制程的EUV光刻機(jī)擁有10萬多個光機(jī)零件，涉及上游5000多家供應(yīng)商。這些零部件對精度、性能和可靠性的要求極高，只有發(fā)揮供應(yīng)鏈上所有頂尖制造商的技術(shù)優(yōu)勢，確保全部零部件都滿足設(shè)計要求，達(dá)到驗收標(biāo)準(zhǔn)，最終超精密光刻機(jī)才有可能研發(fā)成功。

超精密光刻機(jī)不僅依賴全球超精密制造能力，同時依賴全球尖端的超精密測量的能力，如光刻機(jī)主要零件加工中的超精密測量、部件集成調(diào)試中的超精密測量、分系統(tǒng)集成調(diào)試中的超精密測量、整機(jī)集成調(diào)試中的超精密測量、整機(jī)性能調(diào)試中的超精密測量和嵌入光刻裝備內(nèi)部的數(shù)以千計的超精密測量單元及傳感器，涉及幾何、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等多學(xué)科的、種類繁雜的幾十萬個指標(biāo)參數(shù)。需要通過超精密測量手段，對每一個指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測量，對每一個零件、部件、分系統(tǒng)、整機(jī)的精度與性能進(jìn)行層層管控。目前，用于最先進(jìn)EUV超精密光刻機(jī)測量的通用儀器和專用儀器有1000多種。超精密測量能力是光刻機(jī)制造和運(yùn)行水平的集中體現(xiàn)。

2.3、國內(nèi)外光刻機(jī)市場需求

2022年，前三大ASML、Nikon、Canon的集成電路用光刻機(jī)出貨達(dá)超過500臺，達(dá)到551臺，較2021年的478臺增加73臺，漲幅為15%。而2021年，全球光刻機(jī)產(chǎn)品出貨量達(dá)650臺，其中集成電路制造用光刻機(jī)出貨約500臺，占比77%；面板、LED用光刻機(jī)出貨約150臺，占比23%。目前，全球光刻機(jī)市場的主要供貨企業(yè)是荷蘭的ASML，日本Nikon和日本佳能Canon三家，三家企業(yè)的合計市場份額占到了全球光刻機(jī)市場的90%以上。前三大企業(yè)ASML、Nikon、Canon的集成電路用光刻機(jī)出貨達(dá)478臺，較2020年的413臺增加了65臺，增幅為15.74%。從EUV光刻機(jī)、浸沒式ArF光刻機(jī)、干式ArF光刻機(jī)三個高端機(jī)型的出貨來看，2021年共出貨152臺，較2020年的143臺增長6.29%。其中ASML出貨145臺，占有95.4%的市場，較2020年增加10.4個百分點(diǎn)；Nikon出貨7臺，占有4.6%的市場，較2020年15%減少10.4個百分點(diǎn)。

在EUV光刻機(jī)方面，仍然是ASML獨(dú)占鰲頭，市場占有率高達(dá)100%；在浸沒式ArF光刻機(jī)方面，ASML市場占有率高達(dá)96%，較2020年增加10個百分點(diǎn)；在干式ArF方面ASML市場占有率達(dá)88%，較2020年增加21%；在KrF光刻機(jī)方面，ASML也是占據(jù)75%的市場份額，較2020年增加4個百分點(diǎn)；在i線光刻機(jī)方面，ASML也有21.71%的市場份額。2020年全球光刻機(jī)出貨量為583臺，2021年達(dá)650臺，同比增長11.49%。

國內(nèi)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)尚屬于初期階段，雖未形成體系，但已形成一定規(guī)模，支撐著低端光刻機(jī)、各類專用光刻機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)，同時支撐著部分高端光刻機(jī)的研發(fā)。國產(chǎn)光刻機(jī)未來有相當(dāng)大的發(fā)展空間。2022年中國低端光刻機(jī)行業(yè)（后道封裝光刻機(jī)、手動或半自動接觸式光刻機(jī)等）產(chǎn)量95臺，預(yù)計2028年該類光刻機(jī)產(chǎn)量有望達(dá)到373臺。隨著第三次全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，國內(nèi)晶圓廠投資加速，光刻機(jī)作為新建晶圓廠的核心資本支出，市場空間進(jìn)一步打開。28nm作為當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)，工藝制程從90nm突破至28nm，對于國產(chǎn)替代具有重大戰(zhàn)略意義。受益于5G時代、AI、自動駕駛等技術(shù)的普及與對芯片的迫切需求，我國光刻機(jī)市場需求有望在未來幾年持續(xù)強(qiáng)勁增長。2022年中國光刻機(jī)市場需求為652臺，2028年預(yù)計市場需求在1210臺左右。

3、 超精密測量是支撐光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量提升的基石

成體系的超精密測量能力是光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量有效管控與質(zhì)量提升的基礎(chǔ)能力與核心能力。光刻機(jī)產(chǎn)品制造鏈主要包括零件制造、部件集成、分系統(tǒng)集成、整機(jī)集成，整機(jī)性能調(diào)試、試驗線上考核試驗和產(chǎn)品在役監(jiān)測等，在這個全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期過程中，對超精密測量的需求無處不在、無時不在。

3.1、零部件層面的超精密測量

在光刻機(jī)零部件制造層面，以光刻機(jī)硅片臺核心零件微晶方鏡的制造為例來考察超精密測量的不可替代性。該零件用于光刻機(jī)硅片臺對晶圓的承載，同時也是甚多軸激光干涉儀的目標(biāo)反射鏡。對微晶方鏡的加工精度特別是反射面面形精度、各反射面間的位置精度、微晶方鏡整體剛度、模態(tài)、輕量化等都具有極高的要求。該零件包含108項尺寸公差和62項形狀/位置/方向公差要求，需要20余種通用及專用測量儀器，才能完成這一個零件的測量。

以光刻機(jī)投影物鏡中主透鏡元件為例，透鏡面形精度要求從亞納米級達(dá)到了皮米級，例如低頻面形精度RMS要求從早期的0.35nm發(fā)展為現(xiàn)在的75pm（1nm=1000pm），中頻面形精度RMS要求從0.25nm發(fā)展為80pm，高頻粗糙度RMS要求從0.3nm發(fā)展為100pm。低頻面形精度影響投影物鏡的波像差，中頻面形精度影響投影物鏡的眩光和光刻圖案對比度，而高頻粗糙度則與投影物鏡的光能損失有關(guān)。對于透鏡面形的測量精度要求則更加的嚴(yán)苛，其測量重復(fù)性誤差RMS需求達(dá)到10pm，EUV光刻機(jī)物鏡需要實(shí)現(xiàn)在450mm口徑內(nèi)達(dá)到50pm面形精度，這相當(dāng)于在德國整個國土面積上（直徑約850km），土地平整度為0.15mm。

3.2、分系統(tǒng)層面的超精密測量

在光刻機(jī)分系統(tǒng)層面，以光刻機(jī)運(yùn)動臺分系統(tǒng)為例，雙工件臺與掩模臺系統(tǒng)是光刻機(jī)三大核心分系統(tǒng)之一，其運(yùn)動性能直接影響光刻機(jī)的曝光精度和產(chǎn)率。對于45nm節(jié)點(diǎn)光刻機(jī)，工件臺與掩模臺在m/s級運(yùn)動速度下的同步運(yùn)動誤差需達(dá)到3nm[7]，這相當(dāng)于兩架波音747飛機(jī)在以1000km/h飛行時，兩架飛機(jī)之間的相對位置差小于1μm。工件臺和掩模臺的同步運(yùn)動精度主要通過甚多軸（＞20軸）激光干涉儀來保證。只有激光干涉儀的動態(tài)測量精度達(dá)到10nm，才能支撐90nm光刻機(jī)的研發(fā)；只有激光干涉儀的動態(tài)測量精度達(dá)到1nm量級，才能支撐7nm光刻技術(shù)的研發(fā)。除三維線位移之外，運(yùn)動臺三維姿態(tài)角度的超精密測量同樣由甚多軸激光干涉儀完成。對于45nm光刻節(jié)點(diǎn)，要求激光干涉儀在m/s級運(yùn)動速度、幾個g到幾十個g加速度下的動態(tài)角度測量精度需要優(yōu)于100nrad；同時，為了支撐運(yùn)動控制系統(tǒng)的高精度和高效調(diào)節(jié)，45nm光刻機(jī)節(jié)點(diǎn)要求激光干涉儀的位移測量分辨力優(yōu)于0.6nm、角度分辨力優(yōu)于30nrad、數(shù)據(jù)更新率達(dá)到20MHz、任意測量軸之間的時延差異小于1ns；在目前頂尖的EUV光刻機(jī)中，激光干涉儀的有效位移測量分辨力已經(jīng)達(dá)到驚人的38pm。此外，作為光刻機(jī)的嵌入式核心測量單元，激光干涉儀還需要具有封閉式自校準(zhǔn)的手段和功能，從而在光刻機(jī)內(nèi)部或多臺光刻設(shè)備之間構(gòu)建起穩(wěn)定一致的量值溯源體系。

以光刻機(jī)環(huán)控系統(tǒng)為例，在光刻過程中，環(huán)控分系統(tǒng)將電機(jī)運(yùn)動、光源曝光產(chǎn)生的熱量及時轉(zhuǎn)移到外界，保證關(guān)鍵區(qū)域溫度、相對濕度、壓力的穩(wěn)定性，同時維持整機(jī)內(nèi)部的潔凈度。EUV光刻機(jī)中每秒需要4000L水用于精確控制冷卻激光器溫度，關(guān)鍵區(qū)域的溫度測量與控制精度要達(dá)到mK 量級，相對濕度的測量與控制精度達(dá)到1%RH量級。光刻機(jī)工作時所需的無塵環(huán)境要求非常高，如1m3內(nèi)直徑0.1μm的粒子不超過10個。如果將1m3等比例放大到整個太平洋，粒子等效成其中的魚，那么，最大的魚的體積為3.7L且不超過10尾。為了滿足光刻機(jī)超潔凈的需求，環(huán)控分系統(tǒng)的最小可探測的粒子直徑必須達(dá)到0.1μm量級。

3.3、整機(jī)集成層面的超精密測量

光刻機(jī)整機(jī)集成方面，首先要考慮超精密測量框架，它是光刻機(jī)整機(jī)的裝配基準(zhǔn)、運(yùn)動基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)，直接決定了光刻機(jī)整機(jī)精度與性能。其次要考慮隔微振系統(tǒng)，它用于抑制運(yùn)動臺高速、高加速運(yùn)動產(chǎn)生的沖擊和振動，并隔離地基傳遞上來的各類振動，為超精密測量框架提供超靜內(nèi)部環(huán)境，是光刻機(jī)工作精度與性能生成的必要保障。隔微振系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括：固有頻率、振動傳遞率、響應(yīng)時間、調(diào)平精度等指標(biāo)。其中固有頻率和振動傳遞率主要用于衡量對地基振動的隔離能力，響應(yīng)時間和調(diào)平精度主要用于衡量對負(fù)載直接擾動的抑制能力。對于45nm節(jié)點(diǎn)光刻機(jī)，為了滿足運(yùn)動臺運(yùn)動平均誤差<3 nm，運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)誤差<6 nm等指標(biāo)，內(nèi)部框架殘余振動的功率譜密度要求須小于10-9~10-10量級，對應(yīng)隔微振系統(tǒng)固有頻率優(yōu)于0.5Hz，在10Hz處振動傳遞率達(dá)到–40dB以上。這相當(dāng)于把喧囂嘈雜的鬧市區(qū)環(huán)境噪聲降低至靜謐安逸的圖書館等級。

3.4、整機(jī)性能層面的超精密測量

在整機(jī)性能層面，為了高效、精確地將掩模板上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片上，光刻機(jī)整機(jī)需在各分系統(tǒng)性能滿足指標(biāo)需求的前提下，根據(jù)芯片工藝制程約束對各分系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同調(diào)控。在充分發(fā)揮各分系統(tǒng)精度與性能，使其達(dá)到極致的基礎(chǔ)上，確保芯片的產(chǎn)率和良率。

從光刻機(jī)流程調(diào)控方面看，為了實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)工作時序的緊密銜接，必須采用統(tǒng)一、精準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)。例如硅片傳輸系統(tǒng)與運(yùn)動臺需要精準(zhǔn)的時序配合才能實(shí)現(xiàn)安全、高速的上下片操作，其時間精度需達(dá)到1μs。從精度性能調(diào)控方面看，對準(zhǔn)系統(tǒng)、調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)與運(yùn)動臺系統(tǒng)需在高動態(tài)運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的同步傳輸，其時間精度需達(dá)到10ns。同時，調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)獲得的硅片形貌信息要精準(zhǔn)地映射到運(yùn)動臺系統(tǒng)，進(jìn)而完成整機(jī)軌跡規(guī)劃，由運(yùn)動臺快速精準(zhǔn)調(diào)控實(shí)現(xiàn)對不平整硅片表面的信息補(bǔ)償。從工藝參數(shù)性能調(diào)控方面看，光源與照明、物鏡、運(yùn)動臺、光刻對準(zhǔn)等分系統(tǒng)的協(xié)同更為緊密，整機(jī)軟件需根據(jù)光源功率、物鏡畸變、硅片形貌實(shí)時調(diào)整運(yùn)動臺軌跡。通過曝光劑量調(diào)控、運(yùn)動補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)在給定工藝參數(shù)下的掃描曝光流程，最大限度地提高芯片良率。同時，環(huán)控分系統(tǒng)除了給其他分系統(tǒng)提供基礎(chǔ)保障之外，也需緊密參與協(xié)同工作。例如，運(yùn)動臺分系統(tǒng)需根據(jù)溫度、壓力、濕度乃至流場的超精密測量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)光程信息；物鏡分系統(tǒng)需根據(jù)溫度、振動等超精密測量數(shù)據(jù)驅(qū)動內(nèi)部可動鏡組實(shí)現(xiàn)動態(tài)波相差調(diào)節(jié)。

3.5、測量儀器的計量校準(zhǔn)與量值溯源

測量儀器是光刻機(jī)各環(huán)節(jié)性能指標(biāo)定量化的設(shè)備，測量儀器的準(zhǔn)確性將直接決定光刻機(jī)各環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)。光刻機(jī)由幾萬至十幾萬個零件組成，涉及全球范圍內(nèi)的幾千家供應(yīng)商。為保證各個供應(yīng)商之間產(chǎn)品的性能一致性與同類產(chǎn)品的互換性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)等有關(guān)組織機(jī)構(gòu)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，把國際計量局(BIPM)建立的計量單位基準(zhǔn)量值傳遞給測量儀器，保證計量單位基準(zhǔn)量值在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確一致，進(jìn)而保證產(chǎn)品之間的性能一致性與同類產(chǎn)品的互換性。測量儀器只有在規(guī)定的時間周期內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，方可確定測量儀器相應(yīng)示值與測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值之間的確定關(guān)系，才能保證測量儀器的測量結(jié)果在一定范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性與可靠性。測量儀器校準(zhǔn)過程中的計量溯源鏈長短決定測量儀器的精度水平和效率。

測量儀器校準(zhǔn)過程中，如果能夠直接溯源到國際單位制七個基本量定義，將是計量溯源鏈最短的校準(zhǔn)過程，也將是精度等級最高的校準(zhǔn)結(jié)果。因此，要提高光刻機(jī)全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期中專用超精密測量儀器的精度水平，應(yīng)盡量采用計量溯源鏈最短的校準(zhǔn)過程。特別是，超精密光刻機(jī)全生命周期中的部分關(guān)鍵核心指標(biāo)已接近超精密裝備現(xiàn)階段工作精度與性能的極限，而其對應(yīng)的測量儀器均為專用超精密測量儀器，其校準(zhǔn)時需要直接向國際單位制七個基本量定義溯源。只有這樣才能確保其測量結(jié)果的準(zhǔn)確度達(dá)到要求，進(jìn)而保證光刻機(jī)工作狀態(tài)下的精度與性能指標(biāo)準(zhǔn)確可靠。

4、 光刻機(jī)產(chǎn)品精密測量能力提升的途徑

光刻機(jī)產(chǎn)品精密測量能力快速提升的途徑是，建立一個面向光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期，能全面有效監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的專業(yè)化超精密測量機(jī)構(gòu)，同時建立能全面有效對所有超精密測量儀器、檢測工裝、嵌入式測量系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行高效率計量校準(zhǔn)的計量機(jī)構(gòu)，這兩個機(jī)構(gòu)可以合二為一。這個合二為一的技術(shù)機(jī)構(gòu)就是光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心。

該中心的使命是，圍繞光刻機(jī)產(chǎn)品全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全壽命周期的超精密測量與計量校準(zhǔn)需求，將計量測試融入到光刻機(jī)設(shè)計、試驗、生產(chǎn)、使用、維護(hù)等全過程，促進(jìn)和保障光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。該中心具有基礎(chǔ)支撐性和技術(shù)先導(dǎo)性，即，可起到光刻機(jī)零部件、分系統(tǒng)和整機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量檢測與質(zhì)量調(diào)控的基礎(chǔ)保障作用；同時，充分發(fā)揮計量測試中心技術(shù)先導(dǎo)優(yōu)勢，可引領(lǐng)光刻機(jī)技術(shù)不斷迭代與創(chuàng)新。

4.1、制造鏈上超精密測量能力建設(shè)

在光刻機(jī)零部件生產(chǎn)制造階段，計量測試作為“工業(yè)生產(chǎn)的眼睛”，是實(shí)現(xiàn)制造工藝過程控制的技術(shù)基礎(chǔ)。超精密測量能力與質(zhì)量調(diào)控能力不僅影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，也影響著生產(chǎn)效益；即便是在原材料的制造過程中，超精密測量能力與質(zhì)量調(diào)控能力同樣會直接影響到原材料性能、質(zhì)量與生產(chǎn)效益。以運(yùn)動臺分系統(tǒng)中的直線電機(jī)為例，其制造過程涉及磁鋼的加工、充磁、裝配、線圈繞制、膠封、裝配、水冷板的加工、裝配等復(fù)雜工序。為了保證直線電機(jī)的出力特性和熱特性需求，在出廠前必須對電機(jī)的峰值力、持續(xù)力、波動力、表面溫升及電磁輻射等指標(biāo)進(jìn)行精確測試，其中力值測量精度需達(dá)到0.5N，溫度精度需達(dá)到0.1K。

由此可見，光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心面向所有光刻機(jī)零部件超精密和超性能制造需求，能完成數(shù)以幾十萬計的幾何學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等各類物理參數(shù)和工程參數(shù)測量，建立功能完善、精確可靠的工業(yè)測量體系和計量校準(zhǔn)體系，滿足光刻機(jī)零部件生產(chǎn)制造質(zhì)量與生產(chǎn)效益的需求。

4.2、產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)品超精密測量能力建設(shè)

在光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈方面，光刻機(jī)研制嚴(yán)重依賴如光源與照明、物鏡等核心上游產(chǎn)品。以ASML為例，其供應(yīng)商都是國際上相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量頂尖的供應(yīng)商。其中，鏡頭供應(yīng)商為德國卡爾-蔡司；極紫外光源供應(yīng)商為美國Cymer（被ASML收購）；機(jī)電設(shè)備供應(yīng)商為美國Sparton；微激光系統(tǒng)供應(yīng)商為美國磁谷光刻；污染控制與先進(jìn)材料供應(yīng)商為美國Entegris公司；儀表和控制系統(tǒng)供應(yīng)商為美國MKS Instruments公司；高階線材、PCB與整機(jī)組裝來自中國臺灣信邦電子公司。其下游產(chǎn)業(yè)主要為芯片生產(chǎn)線。在晶圓刻蝕的工藝中，以及晶圓刻蝕完成后的工藝中，需要對晶圓進(jìn)行多重多類檢測，如膜厚檢測、膜應(yīng)力檢測、關(guān)鍵尺寸檢測、光刻機(jī)套刻精度檢測、晶圓表面缺陷檢測等。

為滿足上游投影物鏡產(chǎn)品系統(tǒng)性能的檢測檢驗，需要研制專用測試平臺，并考慮不同型號物鏡的兼容性、集成與測試的便捷性。測試平臺的測試流程主要包括物鏡集成、系統(tǒng)整機(jī)上電、Set-up、波像差測試、畸變測試、NA測試、倍率測試、遠(yuǎn)心測試、透過率測試等。光刻機(jī)對投影物鏡系統(tǒng)的波像差要求不斷提高，從RMS=0.7nm到RMS=0.25nm，再到RMS=0.2nm。投影物鏡畸變的峰谷（PV）值需要控制在0.7 nm以內(nèi)，畸變檢測精度需要達(dá)到0.1nm。專用物鏡測試臺的精度要求也不斷提升。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心面向國內(nèi)外眾多供應(yīng)商提供的光機(jī)電控算各類產(chǎn)品的質(zhì)量與性能需求，能完成數(shù)以幾十萬計的各類物理參數(shù)和工程參數(shù)測量，建立功能完善、精確可靠的檢驗檢測體系和計量校準(zhǔn)體系，具備對所有供應(yīng)商提供的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗檢測的能力。

4.3、光刻機(jī)產(chǎn)品在役測量能力建設(shè)

在光刻機(jī)在役使用階段，用戶將根據(jù)工藝制程參數(shù)對芯片量產(chǎn)的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格在線控制。這要求光刻機(jī)必須實(shí)時獲得光刻機(jī)工作鏈上的無處不在的測量數(shù)據(jù)，再根據(jù)無處不在的精確測量數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，以確保無故障、高精度和高性能運(yùn)行；同時，根據(jù)無處不在的精確測量數(shù)據(jù)，對光刻機(jī)各個分系統(tǒng)進(jìn)行精度調(diào)控、性能調(diào)控和質(zhì)量調(diào)控。

具體而言，光刻機(jī)整機(jī)會根據(jù)芯片制造的工藝制程，采用數(shù)字孿生技術(shù)建立芯片質(zhì)量、產(chǎn)率與運(yùn)行數(shù)據(jù)的映射模型。在此基礎(chǔ)上一方面可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步調(diào)控工藝制造參數(shù)，保證量產(chǎn)芯片的質(zhì)量；另一方面，光刻機(jī)整機(jī)還可以對各分系統(tǒng)及關(guān)鍵零部件層開展健康監(jiān)測，根據(jù)預(yù)先制定的故障處理機(jī)制及時對漂移類故障在役校準(zhǔn)、補(bǔ)償或修復(fù)，對確定性故障進(jìn)行及時預(yù)警，確保光刻制程的產(chǎn)率、良率和安全性。

以運(yùn)動臺分系統(tǒng)為例，多自由度運(yùn)動臺中的多項幾何參數(shù)、運(yùn)動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)和質(zhì)量特性參數(shù)會在長時間工作過程中受振動沖擊、外界力干擾和熱力學(xué)干擾等的影響下發(fā)生漂移，導(dǎo)致運(yùn)動臺本身的測量解耦和出力分配精準(zhǔn)度下降，進(jìn)而影響運(yùn)動精度以及芯片的特征尺寸。這就需要整機(jī)系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將尺寸類參數(shù)在溯源至干涉儀測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適時的調(diào)整至出廠校準(zhǔn)狀態(tài)，確保光刻機(jī)的最佳性能。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心面向光刻機(jī)全生命周期中對工作精度、性能和可靠性需求，能完成數(shù)以萬計的在線工程參數(shù)測量，建立功能完善、精確可靠的嵌入式測量系統(tǒng)和嵌入式計量校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)處處精準(zhǔn)，時時精準(zhǔn)，滿足對光刻機(jī)整機(jī)產(chǎn)品在線工作狀態(tài)下的精準(zhǔn)可靠測量與可靠運(yùn)行的需求。

4.4、光刻機(jī)行業(yè)測量能力建設(shè)

光刻機(jī)測量體系建設(shè)是光刻機(jī)行業(yè)測量能力建設(shè)的首要任務(wù)。光刻機(jī)行業(yè)與各個領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)，我國的光刻機(jī)行業(yè)，特別是先進(jìn)制程的光刻機(jī)行業(yè)，尚處于發(fā)展的初期，部分相關(guān)人員對測量體系對光刻機(jī)行業(yè)能力的提升與促進(jìn)作用，還存在認(rèn)識嚴(yán)重不足的問題。因此，要解決光刻機(jī)的精度提升、性能提升和質(zhì)量提升問題，必須在其全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)和全生命周期中建立起各自的測量體系，這是解決上述問題的核心與關(guān)鍵。光刻機(jī)行業(yè)的測量體系必須做到，在光刻機(jī)產(chǎn)品全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)上和全生命周期中，“無處不測，無時不測；處處精準(zhǔn)，時時精準(zhǔn)”。

對光刻機(jī)工程測量儀器的計量校準(zhǔn)能力建設(shè)是我國光刻機(jī)行業(yè)測量能力建設(shè)的另一重要任務(wù)。光刻機(jī)產(chǎn)品工程測量儀器包括實(shí)驗室測量儀器、全制造鏈上的臨床測量儀器、在線測量儀器；全產(chǎn)業(yè)鏈上的檢驗檢測儀器；光刻機(jī)運(yùn)行時的嵌入式測量儀器、處理單元和傳感器系統(tǒng)等。所有這些數(shù)以萬計的光刻機(jī)產(chǎn)品工程測量儀器構(gòu)成了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)工程測量體系。另一方面，光刻機(jī)產(chǎn)品全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期中的各個環(huán)節(jié)所需要的所有工程測量儀器，均需保證其測量結(jié)果“處處精準(zhǔn)，時時精準(zhǔn)”。這些數(shù)以萬計的光刻機(jī)產(chǎn)品工程測量儀器的測量準(zhǔn)確度都必須由相對應(yīng)的數(shù)以千計的計量校準(zhǔn)儀器管控，所有這些數(shù)以千計的計量校準(zhǔn)儀器構(gòu)成了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量體系。上述兩個體系構(gòu)成了光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測量體系，或可稱之為計量測試體系。

5、結(jié)束語

1、要想研制出合格的超精密光刻機(jī)，特別是批量生產(chǎn)出合格的超精密光刻機(jī)產(chǎn)品，就必須建立起超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測量體系。該測量體系由兩部分構(gòu)成：一是能管控超精密光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量的工業(yè)測量體系；二是能管控光刻機(jī)產(chǎn)品工業(yè)測量體系量值準(zhǔn)確可靠的計量體系。

2、超精密測量是光刻機(jī)產(chǎn)品制造質(zhì)量管控與質(zhì)量提升的基石。當(dāng)前，我國普遍關(guān)注光刻機(jī)核心技術(shù)短板，而忽視了建立超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測量體系這一基礎(chǔ)與前提條件。建立超精密光刻機(jī)測量體系，必須把測量儀器、測量系統(tǒng)、傳感測量系統(tǒng)和管控它們的的計量校準(zhǔn)單元嵌入到超精密光刻機(jī)產(chǎn)品的制造鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和運(yùn)行中的光刻機(jī)產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)“無處不測，無時不測；處處精準(zhǔn)，時時精準(zhǔn)”。

3、建設(shè)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心是建立超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)測量體系的技術(shù)、條件和設(shè)施保障。加快建設(shè)超精密光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)計量測試中心是當(dāng)務(wù)之急。

參考文獻(xiàn)略