激光指向稳定在光刻系统应用中的关键作用及其优化方案

光刻是半导体制造工艺中的核心之一，极紫外光刻技术作为新一代光刻技术也处于快速发展阶段。其基本原理是利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。光刻半导体芯片二氧化硅的主要步骤包括涂布光致抗蚀剂、套准掩模板并曝光、用显影液溶解未感光的光致抗蚀剂层、用腐蚀液溶解掉无光致抗蚀剂保护的二氧化硅层，以及去除已感光的光致抗蚀剂层。

在光刻系统中，激光的指向稳定非常重要，会直接影响光刻的图形准确性和一致性。影响光束指向稳定的主要因素有三个，分别是激光器本身的位置偏移，处于不同基座上的激光器和照明系统之间的振动差异性以及传输过程中的光学系统的扰动。这些扰动会对光刻的质量造成严重影响。

首先，激光指向的稳定性对于确保图形的精确刻蚀至关重要。在光刻过程中，激光束需要精确地照射到硅片上的特定区域，以实现图形的准确转移。如果激光指向不稳定，会导致图形位置偏移、尺寸变化等问题，严重影响产品的质量和性能。

其次，激光指向的稳定性还关系到光刻的重复性和一致性。在半导体制造中，往往需要对大量的硅片进行光刻处理，这就要求光刻过程具有高度的可重复性和一致性。如果激光指向不稳定，每次光刻的结果都会有所差异，导致产品批次间的性能不一致，增加了制造难度和成本。

因此，激光指向的稳定性在不断提升的精度要求下显得尤为重要。

我们可以通过减小振动和降低温度变化等方式实现光束的相对稳定，但这只是一种被动的补偿方式，而且无法彻底规避这些干扰。对此，可以通过一套主动的补偿系统，当光束发生偏移之后通过调整光路将其转向回来，对环境的要求就显得没有那么苛刻。

来自TEM公司的Aligna激光束指向稳定系统可以非常好的解决和实现上述功能。该系统由两个快速反射镜（FSM），一个位置探测器（PSD）和一个控制机箱组成。FSM的偏转通过将电动马达和压电陶瓷进行结合，可以同时保证了快速反射镜的大量程和高精度，配合高分辨率的位置探测器（PSD），系统总精度可达到亚微米量级。除此之外，响应时间对于需要激光束实时稳定的系统而言也是至关重要的，优秀的算法可以将其限制在0.2ms范围，闭环带宽超过5KHZ。

下图为光束探测及其稳定系统示意图。激光经过两个快反镜R1和R2之后入射到分束镜BS1上，其中透射光用于后续的实验和正常使用，少量反射光将进入PSD中，用于光束探测。PSD是一种基于半导体PN结横向光电响应的光电器件，根据入射光斑的质心输出电压，两个PSD分别用于检测光束的位置偏移和角度偏移，控制器检测到偏移信息后经过算法将反馈信息给到FSM，控制FSM的旋转，实现对主光束的指向纠偏。

下图为使用该系统前后的光斑位置偏移情况，可以明显看到在该系统工作之前光斑的位置是不稳定的，有较大偏移；而在系统开始工作之后，光斑位置基本被控制在原点附近，位置稳定性显著提高。