光刻机原理介绍
一台光刻机可分为几大系统：硅片输运分系统（wafer handler sub-system）、硅片平台分系统（wafer stage sub-system）、掩膜版输运分系统（reticle handler sub-system）、系统测量与校正分系统（calibration and metrology sub-system）、成像分系统（imaging sub-system）、光源分系统（light source sub-system）以及电气（electric）、厂区通信（fab communication）、纯水（purified wafer）、污染和温度控制（contamination and temperature control）等。
1．硅片输运分系统
硅片输运分系统的任务是将轨道机传递来的硅片准确无误地按照一定的角度和位置放预对准平台（pre-alignment stage）内进行预对准（有的光刻机甚至开始对硅片进行温度调整），预对准完成后，由机械手将硅片按照预定的位置放在硅片平台上。这时，硅片在硅片平台上相对对准系统的位置精度一般小于15μm。当硅片完成曝光，再由硅片输运分系统将其输送到光刻机和轨道机的接口处，等待轨道机的机械手将其取走。
2．硅片平台分系统
硅片平台分系统的任务是协助镜头完成对硅片的精确对准（i线光刻机大于100纳米，193nm浸没式光刻机小于10nm），并且对硅片偏离尺度目标的偏差量（如套刻偏差（overlay deviation）、高低偏差（leveling Map））进行曝光前修正。高级的光刻机还能够在曝光前对镜头重要像差（如三阶畸变）进行一次快速测量（如阿斯麦公司的光刻机通过透射图像传感器（Transmission Image Sensor, TIS）来对镜头的低阶像差进行测量）并且校正。在对准后，通过精确扫描和步进实现整片硅片准确曝光。硅片平台的精确移动依靠激光干涉计，可以达到几个纳米的精确度。也有的硅片平台使用编码-读码器（encoder）来控制精确移动，如阿斯麦公司的NXT型光刻机，它的套刻精度可以达到3nm。这是由于激光干涉计中激光束需要穿过较长的空间区域（300mm），在10nm以下的测量中容易受到空气密度的涨落以及平台高速运动对空气的扰动。硅片平台一般通过气垫与直线马达来实现平稳运动和快速运动。不过有些光刻机由于无法使用气垫，如极紫外（EUV）光刻机的硅片平台在高真空（对氧气～10-9Torr）中运动，无法使用气垫。硅片平台在使用真空吸附将硅片抓住以外，还通过硅片背面的加热器将硅片的温度稳定在一定的精度和分布范围内。
3．掩膜版输运分系统
掩膜版输运分系统的主要功能是对掩膜版进行预对准、表面缺陷、沾污进行扫描和报警以及将掩膜版输送到掩膜版移动平台上。
4．系统测量与校正分系统
系统的校正与测量分系统主要对系统的套刻、平台移动精度、镜头的像差、照明光在光瞳的分布、光源中激光的波长、带宽以及光束的几何位置进行测量和校正。
由于硅片平台是一个具有6个自由度的刚体，具有X、Y、Z、RX、RY、RZ六个参量。对平台的移动精度的测量与校正需要使用到多束激光和平台侧面的平面镜。每一个自由度需要至少两束激光。例如，沿X方向的两束激光不但可以测量X的位移，还可以测量围绕Z轴的转动RZ。
同样道理，如果在图7.71所示的X方向上再加入一束激光，沿X方向的两束激光可以同时测量X方向的位移和沿Z方向的转动。我们还可以测量沿着Y轴的倾角RY，如图7.72所示，在X方向上加入一束激光，可以测量沿着Y轴的倾角。
图光刻机中硅片平台的控制原理示意图
图光刻机中硅片平台的控制原理示意图
同样，在Y方向上使用至少二束激光也可以测量Y和RX，所以，在X和Y方向加起来需要至少5束激光就可以得到除了Z之外的X、Y、RX、RY、RZ，再加上一束测量Z的激光束，硅片平台的六个位置分量便可以全部测量到。当然，具体的光刻机会使用更加多的激光束，用以更加精确的测量。
硅片平台的定标工作的目标是在硅片平台运动的范围内，保证以下的精度：
（1）在平移（X, Y）时没有转动（RZ）或者倾斜（RX, RY）；
（2）在含有倾斜时（RX, RY），对准传感器（alignment sensor）在硅片表面对准的位置不变；
（3）在含有倾斜时（RX, RY），找平传感器（leveling sensor）在硅片表面对准的位置不变；
（4）对反射镜的平整度（mirror flatness）定标，保证水平移动时，在一个方向移动时没有另外一个方向的移动；
（5）确定硅片平台的最佳焦距；
（6）如果是双平台的光刻机，需要对两个平台之间的套刻参数和精度做匹配；
（7）平台上测量传感器本身位置和倾斜角的定标。
对于镜头的像差，高级的光刻机一般都有自带的测量像差的传感器。这种传感器一般是通过扫描测量空间像在某些特定掩膜版平面上图形的表现来计算像差的。还有的传感器将光瞳上的光强分布和位相通过光刻机的光瞳下面（离硅片靠近的镜头部分）的镜头部分投影到平台上的成像的干涉型传感器上，以直接测量在光瞳处的像差。通过镜头模型（lens model），将测得的像差函数经过解算，得出镜头内部可移动的镜片（分为Z方向可移动和X-Y方向可移动）的最佳调整位置，以最大限度地优化镜头的剩余像差。
5．成像分系统
成像分系统由照明系统、主投影镜头以及光强控制子系统组成。照明系统负责将激光或者汞灯的出射光调整为具备一定部分相干性的光，并且将其输送至掩膜版。主投影镜头负责将掩膜版散射的光成像于硅片上。镜头中含有Z方向可移动和X-Y方向可移动镜片。Z方向可移动镜片用来修正轴对称像差，如球面像差（spherical aberration）Z9。X-Y方向可移动镜片用来修正非轴对称像差，如彗星（coma）像差Z7、Z8。有关像差的分类和对光刻工艺的影响将在后面讨论。一般248nm的光刻机的均方根（Root-Mean-Square, RMS）像差要求在25～60毫波长范围内，而193nm光刻机的要求为5～10毫波长范围。5个毫波长意味着在光瞳平面上，任何偏离位相平面的幅度必须在1nm之内，这给镜头加工提出了极高的要求。而且，不仅如此，每一个193nm光刻机的镜头都是由30片左右镜片构成，分到每一个镜片上的分摊加工偏差要求就更加高了。
6．光源分系统
前面讲过，光源一般有汞（mercury）灯、准分子（excimer）激光、激光激励的放电灯（如极紫外的二氧化碳激光激励的锡灯）等类型。光源分系统的任务是将其发射角度整合成为科勒照明形式，并且使得部分相干性可以由使用者在一定范围内调节。如阿斯麦公司的193nm NXT1950i浸没式光刻机的部分相干性对传统照明条件可以做到0.12～0.98可调。不仅如此，对于使用激光作为光源的系统，还要消除激光的较长的空间和时间的相干性，以去除各种原因造成的散射光之间干涉，又叫做散斑（speckle），提高照明均匀性。好在准分子激光的腔体中的Q值较低（高增益带来的效果），激光输出的时间相干长度较短，模数较多，其造成的相干性比一般的激光器（如气体激光器）要低很多。在193nm光刻机当中还需要引入偏振照明的装置。前面已经讲到，如果使用横电波偏振态，系统的对比度不会因为偏振而受到影响。在照明系统中，需要通过使用起偏器和偏振态转换器来实现多种偏振态。一般是通过使用1/4相位延迟波片，又叫1/4波片（quarter wave phase retarder plate或quarter wave plate）与偏振片结合将已有的偏振态旋转成任意的偏振状态。
7．污染和温度控制分系统
污染和温度控制分系统主要是控制镜头内部的沾污和温度。镜头的洁净度和温度都是由气体净化系统控制的，气体净化系统中的气体起到热交换的作用。镜头在曝光时会被紫外激光不时地加热，而镜头的冷却是由包裹在镜头外壳上的水管完成的，外壳与镜片之间的热交换靠镜头内的洁净气体。一般，这种热平衡需要长达几个小时才能够达到。而镜头被加热（lens heating）会影响到线宽、套刻。在193nm光刻机，这种镜头被加热会造成焦距偏移（可达100nm），套刻非线性（如曝光区域内二阶D2、三阶D3畸变）偏移（可达10～20nm）。
在生产中，人们不可能等待几个小时以求得镜头达到热平衡。再者，这种镜头被加热会随着硅片曝光的硅片数量改变，慢慢地达到某种稳定状态（镜头的冷却作用抵消了镜头的加热作用的平衡点）。为此，工业界使用模型来模拟镜头被加热所产生的对光刻机参数的影响。而且，镜头被加热的现象会随着照明条件的不同而具有不同的特征。这是因为，不同的照明条件的光在光瞳的分布不同，会对镜头的不同区域进行加热，因而产生不同的镜头加热效应。阿斯麦公司的光刻机能够针对不同的层次建立不同的定标子程序（sub-recipe）来精确地补偿镜头加热所产生的光刻机工艺参数的变化。补偿使用镜头内部可移动的镜片，并通过镜头模型的计算来实现。
