[編者按] 光刻機是制造芯片的核心裝備，提升光刻機的研發制造能力，對國產芯片發展進步至關重要。光刻機涉及多項復雜的先進技術，中國工程院譚久彬院士在《儀器儀表學報》2023年3期發表《超精密測量是支撐光刻機技術發展的基石》一文，文章對超精密測量技術在光刻機制造中的重要作用進行了闡述。

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

超精密測量是支撐光刻機技術發展的基石

譚久彬

摘要：光刻機是尖端裝備的珠穆朗瑪峰。超精密測量是支撐光刻機產品研發與制造，保證光刻機產品制造精度等級與質量水平的基石。本文綜述了光刻機產業的特點與發展趨勢。在此基礎上，從零部件、分系統、整機集成、整機性能層面闡述了超精密測量對光刻機技術發展的支撐作用。分析了光刻機產品精密能力提升的途徑和超精密光刻機產業測量體系建立的必要性，包括管控超精密光刻機產品制造質量的工業測量體系和管控光刻機產品工業測量體系量值準確可靠的計量體系。提出了建設光刻機產業計量測試中心的必要性。

關鍵字：光刻機；超精密測量；工業測量體系；計量體系；計量測試中心

1、引    言

光刻機產業處于高端裝備制造鏈的頂端，既是技術鏈的頂端，又是價值鏈的頂端；光刻機產業的高質量發展不僅會直接拉動芯片產業的發展，而且會極大地牽動整個高端裝備制造業的發展，是大國必爭的戰略制高點。要打造一個有牽動力和競爭力的光刻機產業，首先必須打造光刻機產業高質量零部件產品的制

造鏈和產業鏈，這是光刻機產業高質量發展的基礎與前提。超精密光刻機制造精度等級與質量水平，決定了我國超精密光刻機產業和整個高端裝備制造業的核心競爭力。要成功研發與制造光刻機產品，并不斷提高光刻機產品制造精度等級與質量水平，就必須首先完成系統的超精密測量能力建設。沒有系統的超精密測量整體能力支撐，就不可能制造出質量合格的光刻機產品；即便勉強研發出光刻機樣機，也很難產業化，也就是說，沒有超精密測量能力，就無法生產出質量合格的超精密光刻機產品，即無法滿足超精密、高性能、高穩定性、高可靠性和長壽命等要求。系統的超精密測量整體能力建設是支撐光刻機產業高質量的基石，是基礎的基礎。超精密測量能力建設處于基礎性、先導性、戰略性地位，必須優先發展。

2、光刻機產業的特點與發展趨勢

2.1、光刻機是人類制造史上精度和性能水平最高的機器

超精密光刻機被譽為“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器。其精度和性能已經接近人類超精密制造在現階段的精度極限和性能極限。光刻機的工作原理是，采用類似照相機原理的方式，把掩模板上的集成電路等精細圖形通過物鏡系統按比例縮小，成像到硅片上；然后使用化學方法顯影，再經過離子束刻蝕，得到刻在硅片上的集成電路等精細圖形[1]。超精密光刻機是在超精密量級上把最先進的光、機、電、控等十幾個至幾十個分系統，幾萬個乃至十幾萬個零部件集成在一起，通過及其復雜和嚴密的超精密測控系統，使光刻機的十幾個至幾十個分系統高精度和高性能協同工作。它是人類裝備制造史上復雜程度最高、技術難度最大、制造精度最高、綜合性能最強的尖端超精密裝備。它在高速和高加速度下，達到納米級的同步精度、單機套刻精度和匹配套刻精度等，這與傳統的精度提升環境完全不同。精度和性能是超精密光刻機的生命，其精度和性能提升一點點，通常都要付出幾倍，乃至十幾倍的代價。

2.2、現有光刻機是集成全球超精密制造和測量能力的高精尖技術的結晶

由于光刻機制造與集成難度極大，目前全世界只有少數幾家公司能夠研制和生產。光刻機主要以荷蘭ASML，日本Nikon和Canon三大品牌為主，而最高端EUV光刻機僅有ASML一家公司有能力制造。其中用于7nm節點制程的EUV光刻機擁有10萬多個光機零件，涉及上游5000多家供應商。這些零部件對精度、性能和可靠性的要求極高，只有發揮供應鏈上所有頂尖制造商的技術優勢，確保全部零部件都滿足設計要求，達到驗收標準，最終超精密光刻機才有可能研發成功。

超精密光刻機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，如光刻機主要零件加工中的超精密測量、部件集成調試中的超精密測量、分系統集成調試中的超精密測量、整機集成調試中的超精密測量、整機性能調試中的超精密測量和嵌入光刻裝備內部的數以千計的超精密測量單元及傳感器，涉及幾何、力學、電學、磁學、熱學、光學等多學科的、種類繁雜的幾十萬個指標參數。需要通過超精密測量手段，對每一個指標參數進行精準測量，對每一個零件、部件、分系統、整機的精度與性能進行層層管控。目前，用于最先進EUV超精密光刻機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制造和運行水平的集中體現。

2.3、國內外光刻機市場需求

2022年，前三大ASML、Nikon、Canon的集成電路用光刻機出貨達超過500臺，達到551臺，較2021年的478臺增加73臺，漲幅為15%。而2021年，全球光刻機產品出貨量達650臺，其中集成電路制造用光刻機出貨約500臺，占比77%；面板、LED用光刻機出貨約150臺，占比23%。目前，全球光刻機市場的主要供貨企業是荷蘭的ASML，日本Nikon和日本佳能Canon三家，三家企業的合計市場份額占到了全球光刻機市場的90%以上。前三大企業ASML、Nikon、Canon的集成電路用光刻機出貨達478臺，較2020年的413臺增加了65臺，增幅為15.74%。從EUV光刻機、浸沒式ArF光刻機、干式ArF光刻機三個高端機型的出貨來看，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；Nikon出貨7臺，占有4.6%的市場，較2020年15%減少10.4個百分點。

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

國內光刻機產業尚屬于初期階段，雖未形成體系，但已形成一定規模，支撐著低端光刻機、各類專用光刻機的研發與生產，同時支撐著部分高端光刻機的研發。國產光刻機未來有相當大的發展空間。2022年中國低端光刻機行業（后道封裝光刻機、手動或半自動接觸式光刻機等）產量95臺，預計2028年該類光刻機產量有望達到373臺。隨著第三次全球半導體產業向中國轉移，國內晶圓廠投資加速，光刻機作為新建晶圓廠的核心資本支出，市場空間進一步打開。28nm作為當前關鍵技術節點，工藝制程從90nm突破至28nm，對于國產替代具有重大戰略意義。受益于5G時代、AI、自動駕駛等技術的普及與對芯片的迫切需求，我國光刻機市場需求有望在未來幾年持續強勁增長。2022年中國光刻機市場需求為652臺，2028年預計市場需求在1210臺左右。

3、 超精密測量是支撐光刻機產品制造質量提升的基石

成體系的超精密測量能力是光刻機產品制造質量有效管控與質量提升的基礎能力與核心能力。光刻機產品制造鏈主要包括零件制造、部件集成、分系統集成、整機集成，整機性能調試、試驗線上考核試驗和產品在役監測等，在這個全制造鏈、全產業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

在光刻機零部件制造層面，以光刻機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。該零件用于光刻機硅片臺對晶圓的承載，同時也是甚多軸激光干涉儀的目標反射鏡。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、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到了皮米級，例如低頻面形精度RMS要求從早期的0.35nm發展為現在的75pm（1nm=1000pm），中頻面形精度RMS要求從0.25nm發展為80pm，高頻粗糙度RMS要求從0.3nm發展為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。對于透鏡面形的測量精度要求則更加的嚴苛，其測量重復性誤差RMS需求達到10pm，EUV光刻機物鏡需要實現在450mm口徑內達到50pm面形精度，這相當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、分系統層面的超精密測量

在光刻機分系統層面，以光刻機運動臺分系統為例，雙工件臺與掩模臺系統是光刻機三大核心分系統之一，其運動性能直接影響光刻機的曝光精度和產率。對于45nm節點光刻機，工件臺與掩模臺在m/s級運動速度下的同步運動誤差需達到3nm[7]，這相當于兩架波音747飛機在以1000km/h飛行時，兩架飛機之間的相對位置差小于1μm。工件臺和掩模臺的同步運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測量精度達到10nm，才能支撐90nm光刻機的研發；只有激光干涉儀的動態測量精度達到1nm量級，才能支撐7nm光刻技術的研發。除三維線位移之外，運動臺三維姿態角度的超精密測量同樣由甚多軸激光干涉儀完成。對于45nm光刻節點，要求激光干涉儀在m/s級運動速度、幾個g到幾十個g加速度下的動態角度測量精度需要優于100nrad；同時，為了支撐運動控制系統的高精度和高效調節，45nm光刻機節點要求激光干涉儀的位移測量分辨力優于0.6nm、角度分辨力優于30nrad、數據更新率達到20MHz、任意測量軸之間的時延差異小于1ns；在目前頂尖的EUV光刻機中，激光干涉儀的有效位移測量分辨力已經達到驚人的38pm。此外，作為光刻機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的手段和功能，從而在光刻機內部或多臺光刻設備之間構建起穩定一致的量值溯源體系。

以光刻機環控系統為例，在光刻過程中，環控分系統將電機運動、光源曝光產生的熱量及時轉移到外界，保證關鍵區域溫度、相對濕度、壓力的穩定性，同時維持整機內部的潔凈度。EUV光刻機中每秒需要4000L水用于精確控制冷卻激光器溫度，關鍵區域的溫度測量與控制精度要達到mK 量級，相對濕度的測量與控制精度達到1%RH量級。光刻機工作時所需的無塵環境要求非常高，如1m3內直徑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。為了滿足光刻機超潔凈的需求，環控分系統的最小可探測的粒子直徑必須達到0.1μm量級。

3.3、整機集成層面的超精密測量

光刻機整機集成方面，首先要考慮超精密測量框架，它是光刻機整機的裝配基準、運動基準和測量基準，直接決定了光刻機整機精度與性能。其次要考慮隔微振系統，它用于抑制運動臺高速、高加速運動產生的沖擊和振動，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部環境，是光刻機工作精度與性能生成的必要保障。隔微振系統的關鍵技術指標包括：固有頻率、振動傳遞率、響應時間、調平精度等指標。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，響應時間和調平精度主要用于衡量對負載直接擾動的抑制能力。對于45nm節點光刻機，為了滿足運動臺運動平均誤差<3 nm，運動標準誤差<6 nm等指標，內部框架殘余振動的功率譜密度要求須小于10-9~10-10量級，對應隔微振系統固有頻率優于0.5Hz，在10Hz處振動傳遞率達到–40dB以上。這相當于把喧囂嘈雜的鬧市區環境噪聲降低至靜謐安逸的圖書館等級。

3.4、整機性能層面的超精密測量

在整機性能層面，為了高效、精確地將掩模板上的圖案轉移到硅片上，光刻機整機需在各分系統性能滿足指標需求的前提下，根據芯片工藝制程約束對各分系統進行協同調控。在充分發揮各分系統精度與性能，使其達到極致的基礎上，確保芯片的產率和良率。

從光刻機流程調控方面看，為了實現各分系統工作時序的緊密銜接，必須采用統一、精準的時間基準。例如硅片傳輸系統與運動臺需要精準的時序配合才能實現安全、高速的上下片操作，其時間精度需達到1μs。從精度性能調控方面看，對準系統、調平調焦系統與運動臺系統需在高動態運動中實現測量數據的同步傳輸，其時間精度需達到10ns。同時，調平調焦系統獲得的硅片形貌信息要精準地映射到運動臺系統，進而完成整機軌跡規劃，由運動臺快速精準調控實現對不平整硅片表面的信息補償。從工藝參數性能調控方面看，光源與照明、物鏡、運動臺、光刻對準等分系統的協同更為緊密，整機軟件需根據光源功率、物鏡畸變、硅片形貌實時調整運動臺軌跡。通過曝光劑量調控、運動補償實現在給定工藝參數下的掃描曝光流程，最大限度地提高芯片良率。同時，環控分系統除了給其他分系統提供基礎保障之外，也需緊密參與協同工作。例如，運動臺分系統需根據溫度、壓力、濕度乃至流場的超精密測量數據調節光程信息；物鏡分系統需根據溫度、振動等超精密測量數據驅動內部可動鏡組實現動態波相差調節。

3.5、測量儀器的計量校準與量值溯源

測量儀器是光刻機各環節性能指標定量化的設備，測量儀器的準確性將直接決定光刻機各環節的性能指標。光刻機由幾萬至十幾萬個零件組成，涉及全球范圍內的幾千家供應商。為保證各個供應商之間產品的性能一致性與同類產品的互換性，國際標準化組織(ISO)等有關組織機構制定了一系列標準與規范，依據這些標準與規范，把國際計量局(BIPM)建立的計量單位基準量值傳遞給測量儀器，保證計量單位基準量值在全世界范圍內準確一致，進而保證產品之間的性能一致性與同類產品的互換性。測量儀器只有在規定的時間周期內進行校準，方可確定測量儀器相應示值與測量標準提供的量值之間的確定關系，才能保證測量儀器的測量結果在一定范圍內的準確性與可靠性。測量儀器校準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過程，也將是精度等級最高的校準結果。因此，要提高光刻機全制造鏈、全產業鏈和全生命周期中專用超精密測量儀器的精度水平，應盡量采用計量溯源鏈最短的校準過程。特別是，超精密光刻機全生命周期中的部分關鍵核心指標已接近超精密裝備現階段工作精度與性能的極限，而其對應的測量儀器均為專用超精密測量儀器，其校準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果的準確度達到要求，進而保證光刻機工作狀態下的精度與性能指標準確可靠。

4、 光刻機產品精密測量能力提升的途徑

光刻機產品精密測量能力快速提升的途徑是，建立一個面向光刻機產業全制造鏈、全產業鏈和全生命周期，能全面有效監控產品質量的專業化超精密測量機構，同時建立能全面有效對所有超精密測量儀器、檢測工裝、嵌入式測量系統和傳感器進行高效率計量校準的計量機構，這兩個機構可以合二為一。這個合二為一的技術機構就是光刻機產業計量測試中心。

該中心的使命是，圍繞光刻機產品全制造鏈、全產業鏈、全壽命周期的超精密測量與計量校準需求，將計量測試融入到光刻機設計、試驗、生產、使用、維護等全過程，促進和保障光刻機產業高質量發展。該中心具有基礎支撐性和技術先導性，即，可起到光刻機零部件、分系統和整機產品質量檢測與質量調控的基礎保障作用；同時，充分發揮計量測試中心技術先導優勢，可引領光刻機技術不斷迭代與創新。

4.1、制造鏈上超精密測量能力建設

在光刻機零部件生產制造階段，計量測試作為“工業生產的眼睛”，是實現制造工藝過程控制的技術基礎。超精密測量能力與質量調控能力不僅影響著產品的質量，也影響著生產效益；即便是在原材料的制造過程中，超精密測量能力與質量調控能力同樣會直接影響到原材料性能、質量與生產效益。以運動臺分系統中的直線電機為例，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、裝配等復雜工序。為了保證直線電機的出力特性和熱特性需求，在出廠前必須對電機的峰值力、持續力、波動力、表面溫升及電磁輻射等指標進行精確測試，其中力值測量精度需達到0.5N，溫度精度需達到0.1K。

由此可見，光刻機產業計量測試中心面向所有光刻機零部件超精密和超性能制造需求，能完成數以幾十萬計的幾何學、電學、磁學、力學、熱學、光學等各類物理參數和工程參數測量，建立功能完善、精確可靠的工業測量體系和計量校準體系，滿足光刻機零部件生產制造質量與生產效益的需求。

4.2、產業鏈上產品超精密測量能力建設

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

為滿足上游投影物鏡產品系統性能的檢測檢驗，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、系統整機上電、Set-up、波像差測試、畸變測試、NA測試、倍率測試、遠心測試、透過率測試等。光刻機對投影物鏡系統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，畸變檢測精度需要達到0.1nm。專用物鏡測試臺的精度要求也不斷提升。

光刻機產業計量測試中心面向國內外眾多供應商提供的光機電控算各類產品的質量與性能需求，能完成數以幾十萬計的各類物理參數和工程參數測量，建立功能完善、精確可靠的檢驗檢測體系和計量校準體系，具備對所有供應商提供的產品進行檢驗檢測的能力。

4.3、光刻機產品在役測量能力建設

在光刻機在役使用階段，用戶將根據工藝制程參數對芯片量產的質量進行嚴格在線控制。這要求光刻機必須實時獲得光刻機工作鏈上的無處不在的測量數據，再根據無處不在的精確測量數據進行閉環反饋控制，以確保無故障、高精度和高性能運行；同時，根據無處不在的精確測量數據，對光刻機各個分系統進行精度調控、性能調控和質量調控。

具體而言，光刻機整機會根據芯片制造的工藝制程，采用數字孿生技術建立芯片質量、產率與運行數據的映射模型。在此基礎上一方面可以根據大數據分析結果進一步調控工藝制造參數，保證量產芯片的質量；另一方面，光刻機整機還可以對各分系統及關鍵零部件層開展健康監測，根據預先制定的故障處理機制及時對漂移類故障在役校準、補償或修復，對確定性故障進行及時預警，確保光刻制程的產率、良率和安全性。

以運動臺分系統為例，多自由度運動臺中的多項幾何參數、運動學參數、動力學參數和質量特性參數會在長時間工作過程中受振動沖擊、外界力干擾和熱力學干擾等的影響下發生漂移，導致運動臺本身的測量解耦和出力分配精準度下降，進而影響運動精度以及芯片的特征尺寸。這就需要整機系統對相關數據進行實時監測，將尺寸類參數在溯源至干涉儀測量系統的基礎上適時的調整至出廠校準狀態，確保光刻機的最佳性能。

光刻機產業計量測試中心面向光刻機全生命周期中對工作精度、性能和可靠性需求，能完成數以萬計的在線工程參數測量，建立功能完善、精確可靠的嵌入式測量系統和嵌入式計量校準系統，實現處處精準，時時精準，滿足對光刻機整機產品在線工作狀態下的精準可靠測量與可靠運行的需求。

4.4、光刻機行業測量能力建設

光刻機測量體系建設是光刻機行業測量能力建設的首要任務。光刻機行業與各個領域的發展息息相關，我國的光刻機行業，特別是先進制程的光刻機行業，尚處于發展的初期，部分相關人員對測量體系對光刻機行業能力的提升與促進作用，還存在認識嚴重不足的問題。因此，要解決光刻機的精度提升、性能提升和質量提升問題，必須在其全制造鏈、全產業鏈的各個環節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鍵。光刻機行業的測量體系必須做到，在光刻機產品全制造鏈、全產業鏈的各個環節上和全生命周期中，“無處不測，無時不測；處處精準，時時精準”。

對光刻機工程測量儀器的計量校準能力建設是我國光刻機行業測量能力建設的另一重要任務。光刻機產品工程測量儀器包括實驗室測量儀器、全制造鏈上的臨床測量儀器、在線測量儀器；全產業鏈上的檢驗檢測儀器；光刻機運行時的嵌入式測量儀器、處理單元和傳感器系統等。所有這些數以萬計的光刻機產品工程測量儀器構成了光刻機產業工程測量體系。另一方面，光刻機產品全制造鏈、全產業鏈、全生命周期中的各個環節所需要的所有工程測量儀器，均需保證其測量結果“處處精準，時時精準”。這些數以萬計的光刻機產品工程測量儀器的測量準確度都必須由相對應的數以千計的計量校準儀器管控，所有這些數以千計的計量校準儀器構成了光刻機產業計量體系。上述兩個體系構成了光刻機產業測量體系，或可稱之為計量測試體系。

5、結束語

1、要想研制出合格的超精密光刻機，特別是批量生產出合格的超精密光刻機產品，就必須建立起超精密光刻機產業測量體系。該測量體系由兩部分構成：一是能管控超精密光刻機產品制造質量的工業測量體系；二是能管控光刻機產品工業測量體系量值準確可靠的計量體系。

2、超精密測量是光刻機產品制造質量管控與質量提升的基石。當前，我國普遍關注光刻機核心技術短板，而忽視了建立超精密光刻機產業測量體系這一基礎與前提條件。建立超精密光刻機測量體系，必須把測量儀器、測量系統、傳感測量系統和管控它們的的計量校準單元嵌入到超精密光刻機產品的制造鏈、產業鏈和運行中的光刻機產品中，實現“無處不測，無時不測；處處精準，時時精準”。

3、建設光刻機產業計量測試中心是建立超精密光刻機產業測量體系的技術、條件和設施保障。加快建設超精密光刻機產業計量測試中心是當務之急。

參考文獻略