《Micromachines》：High-Precision LCCD-Based Focus Metrology for I-Line Lithography: Multi-Sample Repeatability and Adaptability Evaluation
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在I线光刻（I-Line Lithography）相关的检测中，在不同材料表面上实现稳定的局部焦面高度（local focus-height）测量十分重要，亚微米级的高度偏差会影响成像质量、曝光均匀性及后续自动对焦性能。本研究评估了基于线性电荷耦合器件（Lin
在I线光刻（I-Line Lithography）相关的检测中，在不同材料表面上实现稳定的局部焦面高度（local focus-height）测量十分重要，亚微米级的高度偏差会影响成像质量、曝光均匀性及后续自动对焦性能。本研究评估了基于线性电荷耦合器件（Linear Charge-Coupled Device, LCCD）的焦面量测系统在数种I线光刻相关材料表面条件下的局部焦面高度重复性。样机集成了光纤耦合LED照明、远心投影与成像光学系统、参考标记，以及基于模板匹配（template matching）与质心估计（centroid estimation）的两步定位流程；双波长光源作为固定光学配置的一部分。测试对象涵盖硅片、GaAs亮面衬底、蓝宝石、红外透射材料及SiC，覆盖不同反射率水平与表面结构。测得高反射率样品的峰?谷（Peak-to-Valley, PV）重复性为35–37 nm，中等或低反射率及微结构样品为40–54 nm，均低于由焦深（Depth of Focus, DOF）估算得出的保守工程判据70 nm。结果表明，在所测材料表面范围内集成LCCD量测链保持了稳定的局部重复性，为局部焦面量测及精密光学检测的进一步发展提供了实验支撑。
论文解读：I线光刻用基于LCCD的高精度焦面量测技术及多样品重复性评估
该研究针对I线光刻（I-line lithography, λ=365 nm）中焦面传感模块需在多种材料表面下保持局部高度测量重复性的需求展开。传统非接触光学测量方法如结构光投影（structured light projection）和莫尔条纹（moiré fringe）技术在微纳尺度空间分辨率受限，且对不同材料表面光学特性敏感，在多类样品、复杂表面条件下易出现不稳定或精度下降。工业应用中不同材料（高反射硅、镜面GaAs、微结构SiC等）的光学特性差异会显著影响聚焦信号，使一致性多样品测量困难。现有光刻焦平量测研究多在单一参考面上表征，较少系统评估同一量测链更换被测材料表面时的重复性表现。为此，研究人员开展了基于线性电荷耦合器件（Linear Charge-Coupled Device, LCCD）的光学三角测量（optical triangulation）焦面量测系统，在固定光学配置与信号处理流程下对五种I线光刻相关材料样品进行局部焦面高度峰?谷（Peak-to-Valley, PV）重复性测试，验证其跨材料表面的测量一致性，为后续局部焦面量测及精密光学检测提供依据。本文发表于《Micromachines》。
研究人员采用的主要关键技术方法如下：搭建基于光学三角测量原理的LCCD焦面量测原型系统，采用光纤耦合双波长（565 nm带宽103 nm / 810 nm带宽30 nm）LED照明、双远心（telecentric）投影与成像光路（斜入射角81.5°）、标定放大倍率14.5的中继放大至2048像素LCCD探测器；设计含五条不等间距狭缝测量标记（产生中心多峰信号）及两侧双峰参考标记的标记模块；对LCCD线扫描信号采用两步处理算法——模板匹配（template matching）粗定位目标区域，继而在局部窗口内做质心估计（centroid estimation，强度加权中心计算）获取亚像素（sub-pixel）特征位置，最终以测量标记与参考标记的相对位移换算高度；选用五种材料样品（硅片、GaAs亮面衬底、蓝宝石、红外透射材料、SiC）于纳米定位台上进行高/低位往复重复测量（每一样品各20次稳定位置测量，高位低位各10次），以PV值评估重复性，并以DOF估算值的十分之一（约70 nm）作为保守工程判据。
4.1. System Performance Validation（系统性能验证）
研究人员首先在裸硅片上进行基线测试。线性度测试显示理论输入高度与平均测得高度输出拟合相关系数R2=0.999994，均方根拟合误差35.5 nm；垂直分辨率测试表明系统可有效分辨10 nm步进高度输入（5 nm无法与短期波动区分），判定有效垂直分辨率为10 nm；5分钟静态稳定性测试中单点高度波动3σ为13.16 nm，PV范围为38.46 nm。以上结果表明系统在参考硅片条件下响应稳定，可为跨材料重复性比较提供校准基准与相同高度转换系数。
4.2. Multi-Sample Peak-to-Valley Repeatability Evaluation（多样品峰?谷重复性评估）
研究人员依据I线投影物镜NA=0.45、λ=365 nm及保守工艺系数k=0.5估算DOF≈700 nm，取十分之一的70 nm作为重复性保守工程判据。在固定光路对准、照明、LCCD采集参数、台面运动序列及信号处理流程下仅更换样品测试。硅片PV重复性取高低位中较大值为35 nm（高位PV=32 nm，低位PV=35 nm）；GaAs亮面衬底37 nm；蓝宝石40 nm；红外透射材料50 nm；SiC 54 nm。所有样品PV值均低于70 nm判据。趋势符合样品表面光学特征：光滑高反射硅与GaAs利于获得稳定清晰LCCD峰形，PV较小；蓝宝石光学响应居中PV略增大；红外透射材料部分入射光透射致有效反射信号减弱，SiC微结构表面引入散射或峰形变异，致质心提取波动增大，PV相应变大。研究未定量分离反射率、散射及峰形变异各自贡献，但表明同一LCCD量测链在测试材料表面范围内可维持PV重复性小于70 nm。
讨论与结论翻译（Conclusion部分浓缩意译）
本研究评估了LCCD基局部焦面量测系统在数种I线光刻相关材料表面条件下的PV重复性。裸硅片基线测试确认系统具线性高度响应、10 nm垂直分辨率及短期稳定性。多样品测试采用同一光学配置、采集设置、台面运动序列及定位流程，测得硅片PV=35 nm、GaAs亮面衬底37 nm、蓝宝石40 nm、红外透射材料50 nm、SiC 54 nm，均低于由DOF估算得出的保守工程判据70 nm。结果显示材料依赖性趋势：光滑高反射样品重复位变异较小，红外透射材料及SiC波动较大，这与样品依赖的光学响应对质心定位的影响预期一致（未单独量化各因素）。结果表明相同LCCD量测配置及定位流程可在所测材料表面范围内将局部PV重复性维持在选定70 nm判据内，支持该方法用于I线光刻相关材料表面局部焦面高度重复性评估的可行性。本研究聚焦局部重复性而非整片晶圆调平精度或涂胶晶圆全焦面响应，后续将考察涂覆光刻胶晶圆、多层薄膜堆叠、材料依赖系统偏移及多点晶圆平面评估。
