本文聚焦半导体紫外/深紫外高NA光学系统，其分辨能力受瑞利判据与k₁因子制约，产业沿缩波长、提NA、降k₁演进。Phasics依托QWLSI自参考架构，以亚纳米级精度、抗扰性及全波段原位复现能力，为光刻等高精密系统提供核心计量支撑，是保障制程良率的底层关键技术。
面向不同波段与高NA的紫外光学系统表征方法
在半导体微纳加工与高端光刻系统中，紫外（UV）及深紫外（DUV）光学系统构成了工艺节点的物理基石。随着制程技术的演进，紫外光谱被精细地切割为多个独立的工作波段，每一个波段都对应着特定的光源形态、数值孔径（NA）极限以及成像架构。这种高度分化的技术路线，决定了光学表征方法必须具备极强的场景依赖性与针对性。
一. 物理边界：瑞利判据与k₁因子的博弈
光刻系统本质上是一个受衍射限制的投影成像系统。其分辨能力由瑞利判据（Rayleigh criterion）严格定义：
CD = k1 · λ / NA
其中λ代表波长，NA 代表数值孔径，这里的NA指晶圆侧在浸没介质中的实际工作数值孔径，而非空气中的等效NA。
k1(工艺因子)：这是一个介于0.25到1之间的无量纲系数，它是连接物理光学与化学工艺的桥梁。ASML明确指出，k1 = 0.25是物理层面的终ji极限。一旦逼近此值，光学成像将不再保真，图形将无法传递。
为了持续缩小关键尺寸（CD），产业界沿用了三条经典路径：
缩短波长 (λ)：从g-line/i-line到KrF、ArF，再到EUV，这是直接的物理突破。
提高数值孔径 (NA)：从干式光刻到浸没式光刻（Immersion），利用液体折射率突破空气极限。
降低有效k1：包括离轴照明（OAI）、相移掩模（PSM）、光学邻近效应校正（OPC）以及计算光刻（Computational Lithography）。
二、不同紫外波段应用
1. 193nm与248nm：前道制程的投影物镜核心
这两个波段主要服务于制程中的缩小投影光刻248nm (KrF)：作为成熟制程的主力，其投影物镜NA通常在0.60–0.82区间，高端干式系统可达NA 0.93。其架构侧重于在高折射率石英材料下实现复消色差与大视场均匀性。
193nm (ArF)：分为干式（Dry, NA~0.93）与浸没式（Immersion, NA>1.35）。浸没式系统通过在晶圆与物镜间填充高折射率液体（如水），突破了空气折射率的物理极限，是45nm及以下节点的关键技术。
在这类高NA系统中，工程关注点不仅是分辨率本身，还包括投影物镜的残余波前误差、场依赖像差、热负载引起的像差漂移，以及扫描曝光过程中不同曝光带(slit)位置和多场点的成像一致性。随着CD缩小和工艺窗口收窄，微小的波前变化都可能影响空间像的对比度、图像斜率、焦深以及后续CD稳定性。因此，面向193nm ArF光学系统的高灵敏度波前表征，是投影光学设计验证、物镜调校、热漂移分析和工艺相关像差控制中的关键环节。
对于高NA dry ArF光学系统，测量配置还需要适配强会聚或强发散光束，避免测试路径本身限制系统表征能力。
针对这类光学系统，Phasics可提供面向193 nm波段的深紫外波前测量方案。该方案可覆盖dry ArF投影光学中典型的NA 0.93工作条件，并具备zui高约NA 0.95的测量配置能力，可用于高NA深紫外物镜、dry ArF光学元器件以及投影光学模块的波前表征，为DUV光学元件、物镜组件和子系统级验证提供符合工作条件的测量手段。
图1 DUV浸没式光刻系统结构
2. 365nm (i-line)：宽场景应用的灵活架构
i-line（汞灯z强谱线）是目前应用广泛的紫外波段之一。
投影式步进机 (Stepper)：NA通常在0.45–0.65，用于高分辨率图形转移。
接触/接近式 (Contact/Proximity)：无复杂投影物镜，依靠准直均匀光源，适用于MEMS、LED及厚胶工艺。
图 2. i-line stepper 光刻设备示例。
3. 355nm, 375nm 与 405nm：封装与直写系统
这些波段主要基于固态激光器或紫外LED，广泛应用于无掩模直写和封装。
405nm/375nm：常用于数字微镜器件（DMD）或空间光调制器（SLM）系统，通过数字化图形拼接实现任意图案曝光，分辨率通常在微米级。
355nm：源于Nd:YAG的三倍频，多用于激光直写和精密钻孔。
4. 266nm：特种微加工与检测
266nm属于深紫外波段，通常由激光四倍频产生，光子能量高，衍射极限小。其典型NA0.2-0.42。
应用领域：主要用于掩模版修复（Reticle Repair）、晶圆缺陷检测（Defect Inspection）以及干涉光刻（interference Lithography）。
三、紫外波段高NA光学系统表征方向要点
1.测量方案必须首先满足波段适配
在紫外波段，光学材料的色散曲线极陡峭，测试波长与设计波长的微小偏差会导致折射率发生显著改变，进而使测得的波前误差无法对应真实的像差状态。其具体表现为材料色散与折射率非线性、镀膜相位延迟（Phase Shift）的干扰、探测器与光源的协同。
2.具备足够的空间采样能力和动态范围
高数值孔径带来的空间约束高 NA 条件下，光瞳边缘区域、局部面形误差和高空间频率成分对成像质量的影响更加显著。测量方案需要具备足够的空间采样能力和动态范围，以覆盖完整光瞳并捕捉关键误差特征。
3. 具备动态监测与热态分析能力
短波长、高功率密度是DUV系统的典型特征，这使得“热透镜效应（Thermal Lensing）”成为影响系统稳定性的主导因素。单次静态测量往往不足以完整反映系统行为，重复测量、动态监测和热态分析在DUV系统表征中具有重要意义。
四、Phasics工程化解决方案
Phasics 基于其核心技术构建了具有显著辨识度的技术壁垒。其优势并非单纯的参数堆砌，而是对光学测量底层逻辑的重构，主要体现在以下四个核心维度：
1. 测量原理的重构：QWLSI共光路架构消除参考面误差
传统波前检测严重依赖极高精度的参考光学面，在深紫外波段，参考面的微小加工误差、镀膜不均匀性及支撑应力均会被放大，导致测量结果包含不可剥离的系统误差。
Phasics 采用的四波横向剪切干涉技术（QWLSI），本质上是一种共光路、自参考的干涉体制。该技术通过对波前进行微米级的横向错位，使波前自身发生干涉，从而完全摒弃了对独立参考臂和准直系统的依赖。这种设计从源头上根除了参考面引入的相位不确定性，实现了真正意义上的“被测件主导”的纯净测量。
2. 空间分辨率的跃升：高频像差的精准解算与Zernike模式重构
随着光学系统NA的不断攀升，光瞳边缘的高频相位调制（如镜面加工留下的高频波纹度 Ripple）对成像对比度产生决定性影响。
Phasics干涉仪提供了高达 512×512 的物理采样矩阵，具备极高的空间带宽积。结合专有的高NA坐标映射校正算法，能够有效解决高锥角光束带来的几何投影畸变。这使得系统能够以亚纳米（Sub-nm）级的重复精度，实现对高阶 Zernike 多项式的确定性解算，精准剥离出离焦、像散、彗差等特定像差模式，为光学系统的装调提供明确的雅可比矩阵修正项。
3. 环境适应性的质变：基于共光路的抗扰性与动态监测能力
光学计量往往受限于实验室级别的隔振与温控环境，而实际工程应用（如产线装配、高通量长时间老化测试）中充斥着机械振动、空气湍流及热波动。
得益于 QWLSI 技术极短的内部光程差（OPD）特征，Phasics 设备展现出对外部环境扰动的免疫性。它能够在非隔离的车间或动态的工况下稳定运行，不仅保证了长时间的焦面稳定性监测，更使得波前测量技术得以从“离线质检”走向“在线工艺控制”。
4. 光谱与工况的契合：面向全波段紫外应用的全工况复现
紫外波段（193nm ArF 至 405nm 波段）具有ji端的材料色散与非线性效应，任何测试波长与设计波长的偏移都会导致折射率改变，从而使测量数据失去指导意义。
Phasics 摒弃了通用的“宽波段覆盖”妥协方案，提供 190nm-400nm 连续波段检测。其核心理念在于“原位复现”——即在系统的实际设计波长、实际NA条件及真实光路架构下进行表征。这种对工况的极贴合，确保了所测得的透射波前误差（TWE）与反射波前误差（RWE）能够直接映射为光学设计中的物理像差，为工程设计提供闭环反馈。
五、Phasics核心器件-紫外波前传感器
紫外波段传感器：SID4-UV / SID4-UV HR
在紫外波段，Phasics提供具备自消色差且兼具多波长适用性的SID4-UV / SID4-UV HR波前传感器，覆盖190–400nm范围，支持高密度相位采样与纳米级相位灵敏度。适用于：
• UV/DUV 光学元器件表征
• UV/DUV 光源质量检测
Phasics 的技术贡献在于，它通过物理机制的优化与算法的演进，解决了深紫外与高NA时代光学计量的核心矛盾——精度与鲁棒性。它不仅是一套高精度的波前传感系统，更是连接光学设计、精密制造与半导体工艺的确定性桥梁。在摩尔定律逼近物理极限的当下，Phasics 所提供的计量范式，为保障高端光刻系统的成像窗口与良率稳定性提供了不可或缺的底层支撑。
它不仅是高端光学工程师手中的精密标尺，更是半导体产业在逼近物理极限时，赖以生存的“计量之锚”。通过确立紫外与高NA时代的测量范式，Phasics正在默默支撑着每一次芯片性能的飞跃，守护着人类在微纳光学领域对完美成像的不懈追求。
备注：文章部分转载至飞思科Phasics
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