扫描干涉光刻机是大尺寸平面全息光栅的核心制造设备^{[1, 2, 3, 4]}。扫描干涉光刻过程中，为实现精确曝光拼接，需要将干涉曝光光束精确准直至设定位姿，通常要求干涉曝光光束的4自由度位姿(xoy面和yoz面)准直精度优于10 μm/10 μrad^[3]。由于干涉曝光光路非常长且复杂，加之曝光光源为非可见光，手动式光束位姿准直手段难以满足高精度准直需求，因此光束位姿自动准直系统是实现高精度准直的必然选择。

光束位姿自动准直系统在诸多复杂光学系统中均有应用^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}，其基本原理是利用诸如位置敏感探测器(position sensitive detector,PSD)、 象限位置探测器等光电传感器测量光束位姿并将测量值反馈至计算机，通过计算机控制电动镜座，高精度地调整光束至预设位姿，并实时保持光束稳定于预设位姿，从而最终实现光束位姿的实时高精度准直。文^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}提到的光束自动准直系统均为实时位姿准直系统，实时位姿准直系统需要高动态特性的电动镜座、 实时控制系统及复杂的控制算法等。然而，对于扫描干涉光刻机，其曝光光束具有很高的位姿稳定性，仅需利用光束位姿自动准直系统将光束位姿调整至预设位姿即可，故文^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}中的系统难以直接应用至扫描干涉光刻机的光束位姿准直。

美国麻省理工学院(MIT)的Chen等针对扫描干涉光刻机光束位姿准直需求构建了新型的光束自动准直系统^[12]，该系统利用PSD通过光学解耦测量方式实现光束位置和角度的解耦测量，然后利用测量反馈量通过迭代准直策略控制电动镜座调整光束位姿，最终实现高精度准直要求。然而，该系统存在以下两方面问题： 1) 系统仅在迭代准直起始时测量一次位姿，由于电动镜座的电机非线性将引起理论调节量偏离实际调节量，而每次迭代调节量则根据迭代起始测量值由理论计算得到，多次迭代将带来误差累积，这将影响系统准直精度； 2) 系统的xoy和yoz两正交平面内的位姿迭代准直是分立开展，由于电动镜座调节两个正交平面内位姿的两个电机之间具有耦合，且每次迭代调节量是根据迭代起始测量值由理论计算得到，电机间耦合也将带来误差，这也是影响系统准直精度的因素。

本文针对扫描干涉光刻机的干涉光束的高精度准直需求，设计了高精度自动准直系统，基于该系统，提出了利用每步迭代调节后的位姿实测值作为下一步迭代的起始值进行迭代准直和正交平面内位姿交替准直的光束位姿迭代准直策略，解决了迭代过程误差积累问题和正交平面内电机耦合误差问题。利用该系统开展了光束准直实验，实验结果显示，该光束自动准直系统的位置和角度准直精度分别优于 5 μm 和3 μrad，满足扫描干涉光刻机光束位姿准直精度需求。此外，由于该系统具有准直精度高、 快速高效、 可靠性高、 操作简便、 适应能力强等优点，除在扫描干涉光刻机中应用外，还可以用于其他诸多复杂精密光学系统。

图1所示为干涉光束入射基底平面的示意图，由于基底平面不平整，干涉图形在基底平面呈现非线性状态。为了将非线性控制到最小，需要将左右干涉光与基底平面及法线间角度差、 光斑在基底平面的位置差控制在10 μm/10 μrad量级。为得到准确的干涉光束入射位姿，需对单束入射光进行xoy平面和yoz平面内的4个自由度的位姿准直调整。两束干涉入射光的自动准直系统及方法是一致的，本文选取单束入射光对自动准直原理及方法进行研究。

图 1 干涉光束射入基底平面示意图

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图2所示为xoy平面内光束自动准直系统结构。该系统主要包括激光光源、 单轴电动镜座、 反射镜、 分光镜、 透镜、 1维PSD。将单轴电动镜座和1维PSD扩展为双轴电动镜座和2维PSD即可同时实现xoy和yoz平面内的自动准直。

图 2 光束自动准直系统结构

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图2中： M₁和M₂为单轴电动镜座，BS₁和BS₂为分光镜，PSD₁为位置测量探测器，PSD₂为角度测量探测器，L₁是位置测量解耦透镜(焦距为f₁)，L₂是角度测量解耦透镜(焦距为f₂)。器件之间位置关系如图2所示。

对于一束斜入射至PSD探测面的光，PSD的测量值是光束位置和角度耦合在一起的结果； 然而，完成准直的前提条件是获取光束的位置和角度值，因此需要通过解耦测量的方式实现光束位置和角度的独立测量。 图2所示为光束位置和角度解耦测量光学结构配置，相关文献已对该光学解耦测量结构进行详述^{[7, 9, 12]}。设入射光相对于光轴的位置和角度分别d和α，PSD₁的读数为x₁、 PSD₂的读数为x₂，光束位置和角度和PSD测量值之间的关系为：

式中： f₂=D₂，K=D₁/f₁-1，即PSD₁布置在位置解耦透镜，PSD₂布置在角度解耦透镜的焦点处。

在实现位置和角度解耦测量后，通过电动镜座转动来调节光束位置和角度； 在图2所示的光束输出平面处，电动镜座转动不仅会带来光束的角度偏转，同时也将引起位置偏移，采用单个镜座将无法实现输出平面处的位置和角度准直，现有的通用方法是采用两个电动镜座通过交替准直的迭代策略^[12]实现，其基本原理如下： 根据位置和角度测量值，首先利用电动镜座M₁调节光束输出平面处位置为零，计算得出调节后的光束角度； 然后利用M₂调节光束输出平面处的光束角度为零，再计算得出调节后的光束位置； 如此反复调节和计算，由于镜座M₁到输出平面处的距离为B+C，镜座M₂到输出平面处的距离为C，迭代调节因子C/(B+C)＜1，故多次迭代后即可实现光束的位置和角度均接近于零。具体迭代准直策略在文^[12]中已叙述。

然而，由于电动镜座的电机具有非线性且正交平面内的两电机之间存在耦合，这将致使每次迭代调节量不准确，而每次调节量均是通过计算得到，这难以保证最终的光束位姿准直精度。本文基于类似于现有文献中的光束位姿自动准直系统的光路，提出利用每步迭代调节后的位姿实测值作为下一步迭代的起始值进行迭代准直和正交平面内位姿交替准直的光束位姿迭代准直策略，以弥补现有迭代准直策略存在的不足，从而提高光束位姿准直精度。

采用x₁(PSD₁-xoy)和x₂(PSD₂-xoy)分别表示xoy面内的位置和角度测量值，z₁(PSD₁-yoz)和z₂(PSD₂-yoz)分别表示yoz面内的位置和角度值，M₁-xoy和M₂-xoy分别表示xoy面内负责位置和角度调节的电动镜座，M₁-yoz和M₂-yoz分别表示yoz面内负责位置和角度调节电动镜座。 本文提出的光束自动准直策略基本过程为： 起始位置角度测量→电动镜座M₁-xoy调节位置准直至零→电动镜座M₂-xoy调节角度准直至零→电动镜座M₁-yoz调节位置至零→电动镜座M₂-yoz调节角度至零→位置角度测量(判断准直要求)→……→准直完成。具体过程如图3所示。

图 3 本文光束自动迭代准直策略

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快速收敛是该迭代准直策略的重要关注点，下面以xoy平面为例对迭代准直策略的算法和收敛性进行推导。入射光的角度和位置偏移量分别为θ_in和x_in，PSD₁和PSD₂的测量值分别为x₁和x₂，则迭代准直过程推导如下：

$\bullet $ 初始位置：

$\bullet $ 第1次位置准直：

$\bullet $ 第1次角度准直：

$\bullet $ 第2次位置准直：

$\bullet $ 第2次角度准直：

$\bullet $ 第3次位置准直：

$\bullet $ 第3次角度准直：

$\bullet $ 归纳总结上述公式，则调节2n次后，x₁和x₂的值分别为：

式(3)—(11)中的参数关系如下：

$\begin{array}{l}Q = \frac{{{D_1} - {f_1}}}{{{f_1}}},M = B + {C_1} - \frac{{{D_1}{f_1}}}{{{D_1} - f}},\\\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;N = {C_1} - \frac{{{D_1}{f_1}}}{{{D_1} - f}}\end{array}$

根据式(10)—(11)，迭代准直因子N/M＜1，故光束位置和角度均能够快速实现收敛，以上即为本文提出的光束迭代准直策略的算法； 该策略采用实测值作为下次迭代的起始值，故可有效抑制电动镜座的非线性和耦合在准直过程引起的不利影响，从而提高系统准直精度。

根据第1节所述的自动准直系统原理，在保证系统功能的前提下，充分考虑系统精度需求及相关设计约束，完成了系统光路设计； 系统光路设计时重点考虑以下两点： 1) 扫描干涉光刻机对自动准直系统的要求是在很长(m级)的光路上实现 10 μm/10 μrad的准直精度，为验证系统具有该准直能力，系统设计了很长的光路，见表1。2) 针对已有文献中光束解耦测量光路中的解耦透镜为非标准透镜的问题，从系统的角度对解耦测量光路进行了优化设计，得到解耦透镜的焦距参数为标准焦距，从而可购买经济的标准品来完成系统的构建，降低了系统成本。具体光路参数如表1所示。

实验系统光源采用波长为635 nm的激光管； PSD采用Sitek公司2L4_SU66_SPC02型2维PSD，响应波长范围为400~1 100 nm，探测面积为4 mm×4 mm； 数据采集卡采用研华PCI-1747U，其数据采集分辨率为16 bit。 故PSD测量系统的理论位置分辨率为61 nm。

电动镜座采用Newport 8821。该电动镜座具有两个电机，分别调节水平和竖直方向位移，角度调节分辨率为0.7 μrad，角度调节范围为±3°，Newport 8821可实现两个正交平面内的光束位置和角度的调整，采用Newport 8742控制和驱动Newport 8821电动镜座。图4所示为光束自动准直系统实验装置，实验装置光路已在图中标出。

图 4 光束自动准直系统实验装置

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图5所示为自动准直系统控制架构。考虑到系统无实时性要求，选用工控机PCI(peripheral component interconnect)总线作为控制总线，利用研华PCI-1747U数据采集卡进行PSD测量数据采集，采用Newport 8742控制驱动电动镜座，数据采集板卡通过PCI板卡插槽、 电动镜座驱动器通过PCI网口连接至PCI总线，PCI-1747U和Newport 8742均支持Labwindows编程。自动准直系统软件基于Labwindows平台开发，准直系统软件融合本文提出的迭代准直策略，设计了简单易操作的人机交互界面。

图 5 自动准直系统控制架构

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实际上，受背景光、 电气噪声、 量化噪声等干扰的影响，PSD及数据采集系统的分辨率难以达到理论值； 此外，受环境、 气流波动、 振动、 PSD测量非线性等因素的影响，PSD及数据采集系统的精度也难以达到其理论分辨率的量级。然而，PSD的测量值作为准直系统的反馈，其测量分辨率和测量精度直接影响着系统的准直精度，因此需对光束位姿准直系统所用PSD及数据采集系统进行分辨率测试和精度标定。

分辨率测试和精度标定思路采用分辨率和精度等级高于PSD的超精密微动台承载PSD相对于激光管运动，实时采集PSD测量读数，并和微动台的运动读数比对。

图6所示为PSD分辨率测试和精度标定装置。实验装置包含PSD及其数据采集系统、 激光管、 手动平移台、 6自由度微动台(型号PI 587： 线性位移开环分辨率为0.9 nm，重复定位精度为±3 nm)。由于微动台的运动水平向行程为800 μm，PSD的测量行程为4 mm，因此为对PSD测量精度全行程标定，采用手动平移台协作方式实现标定实验。激光管和微动台定台均固定于光学平板上，PSD固定于手动平移台上，手动平移台固定在微动台动台上。

图 6 测量系统分辨率测试和精度标定装置

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利用图6所示装置开展6组分辨率测试实验，微动台沿PSD的水平测量方向连续步进一个微小位移，6组实验的微小位移分量别为0.6 μm、 0.8 μm、 0.9 μm、 1 μm、 2 μm、 3 μm。测试结果显示，PSD能够较为清晰地分辨出1 μm的运动位移，故PSD测量分辨率约为1 μm左右。图7所示为PSD分辨率测试结果。

图 7 微动台连续步进1 μm的PSD测量结果

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图7数据同时显示微动台连续步进1 μm时，PSD测量值均非1 μm，由于微动台的运动精度远高于PSD的测量精度，因此可知PSD测量不准确。利用图6装置对PSD测量精度进行全行程标定，标定结果如图8所示。

图 8 PSD精度标定结果

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图8显示，PSD在±1.5 mm的测量范围内具有很好的测量线性度(拟合线性度为99.5%，拟合公式y=-1.303x+2.567)，但测量线性度的斜率非1且存在偏置，这将影响准直系统的绝对精度，实际准直过程中，需要对PSD测量数据进行补偿以提高系统准直精度。

利用图4所示的光束自动准直系统实验装置并采用本文的自动准直策略，针对xoy和yoz平面的4个自由度光束位姿开展50次自动准直实验，分别获取50组光束在xoy和yoz平面内最终的位置和角度准直结果。图9和10所示为50组数据分布情况。

图 9 位置自动准直结果

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将图10所示的50组准直实验结果进行处理，得到50组准直数据的均值、 标准差如表2所示。

图 10 角度自动准直结果

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表2中实验数据表明，该光束自动准直系统在xoy和yoz平面的位置准直精度均优于5 μm，且在xoy和yoz平面的角度准直精度均优于3 μrad，满足设计要求。

针对优化设计的光束自动准直系统，利用本文提出的迭代准直策略开展光束自动准直。该策略采用每步迭代调节后的位姿实测值作为下一次迭代的起始值，有效抑制了电动镜座的非线性和耦合对准直过程所带来的不利影响，实现了很高的光束自动准直精度。实验结果显示： 该光束自动准直系统在两个正交平面内的位置和角度准直精度分别优于5 μm和3 μrad，满足扫描干涉光刻机光束位姿准直精度需求。

搭建当前实验装置时，紫外激光光源和高精度紫外PSD尚未购买，搭建的实验装置所用的激光管、 PSD及反射镜均是针对红光波段的，而扫描干涉光刻机最终所用的曝光光源为355 nm的紫外光源。未来研究中将选用针对355 nm波长的系统器件以替换部分实验装置中的器件，其中拟选用的紫外波段的PSD的分辨率和精度均优于目前实验装置中的PSD，因此未来直接应用至扫描干涉光刻机的紫外波段下的光束自动准直系统性能将会进一步提高。