在光刻機(jī)的工作過(guò)程中，“Focal”（焦點(diǎn)或焦距控制）是決定圖案轉(zhuǎn)移精度的關(guān)鍵參數(shù)之一。所謂“光刻機(jī)Focal原理”，是指光刻系統(tǒng)如何通過(guò)精確的焦距定位和實(shí)時(shí)補(bǔ)償，確保曝光光束在硅片表面的焦平面上完美成像。
一、什么是Focal（焦點(diǎn)）
在光刻成像中，掩模上的電路圖案通過(guò)投影光學(xué)系統(tǒng)縮小后投射到光刻膠表面。只有當(dāng)光束的焦點(diǎn)與光刻膠的感光層處于同一平面時(shí)，圖案才能清晰且精確地曝光。如果焦點(diǎn)偏離（焦距誤差），光線會(huì)出現(xiàn)模糊或散射，使電路線條變寬、失真或深淺不一。
因此，光刻機(jī)的焦點(diǎn)控制（Focus Control）主要任務(wù)是：
確定光學(xué)系統(tǒng)的最佳焦點(diǎn)位置（Best Focus）；
實(shí)時(shí)保持硅片表面與焦平面的高度一致；
補(bǔ)償硅片表面的微小起伏或翹曲。
這看似簡(jiǎn)單的“對(duì)焦”動(dòng)作，在納米尺度下卻極為復(fù)雜?，F(xiàn)代光刻機(jī)要求焦距控制精度達(dá)到±10納米甚至更高。
二、光刻機(jī)的Focal控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
光刻機(jī)的焦距控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：
光學(xué)投影系統(tǒng)（Projection Optics）
投影鏡頭負(fù)責(zé)將掩模圖案以高倍率縮小投射到晶圓表面。鏡頭內(nèi)部的焦距固定，但通過(guò)焦平面位置微調(diào)系統(tǒng)（如Z軸微位移裝置）可實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)微調(diào)。
晶圓臺(tái)（Wafer Stage）
晶圓臺(tái)不僅在XY方向進(jìn)行步進(jìn)或掃描，還能在Z方向上實(shí)現(xiàn)微米甚至納米級(jí)升降。焦距控制通常通過(guò)調(diào)整晶圓臺(tái)Z軸高度，使光刻膠表面與光學(xué)焦點(diǎn)平面對(duì)齊。
自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)（Auto Focus System, AFS）
自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)通過(guò)激光反射測(cè)距或光學(xué)干涉測(cè)量，實(shí)時(shí)檢測(cè)晶圓表面的高度信息，并將反饋信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，以動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距。
地形映射系統(tǒng)（Leveling System）
在實(shí)際生產(chǎn)中，晶圓表面并不完全平整。Leveling系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)傳感器掃描晶圓表面，建立三維高度地圖，使光刻機(jī)在掃描時(shí)自動(dòng)調(diào)整焦點(diǎn)高度，保證全區(qū)域曝光一致。
三、光刻機(jī)Focal原理的工作機(jī)制
光刻機(jī)的焦距控制過(guò)程可分為三個(gè)主要階段：測(cè)量、校正、跟蹤。
焦距測(cè)量（Focus Measurement）
光刻機(jī)在曝光前，會(huì)用激光束從一定角度照射晶圓表面，反射光經(jīng)檢測(cè)器接收后計(jì)算反射光路變化，推算出晶圓表面高度。
常見的測(cè)距方式有：
激光三角測(cè)距法：利用入射與反射角度差計(jì)算表面高度；
干涉測(cè)量法：通過(guò)光程差干涉條紋精確計(jì)算納米級(jí)高度變化；
多點(diǎn)測(cè)量法：同時(shí)在多個(gè)區(qū)域采樣，形成完整的焦平面模型。
焦距校正（Focus Correction）
根據(jù)測(cè)得的高度差，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整晶圓臺(tái)Z軸高度或傾斜角度，使光刻膠表面與鏡頭焦平面對(duì)齊。
現(xiàn)代光刻機(jī)采用磁懸浮或氣浮平臺(tái)，使晶圓臺(tái)的垂直位移精度達(dá)到納米級(jí)，并可在高速掃描中保持穩(wěn)定。
焦距跟蹤（Focus Tracking）
在步進(jìn)或掃描曝光過(guò)程中，焦點(diǎn)必須持續(xù)跟隨晶圓的微小起伏。系統(tǒng)根據(jù)事先建立的晶圓地形圖和實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整焦點(diǎn)位置，使曝光區(qū)域始終保持在最佳焦距。
四、Focal原理與成像質(zhì)量的關(guān)系
焦距控制直接影響光刻分辨率和圖案保真度。其作用可從以下幾個(gè)方面理解：
分辨率提升
當(dāng)焦點(diǎn)準(zhǔn)確時(shí)，曝光光束在光刻膠中形成清晰的干涉圖案，線條邊緣銳利；若焦距偏離，則會(huì)導(dǎo)致線條模糊、對(duì)比度下降。
景深（Depth of Focus, DOF）
景深表示焦距允許的容差范圍。波長(zhǎng)越短、數(shù)值孔徑（NA）越大，景深越淺。EUV光刻機(jī)的景深僅數(shù)十納米，因此需要極高精度的Focal控制系統(tǒng)來(lái)維持成像質(zhì)量。
焦距漂移補(bǔ)償
光刻過(guò)程中，由于溫度變化、機(jī)械振動(dòng)或光學(xué)熱膨脹，焦距可能發(fā)生漂移。系統(tǒng)需通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋機(jī)制自動(dòng)修正，以維持穩(wěn)定曝光。
五、Focal技術(shù)的演進(jìn)
從早期的步進(jìn)式光刻機(jī)到現(xiàn)代EUV系統(tǒng)，F(xiàn)ocal控制經(jīng)歷了巨大技術(shù)演進(jìn)：
傳統(tǒng)DUV光刻機(jī)使用激光三角測(cè)距，控制精度約±100納米；
ArF浸沒(méi)式光刻機(jī)引入多點(diǎn)干涉測(cè)量系統(tǒng)，將精度提升至±20納米；
EUV光刻機(jī)采用真空環(huán)境下的多通道反射測(cè)距與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)焦距控制，精度可達(dá)±5納米以內(nèi)。
此外，現(xiàn)代系統(tǒng)還加入了AI焦距預(yù)測(cè)算法，通過(guò)學(xué)習(xí)晶圓翹曲規(guī)律與熱漂移模型，提前預(yù)測(cè)焦距變化，進(jìn)一步提升成像一致性。
六、總結(jié)
光刻機(jī)的Focal原理是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)電路圖案精確曝光的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它通過(guò)激光測(cè)距、干涉檢測(cè)和實(shí)時(shí)反饋控制，實(shí)現(xiàn)光學(xué)焦點(diǎn)與晶圓表面的完美匹配。焦距控制不僅決定了曝光的分辨率和良率，更體現(xiàn)了光刻機(jī)精密工程的核心能力。
可以說(shuō)，F(xiàn)ocal控制系統(tǒng)是光刻機(jī)的“眼睛”和“手指”——它確保每一次曝光都落在最清晰的位置，讓掩模上的圖案被精準(zhǔn)復(fù)制到晶圓上。隨著制程從7nm、5nm邁向2nm時(shí)代，焦距控制技術(shù)的重要性將進(jìn)一步提升，成為支撐未來(lái)芯片制造精度的核心動(dòng)力。
