2. 对准标记的物理基础

对准系统要“看见”硅片上的标记，本质上是在探测标记对入射光的调制结果。ASML 的对准传感器（如 ATHENA 系列）并不直接成像一个十字线，而是用一束或多束激光照射硅片上的光栅标记，再收集其衍射光。因此，理解对准标记的物理基础，核心是理解三件事：光栅如何把光“分”到不同衍射级、相位光栅与振幅光栅在衍射效率上的差异、以及标记材料与膜层堆叠如何改变最终进入传感器的光强与相位。

一、衍射光栅标记：为什么用光栅而不是实心图形

对准标记通常被设计成周期性的光栅结构，例如周期 P = 16 μm、占空比接近 50% 的线条-间隙阵列，或二维的棋盘格/正交光栅。选择光栅的根本原因在于：光栅能把入射光衍射到离散的级次，而级次角度由光栅方程决定：

sinθ_m = sinθ_i + m·λ / P

其中：
m   = 衍射级次（0, ±1, ±2, ...）
λ   = 入射光波长
P   = 光栅周期
θ_i = 入射角
θ_m = 第 m 级衍射角

以 λ = 633 nm、P = 16 μm、正入射为例，±1 级衍射角约为 ±2.27°。这个角度很小，意味着 ±1 级光几乎与 0 级光同向传播，传感器可以用同一套光学系统收集它们。更重要的是，对准位置信息主要编码在 ±1 级光的相位差中：当标记相对传感器横向移动 Δx 时，+1 级与 −1 级的相位分别变化 +2πΔx/P 和 −2πΔx/P，两者之差为 4πΔx/P。传感器通过干涉这两束光，把位移转化为可测量的光强变化，从而实现亚纳米级的位置分辨。

如果标记是实心十字线，反射光只有 0 级，没有相位差可供干涉，位置信息只能靠图像边缘的灰度梯度提取，精度和抗干扰能力都远不如光栅。这就是对准标记普遍采用光栅结构的物理原因。

二、相位光栅与振幅光栅：调制机制的差异

光栅按调制方式分为两类。振幅光栅通过周期性地遮挡光来产生衍射：亮区反射、暗区吸收或散射，入射光被“切”成条纹。相位光栅则不改变光的振幅，而是通过周期性地改变反射光的相位来产生衍射，典型实现是硅片表面刻蚀出周期性沟槽，槽底与台面之间存在光程差。

两者的衍射效率差异显著。对于理想的二元振幅光栅，±1 级衍射效率上限约为 10.1%（每级），0 级占 25%。而理想二元相位光栅在相位差为 π 时，0 级可被完全抑制，±1 级效率各可达约 40.5%。这意味着同样入射功率下，相位光栅能给传感器提供强得多的 ±1 级信号，信噪比更高。

实际对准标记多为“相位型”设计：在硅片或膜层上刻蚀出周期沟槽，利用槽深 d 和材料折射率 n 产生相位差 Δφ = 4πnd/λ（正入射、双程反射）。例如 λ = 633 nm、n ≈ 1.46 的氧化硅槽，要得到 π 相位差，槽深约为 108 nm。工程上会通过调整槽深和占空比，把能量尽量分配到 ±1 级，同时抑制 0 级，以提升对准信号对比度。

三、标记材料与膜层堆叠的影响

标记不是孤立存在的，它嵌在硅片表面的膜层堆叠中。入射光在到达标记之前，要先穿过光刻胶、抗反射层、硬掩模等透明或半透明膜层；在标记表面反射后，还要再次穿过这些膜层才能回到传感器。每一层都会引入反射、透射和相位延迟，最终改变传感器接收到的 ±1 级光强和相位。

影响主要体现在三个方面。第一是反射率匹配：如果标记材料（如多晶硅、钨、铜）与周围膜层的反射率差异太小，衍射对比度下降，传感器难以分辨 ±1 级信号。第二是膜层厚度引起的相位偏移：透明膜层的厚度波动会直接叠加到标记的衍射相位上，形成对准位置误差。例如 100 nm 厚的氧化硅层，折射率 1.46，正入射双程光程差约 292 nm，对应 λ=633 nm 时约 0.46π 的相位偏移，足以造成可观测的对准偏移。第三是波长选择：不同膜层堆叠对不同波长的反射率和相位响应不同，ASML 对准系统通常提供多个波长（如 532 nm、633 nm、780 nm 等），通过多波长测量并比较结果，可以识别和补偿膜层引起的相位误差。

工程实践中，标记设计需要与膜层堆叠协同优化。常见做法包括：在标记区域下方增加反射增强层，提高 ±1 级光强；控制标记上方膜层的厚度均匀性，减少相位噪声；选择对膜层不敏感的波长组合，或使用多波长加权算法抑制残余误差。对于先进节点，还会采用分段光栅、二维光栅或复合标记，在同一区域内编码多个方向和多组周期的信息，以提升对准鲁棒性。

总结来看，对准标记的物理基础可以归纳为一条链：光栅周期决定衍射级次角度，相位/振幅调制方式决定衍射效率，膜层堆叠决定最终进入传感器的光强与相位。理解这条链，才能在标记设计、工艺集成和对准异常排查中做出正确判断。