雷（léi）尼紹：先進位置編碼（mǎ）器技術提升光刻工藝水平
2019-6-20 來源：雷尼紹（shào） 作者：-
光刻技術，顧名思義就是一種用光刻（kè）印（yìn）的技（jì）術，它廣泛應用於半導體製（zhì）造行業以及許（xǔ）多其他納米技術應用中；為（wéi）適應當今微電子（zǐ）產（chǎn）品日趨微型化的趨勢（shì），相關應用領域越來越需（xū）要具備（bèi）高生產能力的光刻設備（bèi）。
本文探討了位置反饋技術在現代光刻工藝中的應用，以及最新光柵係統和傳統（tǒng）激光尺係統各自的優勢（shì）與潛能，這些特性為機器設（shè）計人員提供了極大（dà）的靈活性，使其能夠探索（suǒ）如何在不影響性能的前提下最大程度（dù）地（dì）減少光刻設（shè）備的占地麵積。
半導體製造
在光刻工藝中，通常首先在矽晶圓上沉積一層光敏性光致（zhì）抗蝕劑材料（光刻膠）。然後，光束通過光掩模照射到晶圓上（shàng），以將掩模（mó）圖形（xíng）呈現在光刻膠上，再使用顯影劑溶解掉經過曝光的光刻膠區域。最後（hòu），選擇性地在晶圓表麵（miàn）上的裸露區域內進行蝕刻或（huò）填充半導體、導電或絕緣材料。通過這種方式，便可構建出所需（xū）的多個微電子特征層（通常要進行大約30次（cì）光刻流（liú）程）（參見圖（tú）1）。
圖1：顯微鏡下的矽晶（jīng）圓
浸（jìn）沒式掃描光（guāng）刻機包含一套透鏡係統，用於使光束穿（chuān）過光掩模或（huò）“中間掩模”聚焦到半導體晶圓（yuán）上。它還含有一（yī）組密（mì）封元（yuán）件，可在物鏡和半導體襯底之間封入一定體積的液體，由於液（yè）體的光（guāng）線折射率高於空氣，因此可以獲得（dé）更高的光學分辨率和更小（xiǎo）的特（tè）征尺寸。
在浸沒掃（sǎo）描中，光束保持固定，而（ér）由於透鏡的倒（dǎo）置效應，光掩模和晶圓需沿相反方（fāng）向運動。這需要將位（wèi）置精確反饋到光掩（yǎn）模和晶圓運（yùn）動平台上的控製致動器，以實現高精度的運動控製。可使光（guāng）源以一定頻率閃爍，以（yǐ）便（biàn）每次曝光晶圓上的不同區域。
光掩（yǎn）模（mó）與晶圓襯底精確（què）對準，使得每（měi）片掩（yǎn）模上的圖案均可精確（què）刻畫到已（yǐ）經存在的蝕刻圖形層上。這一步驟是製造集（jí）成電路 (IC) 的關鍵（jiàn）：晶圓和光掩模上的基準點自動對準，誤差（chà）範圍小於±20 nm，具體（tǐ）取決於IC的特征尺寸（cùn），並修正X、Y和θ（旋轉）方向（xiàng）上的偏置。
每個平台的長距離增量式測量係統（tǒng）上（shàng）都需使用直線（xiàn）光柵，以確保位置和速度都達到指定的（de）精度。高精（jīng）度光（guāng）柵反饋使（shǐ）中間掩模和晶圓平台能夠串聯工作，實現以要求的覆蓋精度執行（háng）計劃掃描軌（guǐ）跡（jì）。激光尺（chǐ）和一些最（zuì）先進的光柵可以滿足（zú）這一半（bàn）導體製造工藝的苛刻精度要求，例如雷尼紹的最新光（guāng）柵（shān）VIONiC™係列（liè），其電子細分誤差低至 <±15 nm。
平板顯示器製造（zào）
平板顯（xiǎn）示器 (FPD) 製造中應用的傳統光刻工藝也用於半導（dǎo）體芯片（piàn）製造（zào）。芯片（piàn）研發的一個主要驅動因素是電子設備尺寸的愈加微型化（huà）。另一方麵，在FPD行業內，則按照能（néng）夠製造出的玻璃基板的最（zuì）大物理尺寸（單位為平方毫米）對每一代製造技術進行分類。例如，第十代 (G10) FPD是從2880 mm×3080 mm的玻璃基（jī）板上（shàng）切割的。薄膜晶體管 (TFT) 是必不可少的顯示器元件，其臨界尺寸 (CD) 接（jiē）近3微米，在好幾代製造（zào）工藝中都保持穩（wěn）定。
每（měi）一代新產品都可加（jiā）工出更大的基板，因此必須提（tí）高生產率，實現通過單次曝光在基板的更大區域內形（xíng）成電路圖案（àn）。有人提出將多透鏡（jìng）係統作（zuò）為問題解決方案，以覆蓋（gài）更大區域。
然而，FPD行業（yè）的一個重大挑戰是製造和處理越來越（yuè）大的光掩模，因為光掩模尺寸必須與基板尺寸成正比。無掩模投射係統逐（zhú）漸流行，成為FPD生產中的替代技術。其中有這樣一種技術，即使用空間光調製器 (SLM) 以類似於（yú）數字印刷的方式直接在（zài）基板上（shàng）刻畫圖案（àn）。
圖2：空間光調製器 (SLM) 成像單元
例如，一種並行光刻係統，如圖3所示，包含（hán）呈並行陣列排布的一組SLM成（chéng）像單元，每個（gè）單元又（yòu）包含一個SLM壓模組件、一個球麵鏡、多個光源和一套投射透鏡組件，如圖2所示。SLM壓模組件是MEM（微機（jī）電（diàn）係統）器（qì）件，具有數千個可控微型鏡組，通過鏡組的傾斜可使入射光在透（tòu）鏡（jìng）焦平麵中產生（shēng）高對（duì）比度的明暗掩（yǎn）模圖案。需要精（jīng）確的運動控製來協調成像單元及其（qí）下方麵積更（gèng）大的基板運動平台。在（zài）這種情況（kuàng）下（xià），基板沿著X軸移動，SLM單元沿著（zhe）Y軸移動，如同打印頭一樣（yàng）。兩個平台均由空氣軸承支撐，並由直線電機驅動。
圖3：帶SLM成像單元的並（bìng）行光刻係統
可以使用視（shì）覺識別係統通過基板（bǎn）平台上的參考標記（jì）來引導成像（xiàng）單元的運動。這類（lèi）係統也可以配用卷對卷柔性基板。
在這類（lèi）製造係統中，除了提供用於直線電機換向的數據之外，位置（zhì）傳感器反饋還有助於精確控製位置（zhì）。為了達到FPD行業要求的對準精度，即 <±2微米，編（biān）碼器的分辨率要顯（xiǎn）著小於1 µm。高性能直線（xiàn）光柵和幹涉（shè）測量激光尺適（shì）用於此類應用，如雷尼紹的VIONiC光柵和RLE光纖（xiān）激光尺係列。
未來的高通量納米蝕刻技術（shù）
現代光刻技術（shù）是在整個矽（guī）晶（jīng）圓上掃描或步進光掩模，長期目標是以低成本實現納（nà）米級分辨率和高通量。無掩模直寫光刻技術無需使（shǐ）用眾多昂貴（guì）的光（guāng）掩模，而恰恰是掩模限製了最新型微電子（zǐ）器件的最小（xiǎo）可實現特征尺寸。
近場掃描光（guāng）刻 (NSOL) 特（tè）別適合這類應用，因為它可以突破分辨率的瑞利衍射（shè）極限。如圖4和圖5所示，NSOL技術使用具有納米尺寸孔徑的（de）掃描探針作為掩模上的“超衍射極限（xiàn）”光源，可在光學近（jìn）場尺度範圍內直接寫入表麵特（tè）征。從這些納米尺寸孔徑射（shè）出的光會嚴重發散高達幾十納米，因此（cǐ）必須精確控製掩模和基（jī）板之間的間隙，使其維持在幾十（shí）納米之內，這（zhè）對於確保工藝性（xìng）能（néng）至關重要。
圖4：近場掃描（miáo）光刻設備
圖5：帶蝴蝶結形孔的NSOL掩模（底視圖）
通過用激光依次掃過每個孔，可以直接在基板上構建圖像。多軸壓電（diàn）平台用於相對於掩模定位基板。這些平台的位置編碼器反（fǎn）饋需要保持在亞納米（mǐ）級分辨率範圍內，因此激（jī）光幹涉儀型（xíng）係統更（gèng）適合進行更精細的調整。傳統（tǒng）的高性能光柵可以用於粗調直線電機平台的換向。
高精度運動平台的重要性（xìng）
光掩模運動平台是光刻設備的核心技術之（zhī）一，這些先進（jìn）的運動平（píng）台使用包括音（yīn）圈（quān）電機 (VCM) 在內的多種（zhǒng）不同類型的電機執行粗略 (>100 mm) 運動控製和更精細 (<2 mm) 的運動控製。運（yùn）動命令模式通常是（shì）“加速 — 勻速 — 減速”類型。典型（xíng）的掩模平台通常具有六個自由度，要（yào）用到多根需（xū）要高精度位置反饋的驅動軸。高分辨（biàn）率、高速度和低延遲的位置（zhì）編碼器是（shì）動態平台定位的（de）關鍵，因（yīn）為它們可（kě）以盡可能（néng）增加帶寬並降低不（bú）穩定性。在這些應用中，編碼器的選擇至關重要。編（biān）碼器的周期誤差低，則對（duì）伺服（fú）回路的輸入負載幹擾較小，從而（ér）實現更精細的速度控製。使用精心設計（jì）的安裝工具（例如與VIONiC配用的（de）Advanced Diagnostic Tool (ADTi-100)）妥善安裝，更可實現編碼器的最佳整體性（xìng）能。
總結
先進（jìn）的（de）光柵技術可滿（mǎn）足光刻工藝（yì）苛刻的高精度、重複性和穩定性要求。對（duì）於某些反饋應用（yòng），機器設計人員應（yīng）考慮緊湊型先進（jìn）光柵解決方案是（shì）否能夠替代傳統的幹涉（shè）測量（liàng）激光尺係統。鑒於無掩模光刻技術（shù）的進步，有朝一日可能不會再需要光掩（yǎn）模的多重曝光，但未（wèi）來對（duì）測量性能（néng）的要求一定（dìng）不會降低。
如需了解（jiě）VIONiC係統（tǒng）的（de）詳（xiáng）細信息，請訪問www.renishaw.com.cn/vionic
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新（xīn）聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新（xīn）聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com
更多（duō）本專（zhuān）題新聞
名（míng）企推薦
專題點擊前十
| 更多
