壓電納米運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品在光刻機(jī)中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)芯片的要求越來(lái)越高，要求高速、納米級(jí)超小尺寸、低功耗、低時(shí)延等，而這些要求都對(duì)微電子制造裝備的性能和精度提出了更高層次的要求。

微電子制造裝備流程

微電子制造的流程非常繁瑣，從原材料開(kāi)始，要經(jīng)過(guò)很多道復(fù)雜的工序才能得到最終可使用的芯片。大致流程如下。

1.加法工藝

1.1摻雜（擴(kuò)散、離子注入）

對(duì)應(yīng)設(shè)備：擴(kuò)散爐、離子注入機(jī)、退火爐

1.2薄膜（氧化、化學(xué)氣相淀積、濺射、外延）

對(duì)應(yīng)設(shè)備：氧化爐、CVD反應(yīng)爐、濺射鍍膜機(jī)、外延設(shè)備

2.減法工藝

刻蝕（濕法刻蝕、干法刻蝕）

對(duì)應(yīng)設(shè)備：濕法刻蝕機(jī)、反應(yīng)離子刻蝕機(jī)

3.輔助工藝

拋光及清洗（化學(xué)機(jī)械平坦化、清洗）

對(duì)應(yīng)設(shè)備：CMP拋光機(jī)、硅片清洗機(jī)

4.圖形轉(zhuǎn)移工藝

圖形轉(zhuǎn)移（光刻）

對(duì)應(yīng)設(shè)備：光刻機(jī)、涂膠顯影設(shè)備

5.后道工藝

測(cè)試及封裝（測(cè)試、封裝）

對(duì)應(yīng)設(shè)備：測(cè)試設(shè)備、劃片機(jī)、鍵合機(jī)

在整個(gè)流程中，難度最高的就是光刻。

光刻（Photolithography Fabrication）是通過(guò)光波將圖案從版圖或掩模轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶圓表面的工藝。該過(guò)程是集成電路制造過(guò)程中難度最高的階段，光刻機(jī)也是目前全球最精密的設(shè)備，相應(yīng)的廠家數(shù)量也屈指可數(shù)。

光刻機(jī)也叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，光刻工藝一般分為8個(gè)基本步驟：氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)和曝光、曝光后烘焙、顯影、堅(jiān)膜烘焙、顯影檢查。其中對(duì)準(zhǔn)和曝光在光刻機(jī)（Lithography Tool）內(nèi)進(jìn)行。其他工藝在涂膠顯影機(jī)（Track）上進(jìn)行。

光刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)

在光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)和曝光過(guò)程中有兩個(gè)重要的工作平臺(tái)，一個(gè)是工件臺(tái)，用于承載硅片，即晶圓；另一個(gè)是掩模臺(tái)，用于承載掩模版，簡(jiǎn)稱(chēng)掩模。掩模上承載有設(shè)計(jì)圖形，光線透過(guò)掩模照射到晶圓上，就會(huì)將掩模上的設(shè)計(jì)圖形投射到晶圓的光刻膠上。而光源要通過(guò)多個(gè)反射鏡進(jìn)行最終光譜的篩選，經(jīng)過(guò)掩模，再透過(guò)投影物鏡才能最終投射到晶圓上，而投影物鏡又具有多個(gè)透鏡，其中含有動(dòng)鏡，以便對(duì)像差進(jìn)行調(diào)整。注：圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

壓電納米運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品在光刻機(jī)中的應(yīng)用

隨著集成電路的尺寸越來(lái)越小，光刻投影物鏡的像差對(duì)成像質(zhì)量的影響越來(lái)越大。但通過(guò)采用壓電納米運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品作為物鏡的驅(qū)動(dòng)源，可對(duì)像散、球差與畸變等像差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

一）芯明天N31直線壓電馬達(dá)用于投影物鏡的高精度微調(diào)

芯明天公司生產(chǎn)的撓性鉸鏈?zhǔn)綁弘娂{米定位臺(tái)，精度可高達(dá)納米甚至亞納米級(jí)，位移一般上限可達(dá)約1mm。

而芯明天生產(chǎn)的直線壓電馬達(dá)，不僅可以滿(mǎn)足高達(dá)100mm的行程要求，并可保證相應(yīng)的納米級(jí)定位精度，如芯明天N31系列直線壓電馬達(dá)，即可保證大量程，又可提供高精度的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)。

芯明天N31系列直線壓電馬達(dá)

采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，保證了大行程、納米精度和大出力

芯明天N31直線壓電馬達(dá)是采用類(lèi)似人行走的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)方式，它的內(nèi)部具有多組壓電促動(dòng)器，每組步進(jìn)分兩對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成，每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器都通過(guò)電壓信號(hào)控制，每對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器間的伸長(zhǎng)與收縮運(yùn)動(dòng)配合，控制了中間移動(dòng)桿的前進(jìn)或后移。

N31直線壓電馬達(dá)內(nèi)部壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)原理

增量式編碼器，保證高精度位置控制

N31系列直線壓電馬達(dá)內(nèi)置非接觸式光學(xué)編碼器，分辨率高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小，為壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高精度運(yùn)動(dòng)提供保證，且不受機(jī)械作用、彈性變形等影響。

增量式編碼器工作原理圖

注：圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

二）芯明天六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)在光刻機(jī)中用于調(diào)整晶圓或物鏡的傾斜與位置

芯明天六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)與常見(jiàn)的六軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同，它的直線分辨率可優(yōu)于0.5nm，角度偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分辨率可優(yōu)于0.5μrad，這可為光刻機(jī)中晶圓或物鏡的六軸直線與角度調(diào)整提供超高的定位精度，可用于消除因激光能量引起的物鏡熱畸變等，對(duì)像質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償。

芯明天H60系列六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六支驅(qū)動(dòng)桿都是壓電式驅(qū)動(dòng)桿，六個(gè)壓電促動(dòng)器并聯(lián)式連接，促動(dòng)器間相互配合，最終控制上端的移動(dòng)面的傾斜或直線運(yùn)動(dòng)。該種結(jié)構(gòu)沒(méi)有誤差積累，誤差小、精度高。

該六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)是采用上位機(jī)軟件控制，提供VC++、Matlab、LabView 使用例程和DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)等，方便二次開(kāi)發(fā)。

三）芯明天壓電促動(dòng)器用于掩模對(duì)準(zhǔn)、定位精調(diào)

工件臺(tái)和掩模臺(tái)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)量和控制三部分組成。工作臺(tái)、掩模臺(tái)與傳輸結(jié)構(gòu)、位置傳感器間形成閉環(huán)配合，最終完成工件臺(tái)與掩模間的精確對(duì)準(zhǔn)。而這個(gè)過(guò)程要求掩模臺(tái)與工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)一定要保持對(duì)位準(zhǔn)確，否則會(huì)導(dǎo)致成像位置的偏移，這就影響了最后的套刻精度。

因此，一般采用四倍縮小倍率的投影物鏡，可以顯著減小掩模缺陷對(duì)成像質(zhì)量的影響。但也同時(shí)要求掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度要比工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度快4倍。這就要求運(yùn)動(dòng)機(jī)械部分要有高速和高精度的特點(diǎn)。

芯明天直線壓電促動(dòng)器具有體積小、響應(yīng)速度快、精度高、出力大等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足掩模對(duì)準(zhǔn)中的高速、高精度要求。

芯明天壓電促動(dòng)器

例如芯明天VS12系列壓電促動(dòng)器，它的行程范圍在9至152μm，出力可達(dá)1200N，固定端與移動(dòng)端皆通過(guò)機(jī)械接口（平頭、內(nèi)螺紋、外螺紋、球頭、定制等）進(jìn)行連接。它采用PZT壓電陶瓷直驅(qū)結(jié)構(gòu)，具有毫秒級(jí)快速響應(yīng)能力?？赏ㄟ^(guò)多支壓電促動(dòng)器間的配合完成快速、高精度的掩模對(duì)準(zhǔn)。

在曝光過(guò)程中，由于掩模臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，會(huì)引起掩模臺(tái)的滑動(dòng)，導(dǎo)致精度降低。為了補(bǔ)償這種不可控的振動(dòng)或位置偏差，就同樣需要運(yùn)動(dòng)機(jī)械部分的高速、高精度調(diào)整，同時(shí)要與位置傳感器間相配合。

四）芯明天壓電促動(dòng)器用于慣性抵消、主動(dòng)抑振

由于光刻機(jī)中的工件臺(tái)與掩模臺(tái)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)的速度較高，會(huì)產(chǎn)生一定慣性，這會(huì)引起工作臺(tái)的振動(dòng)，會(huì)對(duì)光刻產(chǎn)生不利影響。

為了消除工作臺(tái)的振動(dòng)，通常采用主動(dòng)抑振的方式。

芯明天針對(duì)不同結(jié)構(gòu)提供了不同的壓電促動(dòng)與傳感方案。其中一種為壓電促動(dòng)與傳感一體式，即將促動(dòng)部分與傳感部分做成一體式壓電陶瓷，通過(guò)壓電傳感部分來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及受力情況，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，再通過(guò)預(yù)先確定的算法來(lái)調(diào)節(jié)施加到促動(dòng)部分的電壓，使之產(chǎn)生與振動(dòng)方向相反的力，從而抵消振動(dòng)。工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

此外，也可采用芯明天封裝式壓電促動(dòng)器，它具有高頻、高響應(yīng)、大出力、小體積等特點(diǎn)，非常適用于光刻機(jī)中的減振抑振應(yīng)用。在傳感器檢測(cè)到振動(dòng)或位置偏差信號(hào)時(shí)，通過(guò)反饋至壓電控制器或外部控制單元，再調(diào)節(jié)壓電控制器向封裝式壓電促動(dòng)器所施加的控制電壓信號(hào)，使得壓電促動(dòng)器產(chǎn)生與振動(dòng)方向相反的力，從而抵消工作臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)。

芯明天壓電陶瓷促動(dòng)器的出力可高達(dá)50kN，響應(yīng)速度可達(dá)毫秒級(jí)，可快速、精準(zhǔn)抵消工作臺(tái)的振動(dòng)。

五）芯明天電容式傳感器在光刻機(jī)中用于位置或振動(dòng)檢測(cè)

光刻機(jī)中的工件臺(tái)、掩模臺(tái)、物鏡的偏差或振動(dòng)都需要傳感器進(jìn)行檢測(cè)，而電容傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、體積小等特點(diǎn)，在光刻機(jī)中得到大量應(yīng)用。

芯明天國(guó)產(chǎn)化電容式傳感器現(xiàn)已面市，具有多種量程，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，分辨率可高達(dá)1.25nm，-3db帶寬可達(dá)2kHz，線性度達(dá)0.05%，重復(fù)度高達(dá)0.0025%。

芯明天電容式傳感器

芯明天電容傳感器是基于一個(gè)理想的平行板電容器原理，傳感器與相對(duì)面被測(cè)目標(biāo)形成兩個(gè)電極，采用保護(hù)環(huán)電容器原理，在測(cè)量任何金屬時(shí)，可保證傳感器仍是線性的。

電容傳感器原理圖

芯明天電容式傳感器配備信號(hào)采集模塊，該模塊通過(guò)內(nèi)部電路將電容傳感器與被測(cè)表面間的電容值轉(zhuǎn)換為電壓值，輸出電壓范圍為0~10V，該輸出范圍與電容傳感器的0至最大量程成線性關(guān)系。

該電容式傳感器非常適用于工作臺(tái)、掩模臺(tái)及物鏡的振動(dòng)檢測(cè)，具有3個(gè)量程可選，分別為100μm、200μm、500μm，它的靜態(tài)檢測(cè)分辨率分別為1.25nm、2.5nm、5nm。它的外徑僅φ10mm，體積小巧，易于集成。

芯明天電容傳感器及位移采集模塊

結(jié)束語(yǔ)

壓電納米運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品因其快速響應(yīng)及高精度，因此在光刻機(jī)這種超高精密的儀器中得以應(yīng)用。除上述的部分應(yīng)用外，壓電納米運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品在光刻機(jī)中還有很多應(yīng)用，如壓電移相器用于動(dòng)鏡的移相、壓電偏擺臺(tái)用于動(dòng)鏡的移相和調(diào)平、二維壓電掃描臺(tái)用于物鏡的偏心對(duì)準(zhǔn)、壓電陶瓷促動(dòng)器用于傳感及促動(dòng)器...等等，這與具體的光刻機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)及所采用的光學(xué)元件有關(guān)。

此外，芯明天公司還可定制設(shè)計(jì)大承載、大通孔型六軸壓電納米定位臺(tái)，用于物鏡的位置調(diào)整及傾斜調(diào)整；也可定制壓電納米定位臺(tái)與振動(dòng)檢測(cè)電容傳感器一體式系統(tǒng)，將檢測(cè)與減振運(yùn)動(dòng)一體化。

芯明天已專(zhuān)注于壓電納米運(yùn)動(dòng)與控制技術(shù)達(dá)15年之久，為客戶(hù)提供解決方案不計(jì)其數(shù)。

若您有任何高精度位置調(diào)整方案的需求，歡迎聯(lián)系芯明天公司，我們將根據(jù)您的具體應(yīng)用，提供高適應(yīng)性的解決方案。

審核編輯 黃昊宇