雷尼紹：先進（jìn）位置編碼（mǎ）器技術（shù）提升光刻工藝水平
2019-6-20 來源：雷尼紹 作者：-
光刻（kè）技術，顧名思義（yì）就是一種用（yòng）光刻印的技術，它廣泛應用（yòng）於半導體製造行業以（yǐ）及許多其他納米技術應用中；為適應當今微電子產品日趨微型化的趨勢，相（xiàng）關應用領（lǐng）域越來越（yuè）需要具備高生（shēng）產能力的光刻設備。
本文探討了位置反饋技術在現代光刻工藝中的應用，以及（jí）最新（xīn）光（guāng）柵係統和傳統激光尺係統各自的優勢與潛能，這些特（tè）性為機器設計人員提供了極大的靈活性，使其能夠探索如何在不影響性能的前提下最大（dà）程度地減少光刻設備的占地麵積。
半導體製造（zào）
在光刻工藝中，通常首先在矽晶圓上沉（chén）積（jī）一層光敏性光致抗蝕劑材料（光（guāng）刻膠）。然後，光束通過光掩模照射到晶圓上，以將（jiāng）掩模圖形呈現在光刻膠上，再使用顯影劑溶解掉經過曝光的光刻膠區域。最後，選（xuǎn）擇性地在晶（jīng）圓表麵上的裸露區域內（nèi）進行蝕刻（kè）或填充半導體、導電（diàn）或絕緣材（cái）料。通（tōng）過這種方式，便可構建出所（suǒ）需的（de）多個微電子（zǐ）特征層（通常要進行大約30次光刻流（liú）程）（參見圖1）。
圖1：顯微鏡（jìng）下的矽晶圓
浸沒式掃描光刻機包含一（yī）套透鏡係（xì）統，用於使光束穿（chuān）過（guò）光掩模或“中間（jiān）掩模”聚（jù）焦到（dào）半導體晶圓上。它還含有一組密封（fēng）元件，可在（zài）物鏡和半導（dǎo）體襯底之間封入一定體積（jī）的液體（tǐ），由於液體的（de）光線折射率高於空氣，因（yīn）此可以獲得更高的光學分辨率和更小的特征（zhēng）尺寸。
在浸沒掃描中，光束保持固定，而由於透鏡的倒置效應，光掩模和晶圓需沿相反方向運動。這需要將位置精確反饋到光掩模和晶圓運動平台上（shàng）的控（kòng）製致動器，以實現高精度的（de）運動控製（zhì）。可（kě）使光源（yuán）以（yǐ）一定（dìng）頻率閃爍，以便每次曝光晶圓上的不同區域。
光掩（yǎn）模與晶圓襯底精確對準，使得每（měi）片掩模上的圖案均可精確刻畫到（dào）已經存在（zài）的蝕刻圖（tú）形層上。這一步驟是（shì）製造集成電路 (IC) 的關鍵：晶圓（yuán）和光掩模上的基準點自動對準，誤（wù）差範圍小於±20 nm，具體取決於IC的特征尺寸，並（bìng）修正X、Y和θ（旋轉）方向上的偏（piān）置。
每個平台（tái）的長距離（lí）增量（liàng）式測量係統上都需使用直線光（guāng）柵，以確保位置和速度都達到指定的精度。高精度光柵（shān）反饋使中間掩模和晶圓平台能（néng）夠串聯工（gōng）作，實現以要求的（de）覆蓋精度執行計劃掃描軌跡。激光尺和一些最（zuì）先進（jìn）的光柵可以滿足這一半導體製造工藝的苛刻精度要求，例如雷尼（ní）紹的（de）最新光柵VIONiC™係列，其電子細分誤差低至 <±15 nm。
平板顯示器製（zhì）造
平板顯示器 (FPD) 製造中應（yīng）用的傳統光刻工藝（yì）也用於半導體芯片製造。芯片（piàn）研發（fā）的一個（gè）主要驅動因素是（shì）電子設備尺寸的愈加微型化。另一方麵，在FPD行業（yè）內，則按照能夠製造出的玻璃基板的最（zuì）大物（wù）理尺寸（單位為平方毫米）對每一代製造技術進（jìn）行分類。例如，第十代 (G10) FPD是從2880 mm×3080 mm的玻璃基板上切割的。薄膜晶體管（guǎn） (TFT) 是（shì）必不可少的顯示（shì）器元件（jiàn），其臨界尺寸 (CD) 接近3微米，在好（hǎo）幾代製（zhì）造工藝中都（dōu）保持穩定。
每一代新產品（pǐn）都可加工出（chū）更大的基板，因此必須提高（gāo）生產（chǎn）率，實現通過單次曝光在基（jī）板（bǎn）的更（gèng）大區域內形成電路圖案。有人提出將（jiāng）多透鏡係（xì）統作為問題解決方（fāng）案，以覆蓋更大區域。
然而，FPD行業的一個重大挑戰是製造和處理越來越大（dà）的光掩模，因為光（guāng）掩模尺寸必須與基板尺寸成正比。無掩（yǎn）模投射係統逐漸流（liú）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（yǐ）類（lèi）似於數字印刷（shuā）的方式直接在基板（bǎn）上刻畫圖案。
圖2：空間光（guāng）調製器 (SLM) 成像單元
例如（rú），一種並行（háng）光刻係統（tǒng），如圖3所示（shì），包含呈並行陣列排布的一組SLM成像單元，每個單元又包含一個SLM壓模組件（jiàn）、一個球麵鏡、多個光源和一套投射透鏡組件，如圖2所（suǒ）示。SLM壓模組件是MEM（微機電係統）器件，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鏡焦平麵中產生高對比度的明暗掩（yǎn）模圖案。需要精確的運（yùn）動控製來協（xié）調成像單元（yuán）及其下方麵積更大的基板運動平台。在這種情況下，基板沿著（zhe）X軸移動（dòng），SLM單元沿著Y軸移動，如同（tóng）打印頭一樣。兩個平（píng）台均由空氣軸承支（zhī）撐，並由直線電機驅動。
圖3：帶SLM成像單元的並行光（guāng）刻係統（tǒng）
可以使用視覺識別係統通過基板（bǎn）平台上的參考標記來引導成像單（dān）元的運動。這類係統也可以配用卷對卷柔性基板（bǎn）。
在（zài）這類製造係統中，除了提供用於直線電機換向的數據（jù）之外，位置傳感器反饋還有助於精確控製位置。為了達到FPD行業（yè）要求的對準精度，即 <±2微米，編碼（mǎ）器的分辨率要顯著小於1 µm。高性能（néng）直線光柵和幹涉測量激光尺適用於（yú）此類（lèi）應用，如雷尼紹的VIONiC光（guāng）柵和RLE光纖激光尺係列。
未來的高通量納（nà）米蝕刻（kè）技術（shù）
現代光（guāng）刻技術是在整個矽晶圓上掃描（miáo）或步進光掩模，長期目標是以低成本實現納米級分辨率和高通量。無掩模直寫（xiě）光刻技術（shù）無需使用眾多昂（áng）貴的光（guāng）掩模（mó），而恰恰是（shì）掩模（mó）限製了最新型微電子器件的最小可實現特征尺寸。
近場掃描（miáo）光刻 (NSOL) 特別適合這類應用，因為它可以突破分辨率的瑞利（lì）衍射極限。如（rú）圖4和圖5所示，NSOL技（jì）術使用具有納（nà）米尺寸孔（kǒng）徑的掃描探針作為掩模上的“超衍射極限”光源，可在光學近（jìn）場尺度範圍內直接寫入表麵特征。從這些（xiē）納米尺寸孔徑射出的光會嚴重（chóng）發散（sàn）高達幾十納米，因此（cǐ）必（bì）須精確控製掩模和基板之間（jiān）的間隙，使其維持（chí）在（zài）幾十納米（mǐ）之內，這對於確保工藝性能至關重要。
圖4：近場掃描光（guāng）刻（kè）設（shè）備
圖5：帶（dài）蝴（hú）蝶結形孔的NSOL掩模（底視圖（tú））
通過用激光依次掃過每個孔，可以直接在基板上構建圖像。多軸壓電平台用於相對於掩模定位基板。這些（xiē）平台的位置編碼器反饋需要保持在亞納米級分辨率（lǜ）範圍內，因此激光幹涉儀型係統更適合進行更精細的調（diào）整。傳統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（dòng）平（píng）台的重要性
光掩模運動平台是光（guāng）刻（kè）設備的核心技術之一，這些先進的運動平台使用包括音圈電機 (VCM) 在內的多種不同（tóng）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。運動命令模式通常是“加速 — 勻速 — 減速（sù）”類型。典型的掩模平台通常具有六個自由（yóu）度，要用到（dào）多根（gēn）需要高精度位置反饋的驅動軸。高分辨率、高速度和低延遲的位置編碼器是動態平台定位的關（guān）鍵，因為它們可以盡可能增加帶寬並降低不穩定性。在這些應用中，編碼器的選擇至關重要（yào）。編碼器（qì）的周（zhōu）期誤差低（dī），則對伺服回路的輸入負載幹擾較小，從而實現更精細的速（sù）度控製（zhì）。使用精心設計的安裝工具（例如與VIONiC配用的Advanced Diagnostic Tool (ADTi-100)）妥善安裝，更可實現編碼器的最佳整體性能。
總結
先進的光柵（shān）技術可滿足光（guāng）刻工藝苛刻的高精度、重複性和穩定性（xìng）要求。對於某些反饋（kuì）應用，機器設計人員應考慮緊湊型先進光柵解決方案是否能夠替代傳（chuán）統的幹涉測量激光尺係統。鑒於無掩模光（guāng）刻技術的進步，有朝一日可能不會再需要光掩模的多重曝光，但未來對測量性能的要求一定不會降低。
如需了解VIONiC係統的詳細信息，請訪問www.renishaw.com.cn/vionic
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