雷尼紹：先進(jìn)位置編碼器技術(shù)提升光刻工藝水平
2019-5-6 來(lái)源：雷尼紹 作者：-
光刻技術(shù)，顧名思義就是一種用光刻印的技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造行業(yè)以及許多其他納米技術(shù)應(yīng)用中；為適應(yīng)當(dāng)今微電子產(chǎn)品日趨微型化的趨勢(shì)，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越需要具備高生產(chǎn)能力的光刻設(shè)備。
本文探討了位置反饋技術(shù)在現(xiàn)代光刻工藝中的應(yīng)用，以及最新光柵系統(tǒng)和傳統(tǒng)激光尺系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)與潛能，這些特性為機(jī)器設(shè)計(jì)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程度地減少光刻設(shè)備的占地面積。
半導(dǎo)體制造
在光刻工藝中，通常首先在硅晶圓上沉積一層光敏性光致抗蝕劑材料（光刻膠）。然后，光束通過(guò)光掩模照射到晶圓上，以將掩模圖形呈現(xiàn)在光刻膠上，再使用顯影劑溶解掉經(jīng)過(guò)曝光的光刻膠區(qū)域。最后，選擇性地在晶圓表面上的裸露區(qū)域內(nèi)進(jìn)行蝕刻或填充半導(dǎo)體、導(dǎo)電或絕緣材料。通過(guò)這種方式，便可構(gòu)建出所需的多個(gè)微電子特征層（通常要進(jìn)行大約30次光刻流程）（參見(jiàn)圖1）。
圖1：顯微鏡下的硅晶圓
浸沒(méi)式掃描光刻機(jī)包含一套透鏡系統(tǒng)，用于使光束穿過(guò)光掩模或“中間掩模”聚焦到半導(dǎo)體晶圓上。它還含有一組密封元件，可在物鏡和半導(dǎo)體襯底之間封入一定體積的液體，由于液體的光線折射率高于空氣，因此可以獲得更高的光學(xué)分辨率和更小的特征尺寸。
在浸沒(méi)掃描中，光束保持固定，而由于透鏡的倒置效應(yīng)，光掩模和晶圓需沿相反方向運(yùn)動(dòng)。這需要將位置精確反饋到光掩模和晶圓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的控制致動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制。可使光源以一定頻率閃爍，以便每次曝光晶圓上的不同區(qū)域。
光掩模與晶圓襯底精確對(duì)準(zhǔn)，使得每片掩模上的圖案均可精確刻畫(huà)到已經(jīng)存在的蝕刻圖形層上。這一步驟是制造集成電路 (IC) 的關(guān)鍵：晶圓和光掩模上的基準(zhǔn)點(diǎn)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，誤差范圍小于±20 nm，具體取決于IC的特征尺寸，并修正X、Y和θ（旋轉(zhuǎn)）方向上的偏置。
每個(gè)平臺(tái)的長(zhǎng)距離增量式測(cè)量系統(tǒng)上都需使用直線光柵，以確保位置和速度都達(dá)到指定的精度。高精度光柵反饋使中間掩模和晶圓平臺(tái)能夠串聯(lián)工作，實(shí)現(xiàn)以要求的覆蓋精度執(zhí)行計(jì)劃掃描軌跡。激光尺和一些最先進(jìn)的光柵可以滿足這一半導(dǎo)體制造工藝的苛刻精度要求，例如雷尼紹的最新光柵VIONiC™系列，其電子細(xì)分誤差低至 <±15 nm。
平板顯示器制造
平板顯示器 (FPD) 制造中應(yīng)用的傳統(tǒng)光刻工藝也用于半導(dǎo)體芯片制造。芯片研發(fā)的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素是電子設(shè)備尺寸的愈加微型化。另一方面，在FPD行業(yè)內(nèi)，則按照能夠制造出的玻璃基板的最大物理尺寸（單位為平方毫米）對(duì)每一代制造技術(shù)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 (TFT) 是必不可少的顯示器元件，其臨界尺寸 (CD) 接近3微米，在好幾代制造工藝中都保持穩(wěn)定。
每一代新產(chǎn)品都可加工出更大的基板，因此必須提高生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)通過(guò)單次曝光在基板的更大區(qū)域內(nèi)形成電路圖案。有人提出將多透鏡系統(tǒng)作為問(wèn)題解決方案，以覆蓋更大區(qū)域。
然而，F(xiàn)PD行業(yè)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是制造和處理越來(lái)越大的光掩模，因?yàn)楣庋谀３叽绫仨毰c基板尺寸成正比。無(wú)掩模投射系統(tǒng)逐漸流行，成為FPD生產(chǎn)中的替代技術(shù)。其中有這樣一種技術(shù)，即使用空間光調(diào)制器 (SLM) 以類似于數(shù)字印刷的方式直接在基板上刻畫(huà)圖案。
圖2：空間光調(diào)制器 (SLM) 成像單元
例如，一種并行光刻系統(tǒng)，如圖3所示，包含呈并行陣列排布的一組SLM成像單元，每個(gè)單元又包含一個(gè)SLM壓模組件、一個(gè)球面鏡、多個(gè)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)電系統(tǒng)）器件，具有數(shù)千個(gè)可控微型鏡組，通過(guò)鏡組的傾斜可使入射光在透鏡焦平面中產(chǎn)生高對(duì)比度的明暗掩模圖案。需要精確的運(yùn)動(dòng)控制來(lái)協(xié)調(diào)成像單元及其下方面積更大的基板運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。在這種情況下，基板沿著X軸移動(dòng)，SLM單元沿著Y軸移動(dòng)，如同打印頭一樣。兩個(gè)平臺(tái)均由空氣軸承支撐，并由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
圖3：帶SLM成像單元的并行光刻系統(tǒng)
可以使用視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)基板平臺(tái)上的參考標(biāo)記來(lái)引導(dǎo)成像單元的運(yùn)動(dòng)。這類系統(tǒng)也可以配用卷對(duì)卷柔性基板。
在這類制造系統(tǒng)中，除了提供用于直線電機(jī)換向的數(shù)據(jù)之外，位置傳感器反饋還有助于精確控制位置。為了達(dá)到FPD行業(yè)要求的對(duì)準(zhǔn)精度，即 <±2微米，編碼器的分辨率要顯著小于1 µm。高性能直線光柵和干涉測(cè)量激光尺適用于此類應(yīng)用，如雷尼紹的VIONiC光柵和RLE光纖激光尺系列。
未來(lái)的高通量納米蝕刻技術(shù)
現(xiàn)代光刻技術(shù)是在整個(gè)硅晶圓上掃描或步進(jìn)光掩模，長(zhǎng)期目標(biāo)是以低成本實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率和高通量。無(wú)掩模直寫(xiě)光刻技術(shù)無(wú)需使用眾多昂貴的光掩模，而恰恰是掩模限制了最新型微電子器件的最小可實(shí)現(xiàn)特征尺寸。
近場(chǎng)掃描光刻 (NSOL) 特別適合這類應(yīng)用，因?yàn)樗梢酝黄品直媛实娜鹄苌錁O限。如圖4和圖5所示，NSOL技術(shù)使用具有納米尺寸孔徑的掃描探針作為掩模上的“超衍射極限”光源，可在光學(xué)近場(chǎng)尺度范圍內(nèi)直接寫(xiě)入表面特征。從這些納米尺寸孔徑射出的光會(huì)嚴(yán)重發(fā)散高達(dá)幾十納米，因此必須精確控制掩模和基板之間的間隙，使其維持在幾十納米之內(nèi)，這對(duì)于確保工藝性能至關(guān)重要。
圖4：近場(chǎng)掃描光刻設(shè)備
圖5：帶蝴蝶結(jié)形孔的NSOL掩模（底視圖）
通過(guò)用激光依次掃過(guò)每個(gè)孔，可以直接在基板上構(gòu)建圖像。多軸壓電平臺(tái)用于相對(duì)于掩模定位基板。這些平臺(tái)的位置編碼器反饋需要保持在亞納米級(jí)分辨率范圍內(nèi)，因此激光干涉儀型系統(tǒng)更適合進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)整。傳統(tǒng)的高性能光柵可以用于粗調(diào)直線電機(jī)平臺(tái)的換向。
高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重要性
光掩模運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是光刻設(shè)備的核心技術(shù)之一，這些先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)使用包括音圈電機(jī) (VCM) 在內(nèi)的多種不同類型的電機(jī)執(zhí)行粗略 (>100 mm) 運(yùn)動(dòng)控制和更精細(xì) (<2 mm) 的運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)命令模式通常是“加速 — 勻速 — 減速”類型。典型的掩模平臺(tái)通常具有六個(gè)自由度，要用到多根需要高精度位置反饋的驅(qū)動(dòng)軸。高分辨率、高速度和低延遲的位置編碼器是動(dòng)態(tài)平臺(tái)定位的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兛梢员M可能增加帶寬并降低不穩(wěn)定性。在這些應(yīng)用中，編碼器的選擇至關(guān)重要。編碼器的周期誤差低，則對(duì)伺服回路的輸入負(fù)載干擾較小，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的速度控制。使用精心設(shè)計(jì)的安裝工具（例如與VIONiC配用的Advanced Diagnostic Tool (ADTi-100)）妥善安裝，更可實(shí)現(xiàn)編碼器的最佳整體性能。
總結(jié)
先進(jìn)的光柵技術(shù)可滿足光刻工藝苛刻的高精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性要求。對(duì)于某些反饋應(yīng)用，機(jī)器設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮緊湊型先進(jìn)光柵解決方案是否能夠替代傳統(tǒng)的干涉測(cè)量激光尺系統(tǒng)。鑒于無(wú)掩模光刻技術(shù)的進(jìn)步，有朝一日可能不會(huì)再需要光掩模的多重曝光，但未來(lái)對(duì)測(cè)量性能的要求一定不會(huì)降低。
如需了解VIONiC系統(tǒng)的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.renishaw.com.cn/vionic
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