雷尼紹：先進位置編碼器技術提升光（guāng）刻工藝水平（píng）
2019-6-20 來源：雷尼紹 作者：-
光刻技術，顧名（míng）思義（yì）就是一種用光（guāng）刻印的技（jì）術，它廣泛應用於半導體製造（zào）行業以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，相關應用領域（yù）越來越需要具備高生產能力的（de）光刻設備。
本文探討了位置反（fǎn）饋技術在現代光刻工藝中的（de）應用，以及最新光柵係統和傳統激光尺係統各自的優勢與潛能，這些特性為機器設計人員提供（gòng）了極大的（de）靈活性，使其能夠（gòu）探索如何在不影響性能（néng）的前提下最大程度地減少光刻（kè）設備的占地（dì）麵積。
半導體製造
在光刻（kè）工藝中，通常首先在（zài）矽晶圓上沉積一層光（guāng）敏性光致抗蝕劑材料（光刻膠）。然後，光束通過（guò）光掩模照（zhào）射到晶圓上，以將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（hòu），選擇性地在晶圓表（biǎo）麵（miàn）上的裸露區域內進行蝕刻或填充半導（dǎo）體、導電或絕緣材料。通過這種方式，便可構建出所需（xū）的（de）多個微電子（zǐ）特征層（通常（cháng）要進行大約30次光刻流程）（參見圖1）。
圖1：顯微鏡下的矽晶（jīng）圓
浸沒式掃（sǎo）描光刻機包含一套透（tòu）鏡係統（tǒng），用於（yú）使光束穿過光掩模或“中間掩模（mó）”聚焦到半導體晶圓上。它還含有（yǒu）一組密封元件，可在物鏡和半導體襯底之間封入一定體積的液體，由於液體的光線折射率高於空（kōng）氣，因此可（kě）以獲得更（gèng）高的光學分辨率和（hé）更小的特征尺寸。
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（xū）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的控製致動器，以實現高精度的（de）運動（dòng）控製（zhì）。可使光源以一定（dìng）頻（pín）率閃（shǎn）爍，以便每次曝光晶圓上（shàng）的不同區域。
光掩模與晶圓襯底精確對準，使得每片掩模上的圖案均可精確刻畫到已（yǐ）經存在的蝕（shí）刻圖形層上。這一步驟是製造集成電路 (IC) 的關鍵：晶圓和光掩模上的基準點自動對準，誤差範圍小於±20 nm，具體取（qǔ）決於IC的特征尺寸，並修正X、Y和θ（旋轉）方向上的偏（piān）置。
每個平台的長距離增量式測量係統上（shàng）都需（xū）使（shǐ）用直線光柵（shān），以（yǐ）確保位置和速度（dù）都達到指定的精度（dù）。高精度光柵反饋使中間掩模和晶圓平台能夠（gòu）串聯工（gōng）作，實現以要求的覆蓋精度執行計劃掃描軌跡。激光尺和一些最先進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（léi）尼紹的最新光柵VIONiC™係列，其電子細分誤差低至 <±15 nm。
平板顯示器製造
平板顯示器 (FPD) 製造中應用的傳統光刻工藝也用於半導體芯片製造。芯片研發的一個主要驅動因素是電子設備尺寸的（de）愈加微型化。另一方麵，在（zài）FPD行業內，則按照能夠製造出的玻璃基板的最（zuì）大物理尺寸（單位為平（píng）方毫米）對每一代製造技術進行分（fèn）類。例如，第十代 (G10) FPD是從2880 mm×3080 mm的玻璃基板上（shàng）切割的。薄膜晶體管（guǎn） (TFT) 是必不可少的顯示器元件，其臨界尺（chǐ）寸 (CD) 接近3微米，在（zài）好幾代製（zhì）造工藝中都保（bǎo）持穩定。
每一代新產品（pǐn）都（dōu）可（kě）加工出更大（dà）的基板，因此必須提高（gāo）生產率，實現通過單次曝光在基（jī）板的更大區域內形成電路圖（tú）案。有人提出將多透鏡係統作（zuò）為問題解決方案，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的光掩模，因（yīn）為光掩模尺寸必須與基板尺寸成正比（bǐ）。無掩模投射係統（tǒng）逐漸流（liú）行，成為（wéi）FPD生產中的（de）替代技（jì）術。其中有這樣一種技術，即使用空（kōng）間光調（diào）製器（qì） (SLM) 以類似於數字印刷的方式直接在基板上刻畫圖（tú）案。
圖2：空間光調製器（qì） (SLM) 成像單元
例如，一種並行光刻係統，如圖3所示，包含呈並行陣列排布的（de）一（yī）組SLM成像（xiàng）單元（yuán），每個單元又包含一個SLM壓（yā）模組件、一個球麵（miàn）鏡、多個光源和一套投射透鏡組件（jiàn），如圖2所示。SLM壓模組件（jiàn）是MEM（微（wēi）機電係統）器（qì）件，具有數千個可控微型鏡（jìng）組，通過鏡組的傾斜可使入射光在透鏡（jìng）焦平麵中產生高對比度的明暗掩模圖案。需要精確的運動控製來協調成像單（dān）元及其下方麵（miàn）積更大（dà）的基板運動平台。在這種（zhǒng）情況下（xià），基（jī）板沿著X軸移動，SLM單元沿著Y軸移動，如同打印頭一樣。兩個平台均由空氣軸承支撐，並由（yóu）直（zhí）線電機驅動。
圖3：帶SLM成（chéng）像單元的並行光刻係統
可（kě）以使（shǐ）用視覺識別係統通過基板平台上的參（cān）考標記來引導成像單元（yuán）的運動（dòng）。這類係統也可（kě）以配用卷對卷柔性基板。
在（zài）這（zhè）類製造係統中（zhōng），除了提供用於直線（xiàn）電機（jī）換向的數據之外，位置傳感器反饋還有助於精確控製位置。為了達到FPD行（háng）業要求的對準精度，即 <±2微米，編碼器的（de）分辨率要顯著（zhe）小於1 µm。高性能直線（xiàn）光柵（shān）和幹涉測量激光尺適用於此類應用（yòng），如雷尼紹的VIONiC光柵和RLE光纖激光尺係列（liè）。
未來的高（gāo）通量納（nà）米蝕（shí）刻（kè）技術
現代（dài）光刻技術是在整個矽晶圓上掃描或步進光掩模，長期目標是以低成本實現納米級分辨率（lǜ）和高通量。無掩模直寫光刻技術無需使用眾多（duō）昂（áng）貴的光掩模，而恰恰是掩模限製了（le）最新型微電子器件的最小可實現特征尺寸。
近場掃描光刻 (NSOL) 特別適合這類應用，因為它可以突破分辨（biàn）率的瑞利衍射極限。如圖4和圖5所示，NSOL技術使（shǐ）用具有納米（mǐ）尺寸孔徑的掃描探針作為掩模上的“超衍射極限（xiàn）”光源，可在（zài）光學（xué）近場尺度範圍內直接寫（xiě）入表麵特征。從這些納米尺（chǐ）寸孔徑射出（chū）的光會嚴重發散（sàn）高達幾十納米，因此必須（xū）精（jīng）確控製掩模和基板之間的間隙，使其維持在幾十納米之內，這對於確保工藝性能至關重要。
圖4：近場掃描光刻設備（bèi）
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（xiàng）。多軸壓電平台用於相對於掩模定位基板。這些平台的位置編碼器反饋（kuì）需（xū）要保持在亞納米級分辨率範圍內，因此激光幹涉儀型係統更適合進行更精細的調整。傳統的高（gāo）性（xìng）能光柵可以用於（yú）粗（cū）調直線電機平台的換向。
高精度運動平台的重要性
光掩模運動平（píng）台是（shì）光刻設備的核心技（jì）術（shù）之一，這些先進的運動（dòng）平台使（shǐ）用包括音圈電機 (VCM) 在內（nèi）的多種不同類型的（de）電機執行粗略 (>100 mm) 運動控製和（hé）更精細 (<2 mm) 的運動控製（zhì）。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（yǒu）六個自由度，要用到多根需要高（gāo）精度位置反饋的驅動（dòng）軸。高分辨率、高速度（dù）和低延遲（chí）的位置編碼器是（shì）動態平台定位的關鍵，因為它們可以盡可能（néng）增加帶寬並（bìng）降低（dī）不穩定性。在這些（xiē）應（yīng）用中，編碼器的選擇至關重要。編（biān）碼器的周（zhōu）期誤差低，則對伺（sì）服回路的輸入負載幹（gàn）擾較小，從而實現更精細的速度控（kòng）製。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（shí）現編碼器的最佳（jiā）整體性能。
總結
先進的光柵技（jì）術可滿（mǎn）足光刻工藝（yì）苛刻的高精度、重複性（xìng）和穩定性要求。對於某（mǒu）些反饋應用（yòng），機器設計人員應考慮緊（jǐn）湊型先進光柵解決方案是否能（néng）夠替代傳統的幹（gàn）涉測量激（jī）光尺係統。鑒於無掩模光刻技術的進步，有朝一日可能不會再需要光掩模（mó）的（de）多重曝光，但未來對測量性能的要求一定不會降低（dī）。
如需了（le）解（jiě）VIONiC係統的詳細信息，請訪問www.renishaw.com.cn/vionic
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