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先進(jìn)位置編碼器技術(shù)提升光刻工藝水平

2019/7/29 15:42:17 標(biāo)簽:中國傳動網(wǎng)

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,相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域越來越需要具備高生產(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)勢與潛能,這些特性為機(jī)器設(shè)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。通過這種方式,便可構(gòu)建出所需的多個微電子特征層(通常要進(jìn)行大約30次光刻流程)(參見圖1)。

 晶圓

圖1:顯微鏡下的硅晶圓

浸沒式掃描光刻機(jī)包含一套透鏡系統(tǒng),用于使光束穿過光掩?;?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。這需要將位置精確反饋到光掩模和晶圓運(yùn)動平臺上的控制致動器,以實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動控制。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準(zhǔn),使得每片掩模上的圖案均可精確刻畫到已經(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)自動對準(zhǔn),誤差范圍小于±20nm,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。

每個平臺的長距離增量式測量系統(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能夠串聯(lián)工作,實(shí)現(xiàn)以要求的覆蓋精度執(zhí)行計劃掃描軌跡。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<±15nm。

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)的一個主要驅(qū)動因素是電子設(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)對每一代制造技術(shù)進(jìn)行分類。例如,第十代(G10)FPD是從2880mm×3080mm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)作為問題解決方案,以覆蓋更大區(qū)域。

然而,F(xiàn)PD行業(yè)的一個重大挑戰(zhàn)是制造和處理越來越大的光掩模,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圖案。

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,每個單元又包含一個SLM壓模組件、一個球面鏡、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)電系統(tǒng))器件,具有數(shù)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面中產(chǎn)生高對比度的明暗掩模圖案。需要精確的運(yùn)動控制來協(xié)調(diào)成像單元及其下方面積更大的基板運(yùn)動平臺。在這種情況下,基板沿著X軸移動,SLM單元沿著Y軸移動,如同打印頭一樣。兩個平臺均由空氣軸承支撐,并由直線電機(jī)驅(qū)動。

空間光調(diào)制器 

圖2:空間光調(diào)制器(SLM)成像單元

 并行光刻系統(tǒng)

圖3:帶SLM成像單元的并行光刻系統(tǒng)

可以使用視覺識別系統(tǒng)通過基板平臺上的參考標(biāo)記來引導(dǎo)成像單元的運(yùn)動。這類系統(tǒng)也可以配用卷對卷柔性基板。

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)要求的對準(zhǔn)精度,即<±2微米,編碼器的分辨率要顯著小于1?m。高性能直線光柵和干涉測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。

未來的高通量納米蝕刻技術(shù)

現(xiàn)代光刻技術(shù)是在整個硅晶圓上掃描或步進(jìn)光掩模,長期目標(biāo)是以低成本實(shí)現(xiàn)納米級分辨率和高通量。無掩模直寫光刻技術(shù)無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)近場尺度范圍內(nèi)直接寫入表面特征。從這些納米尺寸孔徑射出的光會嚴(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),這對于確保工藝性能至關(guān)重要。

 近場掃描光刻設(shè)備

圖4:近場掃描光刻設(shè)備

 編碼器

圖5:帶蝴蝶結(jié)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(gòu)建圖像。多軸壓電平臺用于相對于掩模定位基板。這些平臺的位置編碼器反饋需要保持在亞納米級分辨率范圍內(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)平臺的換向。

高精度運(yùn)動平臺的重要性

光掩模運(yùn)動平臺是光刻設(shè)備的核心技術(shù)之一,這些先進(jìn)的運(yùn)動平臺使用包括音圈電機(jī)(VCM)在內(nèi)的多種不同類型的電機(jī)執(zhí)行粗略(>100mm)運(yùn)動控制和更精細(xì)(<2mm)的運(yùn)動控制。運(yùn)動命令模式通常是"加速-勻速-減速"類型。典型的掩模平臺通常具有六個自由度,要用到多根需要高精度位置反饋的驅(qū)動軸。高分辨率、高速度和低延遲的位置編碼器是動態(tài)平臺定位的關(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)計的安裝工具(例如與VIONiC配用的AdvancedDiagnosticTool(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。對于某些反饋應(yīng)用,機(jī)器設(shè)計人員應(yīng)考慮緊湊型先進(jìn)光柵解決方案是否能夠替代傳統(tǒng)的干涉測量激光尺系統(tǒng)。鑒于無掩模光刻技術(shù)的進(jìn)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。

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供稿:控制工程網(wǎng)

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