雷尼紹：先進位置編碼器技術（shù）提升光刻（kè）工藝水平
2019-6-20 來源：雷尼（ní）紹（shào） 作者：-
光（guāng）刻技術，顧名思義就是（shì）一種用光刻印的技術，它廣泛（fàn）應用於半導體製造（zào）行業以及許多其他納米技術應用（yòng）中（zhōng）；為適應當今微電子產品日趨（qū）微型（xíng）化的趨勢，相關應用（yòng）領域越來越需要具備高生產能力（lì）的光刻設備。
本文探討了位（wèi）置反饋技術在現代光刻工（gōng）藝（yì）中的應用，以及最新光柵（shān）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（tí）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備（bèi）的占地麵積。
半導體製造
在光刻工藝中，通（tōng）常首先在矽晶圓上沉（chén）積一層（céng）光敏性光（guāng）致抗蝕劑材料（光刻膠）。然後，光束通過光掩模（mó）照射到晶圓上，以將掩模圖形呈現在光刻（kè）膠上，再使（shǐ）用顯（xiǎn）影劑溶（róng）解掉經過曝光的光刻膠區域。最後，選擇性地在晶圓表麵上的（de）裸露區域內進行蝕刻或填充半導體、導電或絕緣（yuán）材料。通過這種（zhǒng）方式，便可構建出所需的多個微電子特征層（通常要進（jìn）行大約30次光（guāng）刻流程）（參見圖1）。
圖1：顯微鏡（jìng）下的矽晶圓
浸沒式掃描（miáo）光刻機包含一套透鏡係統，用於使光束穿過光掩模或“中間掩模”聚（jù）焦（jiāo）到（dào）半導體晶圓（yuán）上。它還含有一組密封元件（jiàn），可在物鏡和半導體襯底（dǐ）之間（jiān）封（fēng）入一定（dìng）體積的液體，由於液體的光線折（shé）射率高於空氣，因此（cǐ）可以獲得更高的光學（xué）分辨率和更小的特征（zhēng）尺寸。
在浸沒掃描中，光束保持固定（dìng），而由（yóu）於透鏡的倒（dǎo）置效應，光掩模和晶圓需沿（yán）相反方（fāng）向運動。這需要將位置（zhì）精確反饋到（dào）光掩模和晶圓運動平台上的控製致（zhì）動（dòng）器，以實現高精度的運動控製（zhì）。可使光源以一（yī）定頻率閃爍，以便每次曝光晶圓上的不同區域。
光掩模與晶圓襯底精確對準，使（shǐ）得每（měi）片掩模上（shàng）的圖案均可精確（què）刻（kè）畫到已經存（cún）在的蝕刻圖形層上。這一步驟是製造集（jí）成電路 (IC) 的關鍵：晶圓（yuán）和光掩模上的基準點自（zì）動（dòng）對準，誤差範圍小於±20 nm，具體取決於IC的特征尺寸，並（bìng）修正X、Y和θ（旋轉）方向上的偏置。
每個平（píng）台的（de）長距離增量式測量係統上都需（xū）使用直線光柵，以確保位置和速（sù）度都達到指定的精度。高精度光柵反（fǎn）饋使中（zhōng）間掩模和晶（jīng）圓平台能夠串聯工作，實現以要求的覆蓋精度執行計劃掃描（miáo）軌跡。激光（guāng）尺和一些最先（xiān）進的光柵可以滿足這一半導體製造工（gōng）藝的苛刻精（jīng）度要求（qiú），例（lì）如雷尼紹的最新光柵VIONiC™係（xì）列，其電子細分誤差低至 <±15 nm。
平板（bǎn）顯示器製造
平板（bǎn）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（xīn）片研發的一個（gè）主要驅動因素是電子設備尺寸的愈加微（wēi）型化（huà）。另一方麵，在FPD行業內（nèi），則按照能（néng）夠（gòu）製造出的玻璃基板的（de）最大（dà）物理尺寸（單位為（wéi）平方毫米（mǐ））對每一代製造（zào）技術進行分類。例（lì）如，第（dì）十代（dài） (G10) FPD是從2880 mm×3080 mm的玻璃（lí）基板上切割的。薄膜晶體管 (TFT) 是（shì）必（bì）不可少的顯示器元件，其臨界尺寸 (CD) 接近3微米，在好幾代製造工藝中都（dōu）保（bǎo）持（chí）穩定。
每一代新產品（pǐn）都可加工出更（gèng）大的基板，因此必須提高生產（chǎn）率，實現通（tōng）過單次曝光在基板的更大（dà）區域內形成電路圖（tú）案。有人提出（chū）將多透鏡係統作為問題解決方案，以覆蓋更大區域。
然而，FPD行業的一（yī）個重大挑戰是製造和處理越來越（yuè）大的光掩模，因為光掩（yǎn）模（mó）尺寸必（bì）須與（yǔ）基板尺寸成正比。無掩模投射係統逐漸流行，成為FPD生產（chǎn）中的替代技術（shù）。其（qí）中有這樣一種技術（shù），即（jí）使用空間光調製器 (SLM) 以類似於數字印刷的方式直接在基板上刻畫圖案。
圖2：空間光（guāng）調製器 (SLM) 成像單元
例如，一種並行光（guāng）刻係統，如圖3所示，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（jìng）組件，如圖2所示。SLM壓模組件（jiàn）是MEM（微機電係統（tǒng））器件，具有數（shù）千個可控微型鏡（jìng）組（zǔ），通過（guò）鏡組的傾斜（xié）可使入射光在透鏡焦平（píng）麵中產生高（gāo）對比度的明暗掩模圖案。需要（yào）精確的運動控製來協調成像單（dān）元及其下（xià）方麵積更大的基（jī）板運動平台。在這種情況下，基（jī）板沿著X軸移動，SLM單（dān）元沿著（zhe）Y軸移動，如同（tóng）打印（yìn）頭一樣。兩個平台均由空氣軸承（chéng）支撐，並由直線電（diàn）機驅動。
圖3：帶SLM成像單元的並行光刻係統
可以使用視覺識別係（xì）統通過基板（bǎn）平（píng）台（tái）上的參考標記來（lái）引導成像單元的（de）運動。這類係統也可以配用卷對卷柔性基板。
在這類製造係統中（zhōng），除了提（tí）供用於直線電機換向（xiàng）的數據之外，位置傳感器反饋還（hái）有助於精確控製位置。為了達到FPD行業要求的對準精（jīng）度，即 <±2微米，編碼器的（de）分辨率要顯著小於1 µm。高性能直線光（guāng）柵和幹涉測量激光尺（chǐ）適用於此類應用，如雷尼紹的VIONiC光柵和RLE光纖激光尺係列。
未來的高通量納米蝕（shí）刻技術
現代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（yǐ）低成本實現納米級分辨率和高通量。無掩模直寫光（guāng）刻技術無需使用眾多昂貴的光掩模，而恰恰是掩模限製了最新型（xíng）微電子器件的最小可實現特征尺寸。
近場（chǎng）掃描（miáo）光刻（kè） (NSOL) 特別適合這類應用，因為它可以突（tū）破分辨（biàn）率（lǜ）的瑞利衍射極限。如圖4和圖5所示，NSOL技術使用具有納米尺寸孔徑的掃描探針作為掩模（mó）上的“超衍射極限”光源，可（kě）在光學（xué）近場（chǎng）尺度範（fàn）圍內直接寫入表麵特征。從這些納米尺寸孔徑射出的光會嚴重發散高達幾十納米，因此（cǐ）必須（xū）精確控製掩模和基板之間的間隙，使其維持（chí）在幾（jǐ）十納米之內，這對於確保工藝性能至（zhì）關重要。
圖4：近場掃描光刻設備
圖5：帶蝴蝶結形（xíng）孔的NSOL掩模（底視圖）
通（tōng）過用激光依次掃過每個孔，可以直（zhí）接在基板上構建圖像。多（duō）軸壓電平台用於相對於掩模（mó）定位基板。這些平台的位置編碼器反饋需要保持在亞納米級（jí）分辨率範圍內（nèi），因此激光幹（gàn）涉儀型係統更適合進行更精（jīng）細的調整。傳統的高性能光柵可以用於粗調直線電（diàn）機（jī）平台的（de）換向。
高精（jīng）度運動平台的重要性
光掩模運動平台是光刻設（shè）備的核心技術之一，這些先進的運動（dòng）平台使（shǐ）用包括音（yīn）圈（quān）電機 (VCM) 在內的多種不同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（yùn）動命令模式通常是“加速 — 勻速 — 減速（sù）”類型。典型（xíng）的（de）掩模平台通常具有六個自由度（dù），要用到多根需要高精度位置反饋的驅動軸。高分（fèn）辨率、高速度和低延遲（chí）的位置編碼器是動態平台定位的關鍵，因為它們可以盡（jìn）可能增（zēng）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。編（biān）碼器（qì）的周（zhōu）期（qī）誤差低，則對伺（sì）服（fú）回路的（de）輸入負載幹擾較小，從而實現更精細的速度控製。使用精（jīng）心設計的安裝工具（例如與VIONiC配用的Advanced Diagnostic Tool (ADTi-100)）妥（tuǒ）善安裝，更可實現編碼器的最佳整體性能。
總結
先進的光柵技術可滿足光刻工藝苛刻的高精度（dù）、重複性和（hé）穩定性要求。對於某些反饋應用，機器設計人員應考慮緊（jǐn）湊型先進光柵解決（jué）方案（àn）是否能夠替代傳統的幹涉測量激光尺係統。鑒（jiàn）於無掩（yǎn）模光刻技術的進步，有朝一日可能不會再需要光掩模的多重（chóng）曝光，但未來對測量性能的要求一（yī）定不會降低。
如（rú）需了解VIONiC係（xì）統的詳細信息，請訪問www.renishaw.com.cn/vionic
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