導(dǎo)語

在半導(dǎo)體和電子制造領(lǐng)域，對小型化的追求似乎永無止境。只要簡單地了解一下當(dāng)今制造環(huán)境中生產(chǎn)的元器件甚至許多成品設(shè)備，就能明顯察覺到這一趨勢。

然而，盡管小型化在現(xiàn)代制造中無處不在，但制造納米結(jié)構(gòu)所需要的工藝和技術(shù)，仍然面臨著諸多不斷發(fā)展變化的挑戰(zhàn)。服務(wù)于半導(dǎo)體和消費(fèi)電子行業(yè)的制造商們在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)小型化（在半導(dǎo)體行業(yè)中也稱為“scaling”）的道路上，已經(jīng)克服了許多限制。

圖片來源：iStock.com/Mick Koulavong

其中取得顯著進(jìn)展的領(lǐng)域之一是定位技術(shù)和設(shè)備。對于納米尺寸范圍的結(jié)構(gòu)而言，優(yōu)化定位技術(shù)以滿足特定生產(chǎn)工藝的要求至關(guān)重要。隨著定位技術(shù)的物理性能不斷提升，納米定位技術(shù)中智能解決方案的出現(xiàn)，進(jìn)一步為實(shí)現(xiàn)極高精度創(chuàng)造了機(jī)會。

因此，定位技術(shù)的進(jìn)步（再加之行業(yè)內(nèi)的幾個關(guān)鍵驅(qū)動因素）正在推動更小、更強(qiáng)大、更節(jié)能的半導(dǎo)體器件的實(shí)現(xiàn)。

個性化需求

面向半導(dǎo)體和電子行業(yè)的工業(yè)定位系統(tǒng)，通常需要根據(jù)單個生產(chǎn)任務(wù)的獨(dú)特要求進(jìn)行個性化配置。盡管不同的生產(chǎn)工藝可能看起來相似，或者能達(dá)到相似的結(jié)果，但是它們卻有著不同的嚴(yán)苛要求，因此每個任務(wù)的定位系統(tǒng)都需要單獨(dú)配置。

工業(yè)定位系統(tǒng)的特性和評估基于多個因素，包括精度、重復(fù)性、物理性能及工藝過程中的要求等。例如，行程距離（或所需的工藝區(qū)域）是一個關(guān)鍵參數(shù)，用于表明定位系統(tǒng)在軸向方向上能夠覆蓋的距離。同樣，步長，是指設(shè)備能夠可靠連續(xù)執(zhí)行的最小運(yùn)動距離或最小增量運(yùn)動（MIM），這是一個可能難以獲取的參數(shù)。MIM 值經(jīng)常被誤認(rèn)為是分辨率（R）值，而且并非所有設(shè)備制造商都會明確標(biāo)注。實(shí)際上，步長以及 MIM 本身與編碼器的分辨率并不對應(yīng)。不同制造商確定該參數(shù)的方法，也可能并不一致。

為確保定位系統(tǒng)的高精度和高重復(fù)性，制造商提供校準(zhǔn)服務(wù)，以確定機(jī)械平臺的誤差形貌。（圖片來源：MKS Newport）

用戶有可能混淆的其他參數(shù)還有重復(fù)性和精度。重復(fù)性描述的是系統(tǒng)在接收到相同指令時，能夠多次可靠地到達(dá)同一位置的能力。在這個參數(shù)中，又分為單向重復(fù)性和雙向重復(fù)性。雙向重復(fù)性需要考慮從兩個方向接近目標(biāo)位置的情況，因此也會考慮改變位置時的反轉(zhuǎn)誤差。

另一方面，絕對精度量化了實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的偏差。精度可以用總行程或單位長度來表示。

優(yōu)化步進(jìn)和穩(wěn)定時間，即從一個測量或加工點(diǎn)移動到下一個點(diǎn)、并在可定義的位置窗口內(nèi)穩(wěn)定下來所需要的時間，是影響性能和工藝結(jié)果的另一個關(guān)鍵因素。理想直線運(yùn)動的引導(dǎo)偏差，通過直線度和平坦度來體現(xiàn)，這是用戶必須監(jiān)視的另一個變量。如果僅在 x 方向上移動，平坦度指的是 z 方向上的任何偏差，而直線度則與 y 方向上的任何偏差相關(guān)。

根據(jù)應(yīng)用場景的不同，也可能會使用機(jī)械和空氣軸承定位系統(tǒng)（也稱為空氣軸承平臺）。在傳統(tǒng)定位系統(tǒng)中，滑座在機(jī)械滾珠或交叉滾子軸承上滑動。在空氣軸承定位系統(tǒng)中，滑座則在一層薄薄的清潔壓縮空氣（或氣體）上移動。

最后，如果只有一個軸需要極高的精度，混合系統(tǒng)是個不錯的選擇。這些解決方案僅在一個軸（掃描軸）上使用空氣軸承進(jìn)行定位，而沿第二個軸的定位則通過機(jī)械方式（步進(jìn)軸）完成。

真空環(huán)境中的定位系統(tǒng)

針對特定應(yīng)用的最佳定位系統(tǒng)，取決于所需的規(guī)格以及可用的預(yù)算。然而，空氣軸承系統(tǒng)的使用存在一個基本限制因素：它們無法在真空室內(nèi)運(yùn)行。由于用于半導(dǎo)體制造的極紫外光刻工藝需要超高真空環(huán)境，因此機(jī)械軸承是這類應(yīng)用的合適組件。

為了在這種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)必要的高精度和高重復(fù)性，MKS 等制造商還提供機(jī)械定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)服務(wù)，以確定機(jī)械平臺的誤差形貌。例如，對于一片典型的 300 mm × 300 mm 晶圓，以 10 mm 的步長對晶格進(jìn)行掃描，并使用干涉儀來確定精確位置。將這個值與編碼器的值進(jìn)行比較，以確定偏移量。這種比較生成的校正數(shù)據(jù)集存儲在運(yùn)動控制器中，用于提高運(yùn)動系統(tǒng)的精度。

這種方法能顯著提高絕對精度，例如，在對兩個標(biāo)準(zhǔn)的 Newport XML350-S 軸組成的 xy 單元進(jìn)行映射測試時，絕對精度至少提高了 10 倍。由于在這種情況下兩個軸并非完全正交，所以組合誤差遠(yuǎn)大于兩個單獨(dú)精度誤差之和（在 300 mm × 300 mm 的平面內(nèi)，誤差肯定會顯著 >10 µm）。但經(jīng)過映射后，該系統(tǒng)在 xy 平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 <0.5 µm 的絕對精度。

空氣軸承：無摩擦的精度

在檢測用于光刻的晶圓或掩模時，需要最高級別的精度�？諝廨S承定位系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，負(fù)載可以線性或旋轉(zhuǎn)移動。與傳統(tǒng)的滾珠或交叉滾子軸承不同，在移動空氣軸承平臺時不存在機(jī)械接觸。

由于驅(qū)動系統(tǒng)相互作用的機(jī)械部件之間既沒有間隙，軸承中也不存在摩擦，這些特性帶來了幾個明顯優(yōu)勢。首先，它從根本上消除了機(jī)械軸承中常見的誤差來源。而且由于在 xy 平面內(nèi)只有一個滑座的平面結(jié)構(gòu)，其設(shè)計也比全機(jī)械系統(tǒng)明顯更平坦。這顯著降低了角度誤差，并實(shí)現(xiàn)了更好的平整度和直線度。同時，由于沒有摩擦，空氣軸承系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量更少，位置穩(wěn)定性也比全機(jī)械系統(tǒng)更高。而且，系統(tǒng)可以以恒定速度移動�？諝廨S承定位系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性 >0.1%，步長可小至幾納米。

半導(dǎo)體生產(chǎn)需要經(jīng)過精細(xì)調(diào)校且量身定制的定位系統(tǒng)，以滿足獨(dú)特的精度要求。（圖片來源：iStock.com/kynny）

如果對定位系統(tǒng)的絕對精度和移動速度值要求都很高，那么采用由碳化硅（SiC）制成滑座的定位系統(tǒng)會具有顯著優(yōu)勢。這種陶瓷復(fù)合材料集多種材料的優(yōu)良特性于一身，如表 1 所示。它像鋼一樣堅硬，像鋁一樣輕便，并且熱膨脹系數(shù)與花崗巖類似。

表1：空氣軸承平臺材料的特性

（圖片來源：MKS Newport）

d：密度測量值；

E：楊氏模量（彈性材料的應(yīng)力/應(yīng)變測量值，單位為吉帕斯卡（GPa））；

Stiffness：剛度

Thermal conductivity：熱導(dǎo)率

Thermal expansion：熱膨脹系數(shù)

由于滑座的高剛性和低重量，這種空氣軸承系統(tǒng)運(yùn)行起來的動態(tài)性能更好，因此比傳統(tǒng)系統(tǒng)具有更高的吞吐量。此外，SiC 滑座還可以在設(shè)計上提供額外的靈活性。僅使用少數(shù)幾個單獨(dú)組件就能實(shí)現(xiàn)整體的高度集成，這使得定位系統(tǒng)更加堅固耐用，并延長了其使用壽命。

智能解決方案

其他調(diào)整措施也會影響系統(tǒng)的整體性能，以滿足應(yīng)用的獨(dú)特需求。例如，在晶圓生產(chǎn)中，建議使用 SiC 晶圓吸盤以實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率。與金屬結(jié)構(gòu)相比，SiC 吸盤更輕、更平坦，并且與滑座具有相同的熱性能。這意味著各個組件之間能夠?qū)崿F(xiàn)最佳協(xié)調(diào)。此外，如果需要，晶圓吸盤可以直接集成到 xy 滑座中，確保整個裝置的整體高度較低。這提高了整個系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能。

對于那些對 xy 精度要求極高的應(yīng)用，除了經(jīng)典的位移測量系統(tǒng)（如線性編碼器）之外，還可以使用基于干涉儀的解決方案。一種如前文所述的映射概念被集成到定位系統(tǒng)中，這樣就能在測量點(diǎn)直接讀取位置，從而消除編碼器插值或阿貝誤差等。MKS 等供應(yīng)商可以將具有出色表面質(zhì)量和動態(tài)性能的陶瓷干涉儀鏡解決方案集成到定位系統(tǒng)中。與晶圓吸盤的情況一樣，這些陶瓷鏡可以直接內(nèi)置到 xy 滑塊中，使其成為定位系統(tǒng)必不可少的一部分，并且在熱性能方面與定位平臺的整體概念相契合。

光刻和/或晶圓檢測中的其他一些工藝，可能需要在 z 軸上對晶圓進(jìn)行主動對準(zhǔn)，包括“傾斜和俯仰”或在 θ 范圍內(nèi)。為此，需要在不影響 xy 平臺動態(tài)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)且穩(wěn)定的定位。

驅(qū)動小型化的潛在因素

眾多驅(qū)動因素共同推動半導(dǎo)體行業(yè)不斷開發(fā)更小、更高效、更強(qiáng)大的技術(shù)。盡管進(jìn)一步小型化面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，但這些驅(qū)動小型化的因素依然存在。在某些情況下，這些驅(qū)動因素本身已經(jīng)推動了制造工藝和/或組件及系統(tǒng)的創(chuàng)新。

某些進(jìn)展，例如光刻技術(shù)（特別是極紫外光刻）的進(jìn)步，使得在更小尺度上實(shí)現(xiàn)更精確的圖案化成為可能，從而能夠在芯片上制造出更小的特征。摩爾定律本身就需要光刻技術(shù)的進(jìn)步；芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年就會翻倍，從而提高性能并降低單個晶體管的成本。這促使了小型化的不斷進(jìn)步以滿足行業(yè)預(yù)期，并且接下來還將開發(fā)更小、更密集排布的晶體管。

與此同時，以新材料和新工藝形式出現(xiàn)的材料創(chuàng)新，使制造商能夠克服傳統(tǒng)硅基晶體管的物理限制。高k/金屬柵極（HKMG）堆棧、鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）和環(huán)繞柵極（GAA）晶體管，都滿足了這一需求。在傳統(tǒng)的硅基方法面臨物理極限時，這些材料使得制造更小、更高效的晶體管成為可能，繼續(xù)保持并推進(jìn)小型化趨勢。

而且，由于更小的晶體管消耗的功率更小，產(chǎn)生的熱量更少，這對于電子設(shè)備的可靠性和使用壽命至關(guān)重要，散熱和功率效率已成為大規(guī)模制造的核心驅(qū)動因素。再加上將更多功能集成到單個芯片上的需求不斷增長，這使得小型化進(jìn)一步成為制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。小型化使得在芯片上構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)成為可能，這些系統(tǒng)可以將各種不同的功能集成到更小的外形尺寸中。

一些外部因素也在促使行業(yè)朝著持續(xù)小型化的方向發(fā)展。為了保持競爭力，行業(yè)參與者必須降低單個晶體管的成本，這反過來又產(chǎn)生了對更小、更高效的制造工藝的需求。小型化使得每個晶圓上可以容納更多的晶體管，從而降低成本并提高產(chǎn)量，這對于生產(chǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)可行性至關(guān)重要。此外，消費(fèi)電子產(chǎn)品，尤其是移動設(shè)備，對更小、更快、更節(jié)能的組件需求日益增長。消費(fèi)市場對更薄、更輕、功能更強(qiáng)大設(shè)備的追求，是半導(dǎo)體產(chǎn)品持續(xù)小型化的主要推動力。

展望未來

半導(dǎo)體和消費(fèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)中使用的定位系統(tǒng)，是經(jīng)過精細(xì)調(diào)校的系統(tǒng)，它們會根據(jù)各自的應(yīng)用要求進(jìn)行個性化適配。定位系統(tǒng)的配置需要專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，它們的制造過程復(fù)雜且要遵循嚴(yán)格的規(guī)格。正因?yàn)槿绱�，全球只有少�?shù)幾家制造商能夠提供空氣軸承平臺。芯片工具制造商或系統(tǒng)集成商與定位系統(tǒng)制造商在設(shè)計過程中密切合作，對于確保實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能至關(guān)重要。選擇合適的技術(shù)并將它們與智能概念相結(jié)合進(jìn)行個性化適配，是保證項(xiàng)目整體成功的必要條件。

在半導(dǎo)體和消費(fèi)電子行業(yè)預(yù)期的制造路線圖背景下，這一點(diǎn)尤其需要考慮。下一代芯片已經(jīng)規(guī)劃了僅幾納米的微小結(jié)構(gòu)尺寸，而且給定芯片上的晶體管數(shù)量也在不斷刷新紀(jì)錄。只有制造技術(shù)能夠跟上步伐，才能實(shí)現(xiàn)這種集成水平。無論是在光刻本身、晶圓和掩模的檢測中，還是在不同組件的鍵合過程中，無數(shù)的加工操作都需要高精度且可靠的定位技術(shù)。從邏輯上講，定位精度必須比結(jié)構(gòu)本身更加精細(xì)。

當(dāng)然，這些并非唯一的挑戰(zhàn)。協(xié)調(diào)必要工藝步驟所需的精度和制造質(zhì)量與目標(biāo)產(chǎn)量之間的關(guān)系，是所有制造商都必須重視的一種動態(tài)平衡。物流決策也至關(guān)重要。在晶圓生產(chǎn)和檢測中越來越普遍的自動化系統(tǒng)，通常需要 24/7 全天候運(yùn)行。因此，它們對系統(tǒng)可用性提出了很高要求。

文章信息

本文刊載于PHOTONICS spectra®。作者：Knut Hauke，Marc Schenkelberger，MKS Newport

轉(zhuǎn)自：Resource 館主

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