定位技術在高精度制造中至關重要

在半導體和電子制造領域，對小型化的追求似乎永無止境。只要簡單地了解一下當今制造環境中生產的元器件甚至許多成品設備，就能明顯察覺到這一趨勢。

然而，盡管小型化在現代制造中無處不在，但制造納米結構所需要的工藝和技術，仍然面臨著諸多不斷發展變化的挑戰。服務于半導體和消費電子行業的制造商們在實現可持續小型化（在半導體行業中也稱為“scaling”）的道路上，已經克服了許多限制。

其中取得顯著進展的領域之一是定位技術和設備。對于納米尺寸范圍的結構而言，優化定位技術以滿足特定生產工藝的要求至關重要。隨著定位技術的物理性能不斷提升，納米定位技術中智能解決方案的出現，進一步為實現極高精度創造了機會。

因此，定位技術的進步（再加之行業內的幾個關鍵驅動因素）正在推動更小、更強大、更節能的半導體器件的實現。

 

圖片來源：iStock.com/Mick Koulavong

 

個性化需求

面向半導體和電子行業的工業定位系統，通常需要根據單個生產任務的獨特要求進行個性化配置。盡管不同的生產工藝可能看起來相似，或者能達到相似的結果，但是它們卻有著不同的嚴苛要求，因此每個任務的定位系統都需要單獨配置。

 

 

為確保定位系統的高精度和高重復性，制造商提供校準服務，以確定機械平臺的誤差形貌

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

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

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

優化步進和穩定時間，即從一個測量或加工點移動到下一個點、并在可定義的位置窗口內穩定下來所需要的時間，是影響性能和工藝結果的另一個關鍵因素。理想直線運動的引導偏差，通過直線度和平坦度來體現，這是用戶必須監視的另一個變量。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。

根據應用場景的不同，也可能會使用機械和空氣軸承定位系統（也稱為空氣軸承平臺）。在傳統定位系統中，滑座在機械滾珠或交叉滾子軸承上滑動。在空氣軸承定位系統中，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）上使用空氣軸承進行定位，而沿第二個軸的定位則通過機械方式（步進軸）完成。

 

 

半導體生產需要經過精細調校且量身定制的定位系統，以滿足獨特的精度要求

 

真空環境中的定位系統

針對特定應用的最佳定位系統，取決于所需的規格以及可用的預算。然而，空氣軸承系統的使用存在一個基本限制因素：它們無法在真空室內運行。由于用于半導體制造的極紫外光刻工藝需要超高真空環境，因此機械軸承是這類應用的合適組件。

為了在這種應用中實現必要的高精度和高重復性，MKS等制造商還提供機械定位系統的校準服務，以確定機械平臺的誤差形貌。例如，對于一片典型的300mm×300mm 晶圓，以10mm的步長對晶格進行掃描，并使用干涉儀來確定精確位置。將這個值與編碼器的值進行比較，以確定偏移量。這種比較生成的校正數據集存儲在運動控制器中，用于提高運動系統的精度。

這種方法能顯著提高絕對精度，例如，在對兩個標準的Newport XML350-S軸組成的xy單元進行映射測試時，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，所以組合誤差遠大于兩個單獨精度誤差之和（在300mm×300mm的平面內，誤差肯定會顯著>10µm）。但經過映射后，該系統在xy平面內實現了<0.5µm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。空氣軸承定位系統具有顯著優勢。根據系統設計，負載可以線性或旋轉移動。與傳統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械接觸。

由于驅動系統相互作用的機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勢。首先，它從根本上消除了機械軸承中常見的誤差來源。而且由于在xy平面內只有一個滑座的平面結構，其設計也比全機械系統明顯更平坦。這顯著降低了角度誤差，并實現了更好的平整度和直線度。同時，由于沒有摩擦，空氣軸承系統產生的熱量更少，位置穩定性也比全機械系統更高。而且，系統可以以恒定速度移動。空氣軸承定位系統的速度穩定性>0.1%，步長可小至幾納米。

如果對定位系統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會具有顯著優勢。這種陶瓷復合材料集多種材料的優良特性于一身。它像鋼一樣堅硬，像鋁一樣輕便，并且熱膨脹系數與花崗巖類似。

由于滑座的高剛性和低重量，這種空氣軸承系統運行起來的動態性能更好，因此比傳統系統具有更高的吞吐量。此外，SiC滑座還可以在設計上提供額外的靈活性。僅使用少數幾個單獨組件就能實現整體的高度集成，這使得定位系統更加堅固耐用，并延長了其使用壽命。

 

智能解決方案

其他調整措施也會影響系統的整體性能，以滿足應用的獨特需求。例如，在晶圓生產中，建議使用SiC晶圓吸盤以實現高生產率。與金屬結構相比，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實現最佳協調。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。這提高了整個系統的精度和動態性能。

對于那些對xy精度要求極高的應用，除了經典的位移測量系統（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中，這樣就能在測量點直接讀取位置，從而消除編碼器插值或阿貝誤差等。MKS等供應商可以將具有出色表面質量和動態性能的陶瓷干涉儀鏡解決方案集成到定位系統中。與晶圓吸盤的情況一樣，這些陶瓷鏡可以直接內置到xy滑塊中，使其成為定位系統必不可少的一部分，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軸上對晶圓進行主動對準，包括“傾斜和俯仰”或在θ范圍內。為此，需要在不影響xy平臺動態性能的前提下，實現可重復且穩定的定位。

 

驅動小型化的潛在因素

眾多驅動因素共同推動半導體行業不斷開發更小、更高效、更強大的技術。盡管進一步小型化面臨著越來越多的挑戰，但這些驅動小型化的因素依然存在。在某些情況下，這些驅動因素本身已經推動了制造工藝和/或組件及系統的創新。

某些進展，例如光刻技術（特別是極紫外光刻）的進步，使得在更小尺度上實現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的進步；芯片上的晶體管數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步以滿足行業預期，并且接下來還將開發更小、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的材料創新，使制造商能夠克服傳統硅基晶體管的物理限制。高k/金屬柵極（HKMG）堆棧、鰭式場效應晶體管（FinFET）和環繞柵極（GAA）晶體管，都滿足了這一需求。在傳統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，繼續保持并推進小型化趨勢。

而且，由于更小的晶體管消耗的功率更小，產生的熱量更少，這對于電子設備的可靠性和使用壽命至關重要，散熱和功率效率已成為大規模制造的核心驅動因素。再加上將更多功能集成到單個芯片上的需求不斷增長，這使得小型化進一步成為制造商關注的焦點。小型化使得在芯片上構建更復雜的系統成為可能，這些系統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朝著持續小型化的方向發展。為了保持競爭力，行業參與者必須降低單個晶體管的成本，這反過來又產生了對更小、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量，這對于生產先進半導體的經濟可行性至關重要。此外，消費電子產品，尤其是移動設備，對更小、更快、更節能的組件需求日益增長。消費市場對更薄、更輕、功能更強大設備的追求，是半導體產品持續小型化的主要推動力。

 

展望未來

半導體和消費電子產品生產中使用的定位系統，是經過精細調校的系統，它們會根據各自的應用要求進行個性化適配。定位系統的配置需要專業知識和經驗，它們的制造過程復雜且要遵循嚴格的規格。正因為如此，全球只有少數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集成商與定位系統制造商在設計過程中密切合作，對于確保實現預期性能至關重要。選擇合適的技術并將它們與智能概念相結合進行個性化適配，是保證項目整體成功的必要條件。

在半導體和消費電子行業預期的制造路線圖背景下，這一點尤其需要考慮。下一代芯片已經規劃了僅幾納米的微小結構尺寸，而且給定芯片上的晶體管數量也在不斷刷新紀錄。只有制造技術能夠跟上步伐，才能實現這種集成水平。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，無數的加工操作都需要高精度且可靠的定位技術。從邏輯上講，定位精度必須比結構本身更加精細。

當然，這些并非唯一的挑戰。協調必要工藝步驟所需的精度和制造質量與目標產量之間的關系，是所有制造商都必須重視的一種動態平衡。物流決策也至關重要。在晶圓生產和檢測中越來越普遍的自動化系統，通常需要 24/7 全天候運行。因此，它們對系統可用性提出了很高要求。

 

作者：Knut Hauke、Marc Schenkelberger（MKS Newport）

 

來源：榮格-《國際工業激光商情》

原創聲明：
本站所有原創內容未經允許，禁止任何網站、微信公眾號等平臺等機構轉載、摘抄，否則榮格工業傳媒保留追責權利。任何此前未經允許，已經轉載本站原創文章的平臺，請立即刪除相關文章。