定位技术在高精度制造中至关重要

在半导体和电子制造领域，对小型化的追求似乎永无止境。只要简单地了解一下当今制造环境中生产的元器件甚至许多成品设备，就能明显察觉到这一趋势。

然而，尽管小型化在现代制造中无处不在，但制造纳米结构所需要的工艺和技术，仍然面临着诸多不断发展变化的挑战。服务于半导体和消费电子行业的制造商们在实现可持续小型化（在半导体行业中也称为“scaling”）的道路上，已经克服了许多限制。

其中取得显著进展的领域之一是定位技术和设备。对于纳米尺寸范围的结构而言，优化定位技术以满足特定生产工艺的要求至关重要。随着定位技术的物理性能不断提升，纳米定位技术中智能解决方案的出现，进一步为实现极高精度创造了机会。

因此，定位技术的进步（再加之行业内的几个关键驱动因素）正在推动更小、更强大、更节能的半导体器件的实现。

 

图片来源：iStock.com/Mick Koulavong

 

个性化需求

面向半导体和电子行业的工业定位系统，通常需要根据单个生产任务的独特要求进行个性化配置。尽管不同的生产工艺可能看起来相似，或者能达到相似的结果，但是它们却有着不同的严苛要求，因此每个任务的定位系统都需要单独配置。

 

 

为确保定位系统的高精度和高重复性，制造商提供校准服务，以确定机械平台的误差形貌

工业定位系统的特性和评估基于多个因素，包括精度、重复性、物理性能及工艺过程中的要求等。例如，行程距离（或所需的工艺区域）是一个关键参数，用于表明定位系统在轴向方向上能够覆盖的距离。同样，步长，是指设备能够可靠连续执行的最小运动距离或最小增量运动（MIM），这是一个可能难以获取的参数。MIM值经常被误认为是分辨率（R）值，而且并非所有设备制造商都会明确标注。实际上，步长以及MIM本身与编码器的分辨率并不对应。不同制造商确定该参数的方法，也可能并不一致。

用户有可能混淆的其他参数还有重复性和精度。重复性描述的是系统在接收到相同指令时，能够多次可靠地到达同一位置的能力。在这个参数中，又分为单向重复性和双向重复性。双向重复性需要考虑从两个方向接近目标位置的情况，因此也会考虑改变位置时的反转误差。

另一方面，绝对精度量化了实际位置与目标位置之间的偏差。精度可以用总行程或单位长度来表示。

优化步进和稳定时间，即从一个测量或加工点移动到下一个点、并在可定义的位置窗口内稳定下来所需要的时间，是影响性能和工艺结果的另一个关键因素。理想直线运动的引导偏差，通过直线度和平坦度来体现，这是用户必须监视的另一个变量。如果仅在 x 方向上移动，平坦度指的是 z 方向上的任何偏差，而直线度则与 y 方向上的任何偏差相关。

根据应用场景的不同，也可能会使用机械和空气轴承定位系统（也称为空气轴承平台）。在传统定位系统中，滑座在机械滚珠或交叉滚子轴承上滑动。在空气轴承定位系统中，滑座则在一层薄薄的清洁压缩空气（或气体）上移动。

最后，如果只有一个轴需要极高的精度，混合系统是个不错的选择。这些解决方案仅在一个轴（扫描轴）上使用空气轴承进行定位，而沿第二个轴的定位则通过机械方式（步进轴）完成。

 

 

半导体生产需要经过精细调校且量身定制的定位系统，以满足独特的精度要求

 

真空环境中的定位系统

针对特定应用的最佳定位系统，取决于所需的规格以及可用的预算。然而，空气轴承系统的使用存在一个基本限制因素：它们无法在真空室内运行。由于用于半导体制造的极紫外光刻工艺需要超高真空环境，因此机械轴承是这类应用的合适组件。

为了在这种应用中实现必要的高精度和高重复性，MKS等制造商还提供机械定位系统的校准服务，以确定机械平台的误差形貌。例如，对于一片典型的300mm×300mm 晶圆，以10mm的步长对晶格进行扫描，并使用干涉仪来确定精确位置。将这个值与编码器的值进行比较，以确定偏移量。这种比较生成的校正数据集存储在运动控制器中，用于提高运动系统的精度。

这种方法能显著提高绝对精度，例如，在对两个标准的Newport XML350-S轴组成的xy单元进行映射测试时，绝对精度至少提高了10倍。由于在这种情况下两个轴并非完全正交，所以组合误差远大于两个单独精度误差之和（在300mm×300mm的平面内，误差肯定会显著>10µm）。但经过映射后，该系统在xy平面内实现了<0.5µm的绝对精度。

 

空气轴承：无摩擦的精度

在检测用于光刻的晶圆或掩模时，需要最高级别的精度。空气轴承定位系统具有显著优势。根据系统设计，负载可以线性或旋转移动。与传统的滚珠或交叉滚子轴承不同，在移动空气轴承平台时不存在机械接触。

由于驱动系统相互作用的机械部件之间既没有间隙，轴承中也不存在摩擦，这些特性带来了几个明显优势。首先，它从根本上消除了机械轴承中常见的误差来源。而且由于在xy平面内只有一个滑座的平面结构，其设计也比全机械系统明显更平坦。这显著降低了角度误差，并实现了更好的平整度和直线度。同时，由于没有摩擦，空气轴承系统产生的热量更少，位置稳定性也比全机械系统更高。而且，系统可以以恒定速度移动。空气轴承定位系统的速度稳定性>0.1%，步长可小至几纳米。

如果对定位系统的绝对精度和移动速度值要求都很高，那么采用由碳化硅（SiC）制成滑座的定位系统会具有显著优势。这种陶瓷复合材料集多种材料的优良特性于一身。它像钢一样坚硬，像铝一样轻便，并且热膨胀系数与花岗岩类似。

由于滑座的高刚性和低重量，这种空气轴承系统运行起来的动态性能更好，因此比传统系统具有更高的吞吐量。此外，SiC滑座还可以在设计上提供额外的灵活性。仅使用少数几个单独组件就能实现整体的高度集成，这使得定位系统更加坚固耐用，并延长了其使用寿命。

 

智能解决方案

其他调整措施也会影响系统的整体性能，以满足应用的独特需求。例如，在晶圆生产中，建议使用SiC晶圆吸盘以实现高生产率。与金属结构相比，SiC吸盘更轻、更平坦，并且与滑座具有相同的热性能。这意味着各个组件之间能够实现最佳协调。此外，如果需要，晶圆吸盘可以直接集成到xy滑座中，确保整个装置的整体高度较低。这提高了整个系统的精度和动态性能。

对于那些对xy精度要求极高的应用，除了经典的位移测量系统（如线性编码器）之外，还可以使用基于干涉仪的解决方案。一种如前文所述的映射概念被集成到定位系统中，这样就能在测量点直接读取位置，从而消除编码器插值或阿贝误差等。MKS等供应商可以将具有出色表面质量和动态性能的陶瓷干涉仪镜解决方案集成到定位系统中。与晶圆吸盘的情况一样，这些陶瓷镜可以直接内置到xy滑块中，使其成为定位系统必不可少的一部分，并且在热性能方面与定位平台的整体概念相契合。

光刻和/或晶圆检测中的其他一些工艺，可能需要在z轴上对晶圆进行主动对准，包括“倾斜和俯仰”或在θ范围内。为此，需要在不影响xy平台动态性能的前提下，实现可重复且稳定的定位。

 

驱动小型化的潜在因素

众多驱动因素共同推动半导体行业不断开发更小、更高效、更强大的技术。尽管进一步小型化面临着越来越多的挑战，但这些驱动小型化的因素依然存在。在某些情况下，这些驱动因素本身已经推动了制造工艺和/或组件及系统的创新。

某些进展，例如光刻技术（特别是极紫外光刻）的进步，使得在更小尺度上实现更精确的图案化成为可能，从而能够在芯片上制造出更小的特征。摩尔定律本身就需要光刻技术的进步；芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻倍，从而提高性能并降低单个晶体管的成本。这促使了小型化的不断进步以满足行业预期，并且接下来还将开发更小、更密集排布的晶体管。

与此同时，以新材料和新工艺形式出现的材料创新，使制造商能够克服传统硅基晶体管的物理限制。高k/金属栅极（HKMG）堆栈、鳍式场效应晶体管（FinFET）和环绕栅极（GAA）晶体管，都满足了这一需求。在传统的硅基方法面临物理极限时，这些材料使得制造更小、更高效的晶体管成为可能，继续保持并推进小型化趋势。

而且，由于更小的晶体管消耗的功率更小，产生的热量更少，这对于电子设备的可靠性和使用寿命至关重要，散热和功率效率已成为大规模制造的核心驱动因素。再加上将更多功能集成到单个芯片上的需求不断增长，这使得小型化进一步成为制造商关注的焦点。小型化使得在芯片上构建更复杂的系统成为可能，这些系统可以将各种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业朝着持续小型化的方向发展。为了保持竞争力，行业参与者必须降低单个晶体管的成本，这反过来又产生了对更小、更高效的制造工艺的需求。小型化使得每个晶圆上可以容纳更多的晶体管，从而降低成本并提高产量，这对于生产先进半导体的经济可行性至关重要。此外，消费电子产品，尤其是移动设备，对更小、更快、更节能的组件需求日益增长。消费市场对更薄、更轻、功能更强大设备的追求，是半导体产品持续小型化的主要推动力。

 

展望未来

半导体和消费电子产品生产中使用的定位系统，是经过精细调校的系统，它们会根据各自的应用要求进行个性化适配。定位系统的配置需要专业知识和经验，它们的制造过程复杂且要遵循严格的规格。正因为如此，全球只有少数几家制造商能够提供空气轴承平台。芯片工具制造商或系统集成商与定位系统制造商在设计过程中密切合作，对于确保实现预期性能至关重要。选择合适的技术并将它们与智能概念相结合进行个性化适配，是保证项目整体成功的必要条件。

在半导体和消费电子行业预期的制造路线图背景下，这一点尤其需要考虑。下一代芯片已经规划了仅几纳米的微小结构尺寸，而且给定芯片上的晶体管数量也在不断刷新纪录。只有制造技术能够跟上步伐，才能实现这种集成水平。无论是在光刻本身、晶圆和掩模的检测中，还是在不同组件的键合过程中，无数的加工操作都需要高精度且可靠的定位技术。从逻辑上讲，定位精度必须比结构本身更加精细。

当然，这些并非唯一的挑战。协调必要工艺步骤所需的精度和制造质量与目标产量之间的关系，是所有制造商都必须重视的一种动态平衡。物流决策也至关重要。在晶圆生产和检测中越来越普遍的自动化系统，通常需要 24/7 全天候运行。因此，它们对系统可用性提出了很高要求。

 

作者：Knut Hauke、Marc Schenkelberger（MKS Newport）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。