隨著(zhù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各行業(yè)對芯片的要求越來(lái)越高，要求高速、納米級超小尺寸、低功耗、低時(shí)延等，而這些要求都對微電子制造裝備的性能和精度提出了更高層次的要求。

微電子制造裝備流程

微電子制造的流程非常繁瑣，從原材料開(kāi)始，要經(jīng)過(guò)很多道復雜的工序才能得到最終可使用的芯片。大致流程如下。

1.加法工藝

1.1摻雜（擴散、離子注入）

對應設備：擴散爐、離子注入機、退火爐

1.2薄膜（氧化、化學(xué)氣相淀積、濺射、外延）

對應設備：氧化爐、CVD反應爐、濺射鍍膜機、外延設備

2.減法工藝

刻蝕（濕法刻蝕、干法刻蝕）

對應設備：濕法刻蝕機、反應離子刻蝕機

3.輔助工藝

拋光及清洗（化學(xué)機械平坦化、清洗）

對應設備：CMP拋光機、硅片清洗機

4.圖形轉移工藝

圖形轉移（光刻）

對應設備：光刻機、涂膠顯影設備

5.后道工藝

測試及封裝（測試、封裝）

對應設備：測試設備、劃片機、鍵合機

在整個(gè)流程中，難度最高的就是光刻。

光刻（Photolithography Fabrication）是通過(guò)光波將圖案從版圖或掩模轉移到半導體晶圓表面的工藝。該過(guò)程是集成電路制造過(guò)程中難度最高的階段，光刻機也是目前精密的設備，相應的廠(chǎng)家數量也較少。

光刻機也叫掩模對準曝光機、曝光系統、光刻系統等，光刻工藝一般分為8個(gè)基本步驟：氣相成底膜、旋轉涂膠、軟烘、對準和曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜烘焙、顯影檢查。其中對準和曝光在光刻機（Lithography Tool）內進(jìn)行。其他工藝在涂膠顯影機（Track）上進(jìn)行。

光刻機總體結構

在光刻機的對準和曝光過(guò)程中有兩個(gè)重要的工作平臺，一個(gè)是工件臺，用于承載硅片，即晶圓；另一個(gè)是掩模臺，用于承載掩模版，簡(jiǎn)稱(chēng)掩模。掩模上承載有設計圖形，光線(xiàn)透過(guò)掩模照射到晶圓上，就會(huì )將掩模上的設計圖形投射到晶圓的光刻膠上。而光源要通過(guò)多個(gè)反射鏡進(jìn)行最終光譜的篩選，經(jīng)過(guò)掩模，再透過(guò)投影物鏡才能最終投射到晶圓上，而投影物鏡又具有多個(gè)透鏡，其中含有動(dòng)鏡，以便對像差進(jìn)行調整。

注：圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò )

壓電納米運動(dòng)產(chǎn)品在光刻機中的應用

隨著(zhù)集成電路的尺寸越來(lái)越小，光刻投影物鏡的像差對成像質(zhì)量的影響越來(lái)越大。但通過(guò)采用壓電納米運動(dòng)產(chǎn)品作為物鏡的驅動(dòng)源，可對像散、球差與畸變等像差進(jìn)行實(shí)時(shí)補償。

一）芯明天N31直線(xiàn)壓電馬達用于投影物鏡的高精度微調

芯明天公司生產(chǎn)的撓性鉸鏈式壓電納米定位臺，精度可高達納米甚至亞納米級，位移一般上限可達約1mm。

而芯明天生產(chǎn)的直線(xiàn)壓電馬達，不僅可以滿(mǎn)足高達100mm的行程要求，并可保證相應的納米級定位精度，如芯明天N31系列直線(xiàn)壓電馬達，即可保證大量程，又可提供高精度的運動(dòng)調節。

芯明天N31系列直線(xiàn)壓電馬達

采用步進(jìn)驅動(dòng)，保證了大行程、納米精度和大出力

芯明天N31直線(xiàn)壓電馬達是采用類(lèi)似人行走的步進(jìn)運動(dòng)方式，它的內部具有多組壓電促動(dòng)器，每組步進(jìn)分兩對壓電驅動(dòng)器來(lái)完成，每個(gè)壓電驅動(dòng)器都通過(guò)電壓信號控制，每對壓電驅動(dòng)器間的伸長(cháng)與收縮運動(dòng)配合，控制了中間移動(dòng)桿的前進(jìn)或后移。

N31直線(xiàn)壓電馬達內部壓電陶瓷運動(dòng)原理

增量式編碼器，保證高精度位置控制

N31系列直線(xiàn)壓電馬達內置非接觸式光學(xué)編碼器，分辨率高、構造簡(jiǎn)單、體積小，為壓電馬達運動(dòng)平臺的高精度運動(dòng)提供保證，且不受機械作用、彈性變形等影響。

增量式編碼器工作原理圖

注：圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò )

二）芯明天六自由度并聯(lián)機構在光刻機中用于調整晶圓或物鏡的傾斜與位置

芯明天六自由度并聯(lián)機構平臺與常見(jiàn)的六軸并聯(lián)機構不同，它的直線(xiàn)分辨率可優(yōu)于0.5nm，角度偏轉運動(dòng)分辨率可優(yōu)于0.5μrad，這可為光刻機中晶圓或物鏡的六軸直線(xiàn)與角度調整提供超高的定位精度，可用于消除因激光能量引起的物鏡熱畸變等，對像質(zhì)進(jìn)行補償。

     芯明天H60系列六自由度并聯(lián)機構的六支驅動(dòng)桿都是壓電式驅動(dòng)桿，六個(gè)壓電促動(dòng)器并聯(lián)式連接，促動(dòng)器間相互配合，最終控制上端的移動(dòng)面的傾斜或直線(xiàn)運動(dòng)。該種結構無(wú)積累誤差，誤差小、精度高。

該六自由度并聯(lián)機構平臺是采用上位機軟件控制，提供VC++、Matlab、LabView 使用例程和DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫函數等，方便二次開(kāi)發(fā)。

三）芯明天壓電促動(dòng)器用于掩模對準、定位精調

工件臺和掩模臺主要由機械結構、測量和控制三部分組成。工作臺、掩模臺與傳輸結構、位置傳感器間形成閉環(huán)配合，最終完成工件臺與掩模間的精確對準。而這個(gè)過(guò)程要求掩模臺與工件臺的運動(dòng)一定要保持對位準確，否則會(huì )導致成像位置的偏移，這就影響了最后的套刻精度。

因此，一般采用四倍縮小倍率的投影物鏡，可以顯著(zhù)減小掩模缺陷對成像質(zhì)量的影響。但也同時(shí)要求掩模臺的運動(dòng)速度要比工件臺的運動(dòng)速度快4倍。這就要求運動(dòng)機械部分要有高速和高精度的特點(diǎn)。

芯明天直線(xiàn)壓電促動(dòng)器具有體積小、響應速度快、精度高、出力大等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足掩模對準中的高速、高精度要求。

芯明天壓電促動(dòng)器

例如芯明天VS12系列壓電促動(dòng)器，它的行程范圍在9至152μm，出力可達1200N，固定端與移動(dòng)端皆通過(guò)機械接口（平頭、內螺紋、外螺紋、球頭、定制等）進(jìn)行連接。它采用PZT壓電陶瓷直驅結構，具有毫秒級快速響應能力?？赏ㄟ^(guò)多支壓電促動(dòng)器間的配合完成快速、高精度的掩模對準。

在曝光過(guò)程中，由于掩模臺的運動(dòng)，也會(huì )產(chǎn)生較大的慣性力，會(huì )引起掩模臺的滑動(dòng)，導致精度降低。為了補償這種不可控的振動(dòng)或位置偏差，就同樣需要運動(dòng)機械部分的高速、高精度調整，同時(shí)要與位置傳感器間相配合。

四）芯明天壓電促動(dòng)器用于慣性抵消、主動(dòng)抑振

由于光刻機中的工件臺與掩模臺運動(dòng)調節的速度較高，會(huì )產(chǎn)生一定慣性，這會(huì )引起工作臺的振動(dòng)，會(huì )對光刻產(chǎn)生不利影響。

為了消除工作臺的振動(dòng)，通常采用主動(dòng)抑振的方式。

芯明天針對不同結構提供了不同的壓電促動(dòng)與傳感方案。其中一種為壓電促動(dòng)與傳感一體式，即將促動(dòng)部分與傳感部分做成一體式壓電陶瓷，通過(guò)壓電傳感部分來(lái)檢測結構的振動(dòng)及受力情況，并將檢測數據進(jìn)行反饋，再通過(guò)預先確定的算法來(lái)調節施加到促動(dòng)部分的電壓，使之產(chǎn)生與振動(dòng)方向相反的力，從而抵消振動(dòng)。工作臺的結構如下圖所示。

此外，也可采用芯明天封裝式壓電促動(dòng)器，它具有高頻、高響應、大出力、小體積等特點(diǎn)，非常適用于光刻機中的減振抑振應用。在傳感器檢測到振動(dòng)或位置偏差信號時(shí)，通過(guò)反饋至壓電控制器或外部控制單元，再調節壓電控制器向封裝式壓電促動(dòng)器所施加的控制電壓信號，使得壓電促動(dòng)器產(chǎn)生與振動(dòng)方向相反的力，從而抵消工作臺產(chǎn)生的振動(dòng)。

芯明天壓電陶瓷促動(dòng)器的出力可高達50kN，響應速度可達毫秒級，可快速、精準抵消工作臺的振動(dòng)。

五）芯明天電容式傳感器在光刻機中用于位置或振動(dòng)檢測

光刻機中的工件臺、掩模臺、物鏡的偏差或振動(dòng)都需要傳感器進(jìn)行檢測，而電容傳感器因其結構簡(jiǎn)單、精度高、體積小等特點(diǎn)，在光刻機中得到大量應用。

芯明天國產(chǎn)化電容式傳感器現已面市，具有多種量程，經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，分辨率可高達1.25nm，-3db帶寬可達2kHz，線(xiàn)性度達0.05%，重復度高達0.0025%。

芯明天電容式傳感器

芯明天電容傳感器是基于一個(gè)理想的平行板電容器原理，傳感器與相對面被測目標形成兩個(gè)電極，采用保護環(huán)電容器原理，在測量任何金屬時(shí)，可保證傳感器仍是線(xiàn)性的。

電容傳感器原理圖

芯明天電容式傳感器配備信號采集模塊，該模塊通過(guò)內部電路將電容傳感器與被測表面間的電容值轉換為電壓值，輸出電壓范圍為0~10V，該輸出范圍與電容傳感器的0至最大量程成線(xiàn)性關(guān)系。

該電容式傳感器非常適用于工作臺、掩模臺及物鏡的振動(dòng)檢測，具有3個(gè)量程可選，分別為100μm、200μm、500μm，它的靜態(tài)檢測分辨率分別為1.25nm、2.5nm、5nm。它的外徑僅φ10mm，體積小巧，易于集成。

芯明天電容傳感器及位移采集模塊

結束語(yǔ)

壓電納米運動(dòng)產(chǎn)品因其快速響應及高精度，因此在光刻機這種超高精密的儀器中得以應用。除上述的部分應用外，壓電納米運動(dòng)產(chǎn)品在光刻機中還有很多應用，如壓電移相器用于動(dòng)鏡的移相、壓電偏擺臺用于動(dòng)鏡的移相和調平、二維壓電掃描臺用于物鏡的偏心對準、壓電陶瓷促動(dòng)器用于傳感及促動(dòng)器...等等，這與具體的光刻機設備結構及所采用的光學(xué)元件有關(guān)。

此外，芯明天公司還可定制設計大承載、大通孔型六軸壓電納米定位臺，用于物鏡的位置調整及傾斜調整；也可定制壓電納米定位臺與振動(dòng)檢測電容傳感器一體式系統，將檢測與減振運動(dòng)一體化。

芯明天已專(zhuān)注于壓電納米運動(dòng)與控制技術(shù)達15年之久，為客戶(hù)提供解決方案不計其數。

若您有任何高精度位置調整方案的需求，歡迎聯(lián)系芯明天公司，我們將根據您的具體應用，提供高適應性的解決方案。