压电纳米运动产品在光刻机中的应用

随着信息技术的飞速发展，各行业对芯片的要求越来越高，要求高速、纳米级超小尺寸、低功耗、低时延等，而这些要求都对微电子制造装备的性能和精度提出了更高层次的要求。

微电子制造装备流程

微电子制造的流程非常繁琐，从原材料开始，要经过很多道复杂的工序才能得到最终可使用的芯片。大致流程如下。

1.加法工艺

1.1掺杂（扩散、离子注入）

对应设备：扩散炉、离子注入机、退火炉

1.2薄膜（氧化、化学气相淀积、溅射、外延）

对应设备：氧化炉、CVD反应炉、溅射镀膜机、外延设备

2.减法工艺

刻蚀（湿法刻蚀、干法刻蚀）

对应设备：湿法刻蚀机、反应离子刻蚀机

3.辅助工艺

抛光及清洗（化学机械平坦化、清洗）

对应设备：CMP抛光机、硅片清洗机

4.图形转移工艺

图形转移（光刻）

对应设备：光刻机、涂胶显影设备

5.后道工艺

测试及封装（测试、封装）

对应设备：测试设备、划片机、键合机

在整个流程中，难度最高的就是光刻。

光刻（Photolithography Fabrication）是通过光波将图案从版图或掩模转移到半导体晶圆表面的工艺。该过程是集成电路制造过程中难度最高的阶段，光刻机也是目前全球最精密的设备，相应的厂家数量也屈指可数。

光刻机也叫掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，光刻工艺一般分为8个基本步骤：气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查。其中对准和曝光在光刻机（Lithography Tool）内进行。其他工艺在涂胶显影机（Track）上进行。

光刻机总体结构

在光刻机的对准和曝光过程中有两个重要的工作平台，一个是工件台，用于承载硅片，即晶圆；另一个是掩模台，用于承载掩模版，简称掩模。掩模上承载有设计图形，光线透过掩模照射到晶圆上，就会将掩模上的设计图形投射到晶圆的光刻胶上。而光源要通过多个反射镜进行最终光谱的筛选，经过掩模，再透过投影物镜才能最终投射到晶圆上，而投影物镜又具有多个透镜，其中含有动镜，以便对像差进行调整。注：图片来源网络

压电纳米运动产品在光刻机中的应用

随着集成电路的尺寸越来越小，光刻投影物镜的像差对成像质量的影响越来越大。但通过采用压电纳米运动产品作为物镜的驱动源，可对像散、球差与畸变等像差进行实时补偿。

一）芯明天N31直线压电马达用于投影物镜的高精度微调

芯明天公司生产的挠性铰链式压电纳米定位台，精度可高达纳米甚至亚纳米级，位移一般上限可达约1mm。

而芯明天生产的直线压电马达，不仅可以满足高达100mm的行程要求，并可保证相应的纳米级定位精度，如芯明天N31系列直线压电马达，即可保证大量程，又可提供高精度的运动调节。

芯明天N31系列直线压电马达

采用步进驱动，保证了大行程、纳米精度和大出力

芯明天N31直线压电马达是采用类似人行走的步进运动方式，它的内部具有多组压电促动器，每组步进分两对压电驱动器来完成，每个压电驱动器都通过电压信号控制，每对压电驱动器间的伸长与收缩运动配合，控制了中间移动杆的前进或后移。

N31直线压电马达内部压电陶瓷运动原理

增量式编码器，保证高精度位置控制

N31系列直线压电马达内置非接触式光学编码器，分辨率高、构造简单、体积小，为压电马达运动平台的高精度运动提供保证，且不受机械作用、弹性变形等影响。

增量式编码器工作原理图

注：图片来源网络

二）芯明天六自由度并联机构在光刻机中用于调整晶圆或物镜的倾斜与位置

芯明天六自由度并联机构平台与常见的六轴并联机构不同，它的直线分辨率可优于0.5nm，角度偏转运动分辨率可优于0.5μrad，这可为光刻机中晶圆或物镜的六轴直线与角度调整提供超高的定位精度，可用于消除因激光能量引起的物镜热畸变等，对像质进行补偿。

芯明天H60系列六自由度并联机构的六支驱动杆都是压电式驱动杆，六个压电促动器并联式连接，促动器间相互配合，最终控制上端的移动面的倾斜或直线运动。该种结构没有误差积累，误差小、精度高。

该六自由度并联机构平台是采用上位机软件控制，提供VC++、Matlab、LabView 使用例程和DLL动态链接库函数等，方便二次开发。

三）芯明天压电促动器用于掩模对准、定位精调

工件台和掩模台主要由机械结构、测量和控制三部分组成。工作台、掩模台与传输结构、位置传感器间形成闭环配合，最终完成工件台与掩模间的精确对准。而这个过程要求掩模台与工件台的运动一定要保持对位准确，否则会导致成像位置的偏移，这就影响了最后的套刻精度。

因此，一般采用四倍缩小倍率的投影物镜，可以显著减小掩模缺陷对成像质量的影响。但也同时要求掩模台的运动速度要比工件台的运动速度快4倍。这就要求运动机械部分要有高速和高精度的特点。

芯明天直线压电促动器具有体积小、响应速度快、精度高、出力大等特点，可满足掩模对准中的高速、高精度要求。

芯明天压电促动器

例如芯明天VS12系列压电促动器，它的行程范围在9至152μm，出力可达1200N，固定端与移动端皆通过机械接口（平头、内螺纹、外螺纹、球头、定制等）进行连接。它采用PZT压电陶瓷直驱结构，具有毫秒级快速响应能力。可通过多支压电促动器间的配合完成快速、高精度的掩模对准。

在曝光过程中，由于掩模台的运动，也会产生较大的惯性力，会引起掩模台的滑动，导致精度降低。为了补偿这种不可控的振动或位置偏差，就同样需要运动机械部分的高速、高精度调整，同时要与位置传感器间相配合。

四）芯明天压电促动器用于惯性抵消、主动抑振

由于光刻机中的工件台与掩模台运动调节的速度较高，会产生一定惯性，这会引起工作台的振动，会对光刻产生不利影响。

为了消除工作台的振动，通常采用主动抑振的方式。

芯明天针对不同结构提供了不同的压电促动与传感方案。其中一种为压电促动与传感一体式，即将促动部分与传感部分做成一体式压电陶瓷，通过压电传感部分来检测结构的振动及受力情况，并将检测数据进行反馈，再通过预先确定的算法来调节施加到促动部分的电压，使之产生与振动方向相反的力，从而抵消振动。工作台的结构如下图所示。

此外，也可采用芯明天封装式压电促动器，它具有高频、高响应、大出力、小体积等特点，非常适用于光刻机中的减振抑振应用。在传感器检测到振动或位置偏差信号时，通过反馈至压电控制器或外部控制单元，再调节压电控制器向封装式压电促动器所施加的控制电压信号，使得压电促动器产生与振动方向相反的力，从而抵消工作台产生的振动。

芯明天压电陶瓷促动器的出力可高达50kN，响应速度可达毫秒级，可快速、精准抵消工作台的振动。

五）芯明天电容式传感器在光刻机中用于位置或振动检测

光刻机中的工件台、掩模台、物镜的偏差或振动都需要传感器进行检测，而电容传感器因其结构简单、精度高、体积小等特点，在光刻机中得到大量应用。

芯明天国产化电容式传感器现已面市，具有多种量程，经过实际测试，分辨率可高达1.25nm，-3db带宽可达2kHz，线性度达0.05%，重复度高达0.0025%。

芯明天电容式传感器

芯明天电容传感器是基于一个理想的平行板电容器原理，传感器与相对面被测目标形成两个电极，采用保护环电容器原理，在测量任何金属时，可保证传感器仍是线性的。

电容传感器原理图

芯明天电容式传感器配备信号采集模块，该模块通过内部电路将电容传感器与被测表面间的电容值转换为电压值，输出电压范围为0~10V，该输出范围与电容传感器的0至最大量程成线性关系。

该电容式传感器非常适用于工作台、掩模台及物镜的振动检测，具有3个量程可选，分别为100μm、200μm、500μm，它的静态检测分辨率分别为1.25nm、2.5nm、5nm。它的外径仅φ10mm，体积小巧，易于集成。

芯明天电容传感器及位移采集模块

结束语

压电纳米运动产品因其快速响应及高精度，因此在光刻机这种超高精密的仪器中得以应用。除上述的部分应用外，压电纳米运动产品在光刻机中还有很多应用，如压电移相器用于动镜的移相、压电偏摆台用于动镜的移相和调平、二维压电扫描台用于物镜的偏心对准、压电陶瓷促动器用于传感及促动器...等等，这与具体的光刻机设备结构及所采用的光学元件有关。

此外，芯明天公司还可定制设计大承载、大通孔型六轴压电纳米定位台，用于物镜的位置调整及倾斜调整；也可定制压电纳米定位台与振动检测电容传感器一体式系统，将检测与减振运动一体化。

芯明天已专注于压电纳米运动与控制技术达15年之久，为客户提供解决方案不计其数。

若您有任何高精度位置调整方案的需求，欢迎联系芯明天公司，我们将根据您的具体应用，提供高适应性的解决方案。

审核编辑 黄昊宇