芯明天压电纳米技术如何帮助刻蚀机打造精度天花板

在半导体制造流程中，每一块纳米级芯片的诞生，背后都是一场在原子层面展开的极致精密较量。而在这场微观世界的“精密之战”中，刻蚀机堪称光刻机的最佳搭档，二者协同发力，推动着芯片制造的精密进程。它们的性能与协同水平，不仅奠定了芯片制造的精密基础，更从根本上左右着整个制程精度的发展方向与上限。

一、刻蚀机：芯片制造的“雕刻师”

芯片制造过程中，刻蚀技术是不可或缺的一环。刻蚀机在半导体制造中用于刻蚀工艺，其核心功能是选择性去除晶圆表面的特定材料层，将光刻工艺定义的光刻胶图案永久转移到下方的实际材料层（如硅、氧化物、金属等），最终形成芯片内部的晶体管、互连线、沟槽等关键结构。

刻蚀设备按照工艺的区别主要分为两大类：湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀一般采用化学溶液进行刻蚀，而干法刻蚀一般使用等离子体或特定气体进行刻蚀。目前为了追求更高的半导体制造精度，尤其是在先进制程，几乎都需要采用干法刻蚀。干法刻蚀的核心原理是：刻蚀机的反应腔中通入特定刻蚀气体，通过射频电源激发气体电离，形成等离子体后与晶圆表面的目标材料发生化学反应，并且将反应生成的产物去除，从而将光刻胶上的图案精确转移到下方材料层。

（注：图片来源于网络）

总结来说，刻蚀机和光刻机一样，是半导体芯片图案成型的关键设备，其精度直接决定芯片的集成度和性能。

二、刻蚀机精进路上的挑战

随着芯片制程从14nm迈向3nm、2nm，甚至未来更先进的节点，刻蚀的尺寸精度和形态控制逐渐逼近物理极限。

（注：图片来源于网络）

1.纳米级尺寸与边缘粗糙度：晶体管关键尺寸已缩小至几个纳米，并且刻蚀后图案的边缘粗糙度也需控制在纳米级别，否则可能会导致器件电流波动、性能不稳定。

2.刻蚀深度控制：刻蚀深度需精确到几纳米的级别，过度刻蚀会损伤下层材料，而刻蚀欠缺则会导致图案未完全转移，两者都会降低芯片良率。

3.均匀性控制：晶圆尺寸过大时，边缘与中心的距离较大，等离子体密度、气体流量、温度分布的微小差异都会导致刻蚀速率不均，需要保持纳米级的刻蚀均匀性。

4.定位与同步：刻蚀机的机械系统需实现亚纳米级的运动精度和长期稳定性，晶圆在刻蚀过程中需精准对齐光刻定义的图案。

（注：图片来源于网络）

三、芯明天压电纳米定位技术：刻蚀精度的“隐形守护者”

压电纳米定位技术的核心优势在于其纳米级分辨率、毫秒级响应速度的低能耗精密运动控制。

▲核心技术优势：

①纳米级分辨率：实现晶圆位移的纳米级控制，满足更小的步进需求。

②毫秒级响应：超快响应速度，可做到比传统制动快数十倍的动态补偿。

③稳定、抗干扰：刻蚀机工作时产生的机械振动、温度波动都可能影响定位精度，压电纳米产品的一体化刚性结构设计大幅度减少了振动传递，并且不受温度影响，实现漂移量最小化。

1.晶圆纳米级位移调节

刻蚀过程中的晶圆定位精度直接影响工艺效果。压电纳米定位台可进行多维精密角度调整，具有极高的定位精度和稳定性，响应速度快，能够确保晶圆与等离子体流的理想相对位置，消除因偏移导致的刻蚀偏差问题。

（注：图片来源于网络）

2.刻蚀形貌控制

面对芯片立体电路的刻蚀挑战，压电陶瓷促动器可以协助射频电极进行微调，实时修正等离子体束的位置，优化等离子体分布，实现刻蚀形状无损伤和线宽无畸变，满足芯片中关键结构的精准刻蚀要求。同时，高性能压电促动器的寿命超过十亿次往复循环，能够满足刻蚀机的长期量产需求。

（注：图片来源于网络）

3.刻蚀气体的微流控制

刻蚀气体的流量需精确到误差<0.1%的级别，并且需在毫秒时间内切换气体配方，如：从刻蚀介质层切换到刻蚀金属层等。这要求采用高精度的质量流量控制器（MFC），而质量流量控制器（MFC）内部阀门的响应时间也同样需要控制在毫秒级别，且长期使用后精度、稳定性要做到衰减最小化。

（注：图片来源于网络）

芯明天压电纳米定位台

P15系列压电纳米定位台是快速、高精度的二维及三维扫描和纳米定位台，具有非常高的定位精度。多种通孔尺寸可选。P15压电纳米定位台运动行程可达300μm/轴，它的内部采用有限元分析（FEA）优化的线切割挠曲铰链结构。FEA使其设计具有尽可能高的刚度，并使线性和角度跳动最小化。

特点

·二维或三维运动，行程300μm/轴

·无摩擦、高精度挠性导向系统

·可选配闭环传感器

·扫描平整度高

·多种通孔尺寸可选

·真空版本可选

技术参数

型号	P15.XYZ300S
运动自由度	X、Y、Z
驱动控制	3路驱动，3路传感
标称行程范围（0~120V）	240μm/轴
Max.行程范围（0~150V）	300μm/轴
传感器类型	SGS
通孔尺寸	66mm×66mm
闭环分辨率	8nm
闭环重复定位精度	0.1%F.S.
推/拉力	50N/10N
运动方向刚度	0.1N/μm
空载谐振频率	140Hz/170Hz/220Hz
闭环空载阶跃时间	60ms
承载能力（水平安装）	0.5kg
静电容量	XY10.8μF/Z13.2μF
材质	铝
重量	0.83kg

注：可定制超低温版本及超高真空版本。

芯明天六轴定位系统

H60系列六轴压电纳米定位台，是θx、θy、θz、X、Y、Z六轴运动工作台，通过六支压电促动器的并联协调伸缩实现空间内六个自由度的运动，台体结构紧凑，三种规格型号可供选择，闭环型号定位精度更高，适用于六自由度微操作、微电子精密加工、检测等应用。

特点

·六维θx、θy、θz、X、Y、Z轴运动

·大承载

·闭环定位精度高

·误差无积累

技术参数

型号	H60.XYZTR5S
运动自由度	X,Y,Z,θx,θy,θz
驱动控制	6路驱动，6路传感
X、Y轴标称行程范围（0~+120V）	±40µm
Z轴标称行程范围（0~+120V）	±28µm
θx,θy轴偏摆角度范围（0~+120V）	±0.65mrad（≈±134秒）
θz轴旋转角度范围（0~+120V）	±0.9mrad（≈±186秒）
传感器类型	SGS
θx,θy轴偏摆分辨率	0.4μrad
θz轴旋转分辨率	0.5μrad
X、Y轴直线分辨率	5nm
Z轴直线分辨率	3nm
闭环重复定位精度	0.1%F.S.
承载能力	5kg
工作温度范围*	-20~80°C
材质	钢、铝
重量	1100g

*可定制低温版本及高真空版本。

芯明天金属密封型压电促动器

金属密封型压电促动器因外壳做了全密封，实现了与大气环境的绝缘，进而受环境湿度影响较小，具有更长的使用寿命和更高性能，非常适用于需要高可靠性的半导体器件制造设备和光通信设备等各种应用。

特点

·高可靠性：在85℃和100V下可实现MTTF=36000小时

·精确的纳米定位

·机械磨损最小化

·工作温度：-25℃~+85℃或-40℃~+150℃

·出力最大可达3600N

·驱动电压：0~150V

·内置预加载机构和安装附件，便于安装到设备中

注：MTTF（Mean Time To Failures）为平均失效前时间。

型号举例

H550C801WD1-A0LF是芯明天金属密封型压电促动器的众多型号之一，它的行程可达55μm，出力可达800N，高标准的性能使其非常适用于流体流量控制阀的驱动，满足流体流量控制阀对驱动部件高可靠性和高精度的要求。（另有多款型号可供选择，并且支持参数定制。）

技术参数

型号	H550C801WD1-A0LF
标称位移	55±8μm
推力	800N
静电容量	6.4μF
谐振频率	18kHz
类型	无法兰
重量	16g
工作温度	-25~85℃
长度	44.4±0.5mm

审核编辑 黄宇