壓電納米運動產品在光刻機中的應用
隨著信息技術的飛速發展，各行業對芯片的要求越來越高，要求高速、納米級超小尺寸、低功耗、低時延等，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，從原材料開始，要經過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
在整個流程中，難度最高的就是光刻。
光刻（Photolithography Fabrication）是通過光波將圖案從版圖或掩模轉移到半導體晶圓表面的工藝。該過程是集成電路制造過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）內進行。其他工藝在涂膠顯影機（Track）上進行。
光刻機總體結構
在光刻機的對準和曝光過程中有兩個重要的工作平臺，一個是工件臺，用于承載硅片，即晶圓；另一個是掩模臺，用于承載掩模版，簡稱掩模。掩模上承載有設計圖形，光線透過掩模照射到晶圓上，就會將掩模上的設計圖形投射到晶圓的光刻膠上。而光源要通過多個反射鏡進行最終光譜的篩選，經過掩模，再透過投影物鏡才能最終投射到晶圓上，而投影物鏡又具有多個透鏡，其中含有動鏡，以便對像差進行調整。
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壓電納米運動產品在光刻機中的應用
隨著集成電路的尺寸越來越小，光刻投影物鏡的像差對成像質量的影響越來越大。但通過采用壓電納米運動產品作為物鏡的驅動源，可對像散、球差與畸變等像差進行實時補償。
一）芯明天N31直線壓電馬達用于投影物鏡的高精度微調
芯明天公司生產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。
而芯明天生產的直線壓電馬達，不僅可以滿足高達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系列直線壓電馬達，即可保證大量程，又可提供高精度的運動調節。
芯明天N31系列直線壓電馬達
采用步進驅動，保證了大行程、納米精度和大出力
芯明天N31直線壓電馬達是采用類似人行走的步進運動方式，它的內部具有多組壓電促動器，每組步進分兩對壓電驅動器來完成，每個壓電驅動器都通過電壓信號控制，每對壓電驅動器間的伸長與收縮運動配合，控制了中間移動桿的前進或后移。
N31直線壓電馬達內部壓電陶瓷運動原理
增量式編碼器，保證高精度位置控制
N31系列直線壓電馬達內置非接觸式光學編碼器，分辨率高、構造簡單、體積小，為壓電馬達運動平臺的高精度運動提供保證，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
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二）芯明天六自由度并聯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機構平臺與常見的六軸并聯機構不同，它的直線分辨率可優于0.5nm，角度偏轉運動分辨率可優于0.5μrad，這可為光刻機中晶圓或物鏡的六軸直線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，對像質進行補償。
芯明天H60系列六自由度并聯機構的六支驅動桿都是壓電式驅動桿，六個壓電促動器并聯式連接，促動器間相互配合，最終控制上端的移動面的傾斜或直線運動。該種結構無積累誤差，誤差小、精度高。
該六自由度并聯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動態鏈接庫函數等，方便二次開發。
三）芯明天壓電促動器用于掩模對準、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配合，最終完成工件臺與掩模間的精確對準。而這個過程要求掩模臺與工件臺的運動一定要保持對位準確，否則會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，可以顯著減小掩模缺陷對成像質量的影響。但也同時要求掩模臺的運動速度要比工件臺的運動速度快4倍。這就要求運動機械部分要有高速和高精度的特點。
芯明天直線壓電促動器具有體積小、響應速度快、精度高、出力大等特點，可滿足掩模對準中的高速、高精度要求。
芯明天壓電促動器
例如芯明天VS12系列壓電促動器，它的行程范圍在9至152μm，出力可達1200N，固定端與移動端皆通過機械接口（平頭、內螺紋、外螺紋、球頭、定制等）進行連接。它采用PZT壓電陶瓷直驅結構，具有毫秒級快速響應能力。可通過多支壓電促動器間的配合完成快速、高精度的掩模對準。
在曝光過程中，由于掩模臺的運動，也會產生較大的慣性力，會引起掩模臺的滑動，導致精度降低。為了補償這種不可控的振動或位置偏差，就同樣需要運動機械部分的高速、高精度調整，同時要與位置傳感器間相配合。
四）芯明天壓電促動器用于慣性抵消、主動抑振
由于光刻機中的工件臺與掩模臺運動調節的速度較高，會產生一定慣性，這會引起工作臺的振動，會對光刻產生不利影響。
為了消除工作臺的振動，通常采用主動抑振的方式。
芯明天針對不同結構提供了不同的壓電促動與傳感方案。其中一種為壓電促動與傳感一體式，即將促動部分與傳感部分做成一體式壓電陶瓷，通過壓電傳感部分來檢測結構的振動及受力情況，并將檢測數據進行反饋，再通過預先確定的算法來調節施加到促動部分的電壓，使之產生與振動方向相反的力，從而抵消振動。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器，它具有高頻、高響應、大出力、小體積等特點，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或位置偏差信號時，通過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器所施加的控制電壓信號，使得壓電促動器產生與振動方向相反的力，從而抵消工作臺產生的振動。
芯明天壓電陶瓷促動器的出力可高達50kN，響應速度可達毫秒級，可快速、精準抵消工作臺的振動。
五）芯明天電容式傳感器在光刻機中用于位置或振動檢測
光刻機中的工件臺、掩模臺、物鏡的偏差或振動都需要傳感器進行檢測，而電容傳感器因其結構簡單、精度高、體積小等特點，在光刻機中得到大量應用。
芯明天國產化電容式傳感器現已面市，具有多種量程，經過實際測試，分辨率可高達1.25nm，-3db帶寬可達2kHz，線性度達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電極，采用保護環電容器原理，在測量任何金屬時，可保證傳感器仍是線性的。
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至最大量程成線性關系。
該電容式傳感器非常適用于工作臺、掩模臺及物鏡的振動檢測，具有3個量程可選，分別為100μm、200μm、500μm，它的靜態檢測分辨率分別為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
壓電納米運動產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，壓電納米運動產品在光刻機中還有很多應用，如壓電移相器用于動鏡的移相、壓電偏擺臺用于動鏡的移相和調平、二維壓電掃描臺用于物鏡的偏心對準、壓電陶瓷促動器用于傳感及促動器...等等，這與具體的光刻機設備結構及所采用的光學元件有關。
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檢測電容傳感器一體式系統，將檢測與減振運動一體化。
芯明天已專注于壓電納米運動與控制技術達15年之久，為客戶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。
