作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

在半導(dǎo)體芯片銷售額從 2022 年的 6000 億美元增至 2030 年的 1 萬億美元的預(yù)期推動(dòng)下，半導(dǎo)體制造設(shè)備 (SME) 市場預(yù)計(jì)將在未來五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大幅增長。傳感器是芯片制造中使用的先進(jìn)光刻系統(tǒng)的核心。

制造復(fù)雜、高性能且越來越小的半導(dǎo)體芯片時(shí)，在很大程度上依賴于高精度、高靈敏度的光刻工藝，這些工藝有助于在硅晶圓和芯片制造中使用的其他基底上印制復(fù)雜的圖案。

先進(jìn)光刻系統(tǒng)采用了極其精確和靈敏的技術(shù)，不僅提高了工藝產(chǎn)量，還最大限度地減少了浪費(fèi)，優(yōu)化了工廠效率。為了達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)集成電路 (IC) 所必需的亞微米級(jí)和納米級(jí)精度，這些系統(tǒng)依賴于數(shù)千個(gè)傳感器來監(jiān)測和控制位置、溫度、能量和移動(dòng)。

系統(tǒng)的整體性能取決于每個(gè)傳感器的精確和可重復(fù)的性能。先進(jìn)的算法可以解讀大量傳感器數(shù)據(jù)，并利用數(shù)千個(gè)執(zhí)行器以非常微小但細(xì)致的方式協(xié)調(diào)必要的調(diào)整。

Analog Devices, Inc. 利用其信號(hào)鏈微型模塊 (μModule) 技術(shù)，為監(jiān)控光刻半導(dǎo)體制造子系統(tǒng)帶來了一個(gè)高性能、小型化的模數(shù)數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 解決方案，以應(yīng)對(duì)晶圓廠和集成器件制造商所面臨的生產(chǎn)挑戰(zhàn)。

應(yīng)用背景

半導(dǎo)體的不斷微型化推動(dòng)了從智能手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能提升，以及生成式人工智能 (GenAI)、量子計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的處理需求。要滿足半導(dǎo)體不斷縮小尺寸的要求，就必須采用先進(jìn)的工藝和創(chuàng)新的控制系統(tǒng)，使電路的寬度縮小到頭發(fā)絲的萬分之一。

光刻技術(shù)是半導(dǎo)體制造中的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，可在硅片和其他基底晶圓上精確地繪制特征圖案，從而制造出集成電路。它利用光掩模和強(qiáng)大、極其精確的光束或輻射，將芯片設(shè)計(jì)圖案的細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)移到涂有光刻膠材料的晶圓上。光刻膠對(duì)光線產(chǎn)生反應(yīng)，然后用化學(xué)藥劑處理晶圓，在晶圓基板上蝕刻出電路通路。分層工藝中使用了多個(gè)光掩膜。

高度專業(yè)化和極其復(fù)雜的光刻半導(dǎo)體制造系統(tǒng)只有極少數(shù)公司才能生產(chǎn)，只有這些公司才有能力應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)，并為該領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新提供所需的昂貴研發(fā)投入。

ASML 是行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，憑借其獨(dú)有的尖端極紫外光 (EUV) 系統(tǒng)在先進(jìn)光刻技術(shù)市場占據(jù)主導(dǎo)地位，該系統(tǒng)對(duì)于生產(chǎn)最先進(jìn)的芯片至關(guān)重要。該公司最先進(jìn)的系統(tǒng)造價(jià)高達(dá)數(shù)億美元，目前能夠生產(chǎn)特征尺寸小于 2 納米的芯片，可為每個(gè)芯片提供更多的晶體管，并縮小晶體管之間的間距。該公司還提供深紫外 (DUV) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用較長的波長，適用于 14 納米、28 納米及以上節(jié)點(diǎn)的中端和傳統(tǒng)芯片的生產(chǎn)，且更具成本效益。

其他光刻半導(dǎo)體制造系統(tǒng)由佳能和尼康生產(chǎn)，側(cè)重于 DUV 光刻和傳統(tǒng)技術(shù)，用于制造微機(jī)電系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體和工業(yè)應(yīng)用中使用的不太先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)極高的精度

光刻工藝需要極高的精度才能實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的圖案。傳感器和執(zhí)行器對(duì)于保持精度和產(chǎn)量至關(guān)重要，可推動(dòng)技術(shù)不斷進(jìn)步，開發(fā)出更小、更強(qiáng)和更節(jié)能的半導(dǎo)體。

傳感器在執(zhí)行器控制中起著舉足輕重的作用，可提供實(shí)時(shí)反饋、誤差修正和環(huán)境補(bǔ)償：

• 位置傳感器測量晶圓、光掩膜和透鏡的準(zhǔn)確位置
• 振動(dòng)傳感器檢測并補(bǔ)償可能干擾校準(zhǔn)的振動(dòng)
• 環(huán)境傳感器監(jiān)測溫度、濕度和空氣質(zhì)量，最大限度地減少環(huán)境對(duì)精度的影響
• 力傳感器和應(yīng)變傳感器確保執(zhí)行器在校準(zhǔn)和定位過程中施加正確的力

傳感器為閉環(huán)反饋提供重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以動(dòng)態(tài)調(diào)整執(zhí)行器，確保對(duì)齊和圖案精度。它們能實(shí)時(shí)檢測偏差，防止刻蝕圖案的晶圓出現(xiàn)缺陷，并使光掩模和晶圓完全對(duì)準(zhǔn)，這對(duì)多層芯片設(shè)計(jì)至關(guān)重要。它們對(duì)于最大限度地減少因錯(cuò)位或返工造成的延誤也很關(guān)鍵。

傳感器與執(zhí)行器的交互

DUV 和 EUV 光刻系統(tǒng)都依靠數(shù)以萬計(jì)的傳感器來實(shí)現(xiàn)高效、高產(chǎn)半導(dǎo)體制造所必需的精度和可靠性。隨著設(shè)備制造商致力于實(shí)現(xiàn)皮米級(jí)的下一代光刻技術(shù)，傳感器和執(zhí)行器在確保精度和可靠性方面的作用變得越來越重要。這些組件的無縫交互和管理是光刻系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。

管理這些傳感器需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和先進(jìn)的控制系統(tǒng)。光刻系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行器之間的交互必須經(jīng)過精心安排，才能達(dá)到半導(dǎo)體制造商及其客戶所要求的精度和可靠性。這些工藝錯(cuò)綜復(fù)雜，成功與否取決于實(shí)時(shí)反饋機(jī)制、精密的控制算法以及復(fù)雜子系統(tǒng)之間的無縫集成。

傳感器持續(xù)監(jiān)測位置、溫度、壓力和振動(dòng)等參數(shù)。任何與理想?yún)?shù)的偏差都必須實(shí)時(shí)糾正。執(zhí)行器通過微米級(jí)或納米級(jí)調(diào)整來定位晶圓或掩膜，并微調(diào)光學(xué)聚焦或光源對(duì)準(zhǔn)。

在晶圓臺(tái)定位中，傳感器要以亞納米精度跟蹤移動(dòng)。執(zhí)行器（如線性電機(jī)或壓電元件）可動(dòng)態(tài)調(diào)整晶圓臺(tái)的位置，以保持與光掩膜的精確對(duì)準(zhǔn)。光學(xué)對(duì)準(zhǔn)傳感器用來監(jiān)控光路，執(zhí)行器用來調(diào)整反射鏡或透鏡，以確保聚焦和圖案精準(zhǔn)。

集中化控制

中央控制單元監(jiān)控和處理來自數(shù)千個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并向執(zhí)行器發(fā)送指令。這些系統(tǒng)利用高速處理器和復(fù)雜的算法來無縫管理交互，確保多個(gè)子系統(tǒng)的同步。要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度，就必須盡量減少數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行器響應(yīng)的延遲。

傳感器和執(zhí)行器通過 EtherCAT、以太網(wǎng)或?qū)Ｓ?a target="_blank">接口等高速、低延遲通信協(xié)議進(jìn)行連接。這些網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了各個(gè)組件之間的快速數(shù)據(jù)交換和協(xié)調(diào)。

傳感器讀數(shù)或執(zhí)行器性能的漂移可通過監(jiān)控檢測到，并利用自適應(yīng)控制算法進(jìn)行補(bǔ)償。機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過分析歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測潛在的偏差或設(shè)備磨損，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和優(yōu)化執(zhí)行器性能。

隨著半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，傳感器和執(zhí)行器集成的作用越來越重要。干涉儀以納米級(jí)精度測量晶圓臺(tái)的位置，而執(zhí)行器則根據(jù)對(duì)準(zhǔn)和振動(dòng)傳感器的反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整晶圓臺(tái)的位置。光學(xué)傳感器監(jiān)測光的聚焦和強(qiáng)度，壓電執(zhí)行器調(diào)節(jié)透鏡或反射鏡以保持聚焦，從而將電路設(shè)計(jì)精確投影到晶圓上。還可利用攝像頭或光學(xué)傳感器檢測顆粒或不規(guī)則情況，并提示執(zhí)行器重新定位晶圓或掩膜以避免缺陷，或啟動(dòng)自動(dòng)清潔程序。

信號(hào)鏈性能

在每個(gè)光刻半導(dǎo)體制造系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器的性能都至關(guān)重要。ADI 的 [ADAQ7768-1]（圖 1）是基于該公司 μModule 技術(shù)的 DAQ 系統(tǒng)，旨在簡化和提高精密測量和控制系統(tǒng)的性能。這種單一系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 解決方案集成了高輸入阻抗放大、抗混疊、信號(hào)調(diào)節(jié)、模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換和可配置數(shù)字濾波模塊。

圖 1：ADI 的 ADAQ7768-1 μModule 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

通過集成電阻器和電容器等無源元件以及運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)、低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 和 A/D 轉(zhuǎn)換等有源元件，μModule 可確保完整信號(hào)鏈的性能不受溫度和電源變化的影響。這確保了從壓力、溫度和振動(dòng)傳感器獲取信號(hào)所用高性能信號(hào)鏈的精度和可重復(fù)性。

ADAQ7768-1 將多個(gè)元件集成到一個(gè) μModule 中，如圖 2 框圖所示。其中包括一個(gè) 24 位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、諸如放大器和濾波器之類信號(hào)調(diào)節(jié)元件以及電源管理和基準(zhǔn)電路。

圖 2：ADAQ7768-1 μModule 框圖。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

24 位 ADC 能夠精確測量微妙的參數(shù)，如晶圓臺(tái)的振動(dòng)水平、光學(xué)組件的熱變化以及亞納米級(jí)的定位誤差。

多個(gè)傳感器（如壓力、溫度和振動(dòng)）可連接到 ADAQ7768-1 的模擬前端 (AFE)，其中包括多個(gè)有源和無源元件。多個(gè)模塊可并行使用，以管理來自大量傳感器的數(shù)據(jù)，例如監(jiān)測晶圓臺(tái)對(duì)準(zhǔn)或環(huán)境條件的傳感器。

電源噪聲會(huì)直接影響光刻系統(tǒng)測量的精度和可靠性，但 ADAQ7768-1 在設(shè)計(jì)上只需一個(gè)電源即可工作，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了對(duì)額外外部電源管理電路的需求。

電源管理設(shè)計(jì)最大限度地降低了電源紋波和噪聲，這對(duì)于保持集成式低噪聲 24 位 ADC 和信號(hào)調(diào)節(jié)鏈的高精度至關(guān)重要。

ADAQ7768-1 的操作設(shè)計(jì)成使用單一穩(wěn)壓 5.3 V 輸入，輸入電壓范圍在 5.1 V 至 5.5 V 之間略有變化。該模塊包括內(nèi)部 LDO，可為各種內(nèi)部子系統(tǒng)提供清潔穩(wěn)定的電源。

ADAQ7768-1 無需設(shè)計(jì)人員外尋和校準(zhǔn)單個(gè)信號(hào)鏈組件，從而降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，有助于簡化原型開發(fā)和測試階段，從而縮短產(chǎn)品上市所需時(shí)間。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以利用 ADI 的 [EVAL-ADAQ7768-1]評(píng)估板（圖 3）簡化原型開發(fā)，加快開發(fā)速度，并幫助驗(yàn)證將 ADAQ7768-1 集成到系統(tǒng)中的精密數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。這對(duì)于確保系統(tǒng)在亞納米級(jí)定位和校準(zhǔn)過程中發(fā)揮預(yù)期性能至關(guān)重要。

圖 3：ADI 用于圍繞 ADAQ7768-1 數(shù)據(jù)采集解決方案構(gòu)建原型和測試應(yīng)用的評(píng)估板。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

該評(píng)估板提供了一個(gè)功能齊全的平臺(tái)，能夠利用預(yù)組裝的信號(hào)鏈元件對(duì) ADAQ7768-1 進(jìn)行測試，并能與標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備或單片機(jī)一起進(jìn)行即插即用操作。設(shè)計(jì)人員可以評(píng)估和優(yōu)化其設(shè)計(jì)的性能，在各種環(huán)境條件下進(jìn)行測試，測試不同的傳感器類型~~和信號(hào)源，以確定最佳的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)。

結(jié)語

先進(jìn)光刻系統(tǒng)對(duì)于制造更小、更強(qiáng)大的半導(dǎo)體至關(guān)重要，且要依靠成千上萬的傳感器進(jìn)行監(jiān)測和控制。傳感器在執(zhí)行器控制中起著舉足輕重的作用，可提供實(shí)時(shí)反饋，確保半導(dǎo)體制造的精度和產(chǎn)量。ADI 的 ADAQ7768-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成了信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和處理模塊，簡化并增強(qiáng)了精密測量和控制系統(tǒng)。它體積小、精度高、使用方便，是開發(fā)要求極高精度和可靠性的下一代光刻設(shè)備的重要工具。

審核編輯 黃宇