通过这么多期的光刻小讲堂,我们从光源开始,沿着光路逐个介绍了照明模组、投影物镜模组以及上一期的浸润式光刻,想必这一系列一定让同学们大呼惊叹。而在光刻机内,还有另一个“大神”,它聚集了光刻机中最重要的运动部件,是系统的机械“心脏”,它就是我们今天要介绍的——晶圆平台模组(Wafer stage module)。
今天,光刻小讲堂就带你了解晶圆平台模组如何发挥它的快、稳、准,以不断地向更高的产能、更准的套刻精度迈进。
在这样一个争分夺秒的行业里,时间就是金钱。ASML也一直在追求光刻机极致的速度,目前最先进的DUV光刻机,每小时可以完成300片晶圆的光刻生产。
这是一个什么概念呢?
我们来换算一下,完成一整片晶圆只需要12秒,这还得扣除掉晶圆交换和定位的时间,实际光刻时间要更短。
而一片晶圆的光刻过程,需要在晶圆上近100个不同的位置成像电路图案,所以完成1个影像单元(Field)的曝光成像也就约0.1秒。
所以各位同学看到的动画其实都是慢动作了。要实现这个成像速度,晶圆平台在以高达7g的加速度高速移动。7g加速度是什么概念呢?F1赛车从0到100km/h加速约需要2.5秒,而晶圆平台的7g的加速度,若从0加速到100km/h只要约0.4秒。
光刻机的准,是包括水平方向和垂直方向的。在水平方向上,各位都知道,芯片制造是一层层向上叠加的,最高可达上百次叠加。
每一次的叠加,都必须和前一次完美重叠,重叠的误差,我们称套刻精度(overlay),现在的要求已经到了1~2纳米。而晶圆从传送模组传送并放置在晶圆平台上,会产生一定的机械误差,而精密机械的误差是微米等级(1微米=1,000纳米),也就是说每片晶圆上了晶圆平台,总是有个数千纳米以上的偏移。
要怎么才能做到每次的叠加套刻精度在1~2纳米呢?
从垂直面上,由于光刻机的投影物镜太巨大,在对焦点上下可接受的清楚影像范围小于100纳米。而从微观的角度来看,晶圆表面是高低不平的,若累加晶圆平台的高低差,在晶圆表面不同位置的光阻高度可以相差500~1,000纳米。
这些巨大的偏移和高低差,使得每次曝光之前,必须针对每片晶圆做精密的量测,截取到晶圆每一个区块纳米等级的微小误差。在曝光阶段实时校正,达到纳米等级的准度。
双晶圆平台也是ASML光刻机为了同时达到快和准所发展出来的。精准量测不可少,但需要花不少时间,双晶圆平台在一个晶圆平台在给晶圆进行曝光时,另一个平台可对下一片晶圆进行量测校正。实现测量和曝光的无缝衔接,极大地提高了生产效率。
在保证了快和准之后,机台的稳定程度就是我们不得不去考虑的重要问题了。没有稳定的机台,是不可能做到精准纳米级别的成像的,ASML光刻机需要做到好几个层面的稳定。
光刻机以极高的加速度进行扫描曝光(scan), 在不到0.1秒的时间,又要急停并回头往反方向扫描,这么大的力量如果不做控制,会让整机产生振动,是不可能达到完美成像的。ASML光刻机利用所谓的balance mass来吸收平衡晶圆平台所施加于机座的反作用力,完美平衡,整座机台完全静止,稳如泰山。
晶圆在量测端完成了极精密的量测,还需要在极短的曝光时间内,完美定位,这就要靠精密机械运作,和实时的定位校正了。ASML光刻机可实现每秒两万次量测定位校正,以精度达到60皮米(0.06纳米, 比一个硅原子还要小)的传感器确认精准定位。
ASML最先进的DUV光刻机,每天可以光刻6,000片以上的晶圆,也就是每天要来回扫描60万次以上。如何做到24小时运作,365天全年无休,依然维持纳米精度?晶圆平台难道不会磨损吗?事实上晶圆平台是采取所谓无接触移动的。讲得玄一点,晶圆平台在成像扫描过程中,都是飘浮在空中快速来回运动的。ASML晶圆平台的悬浮技术有两种,Twinscan XT的气浮方式和新一代Twinscan NXT的磁悬浮方式。借由无接触的移动方式,达成极高速的运动和持久稳定的运作。
从上面对于晶圆平台的说明,以及一直以来光刻小讲堂的介绍,想必各位同学已经了解到一台光刻机的内部的种种关键原理。ASML结合了精准量测、精密机械、精准定位、光与磁的掌握,以及水的完美运用,一步步打造出了独步全球的光刻机,从而让摩尔定律得以延续。