隨著晶圓尺寸的逐漸增大，對(duì)高精度、大範(fàn)圍運(yùn)動(dòng)控制的需求也顯著提升。本文說(shuō)明透過(guò)雷射干涉儀選用裝設(shè)有內(nèi)建增量式光學(xué)尺的商用線型馬達(dá)移動(dòng)平臺(tái)，搭配驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行定位精度的分析與比較，干涉儀所量測(cè)到的位移數(shù)據(jù)將回授到驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行即時(shí)回饋補(bǔ)償，以確保每次平臺(tái)移動(dòng)到定位時(shí)的精準(zhǔn)度，以驗(yàn)證其性能優(yōu)勢(shì)。
隨著現(xiàn)今臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)邁向更高的量測(cè)精度、運(yùn)作效率及系統(tǒng)整合控制，提升奈米級(jí)精準(zhǔn)定位的需求變得日益迫切。在當(dāng)今EUV和E-beam技術(shù)的快速發(fā)展下，實(shí)現(xiàn)晶圓、光罩、光學(xué)元件等設(shè)備是否可以達(dá)成奈米級(jí)精密定位成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。特別是在高速且大範(fàn)圍的移動(dòng)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)奈米級(jí)精度不僅要求卓越的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，還需能在半導(dǎo)體製程中應(yīng)對(duì)超高真空（UHV）、高潔淨(jìng)環(huán)境和高溫等苛刻條件。
隨著晶圓尺寸的逐漸增大，對(duì)高精度、大範(fàn)圍運(yùn)動(dòng)控制的需求也顯著提升。為解決這些挑戰(zhàn)，德國(guó)Attocube公司IDS3010雷射干涉儀提供最佳化的解方。以Fabry-Perot干涉原理為基礎(chǔ)，IDS3010不僅具備皮米級(jí)解析度，能以奈米級(jí)準(zhǔn)確度進(jìn)行位移檢測(cè)，並提供即時(shí)訊號(hào)補(bǔ)償回授運(yùn)動(dòng)控制，更具備高達(dá)25 MHz的數(shù)據(jù)輸出頻率，能夠與市售驅(qū)動(dòng)控制器的最高信號(hào)解析度相匹配，滿(mǎn)足精密控制的需求。
本次實(shí)驗(yàn)中，選用裝設(shè)有內(nèi)建增量式光學(xué)尺的商用線型馬達(dá)移動(dòng)平臺(tái)，搭配驅(qū)動(dòng)控制器，並架設(shè)IDS3010干涉儀進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)外部量測(cè)。同時(shí)IDS3010干涉儀所量測(cè)到的位移數(shù)據(jù)將回授到驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行即時(shí)回饋補(bǔ)償，以確保每次平臺(tái)移動(dòng)到定位時(shí)的精準(zhǔn)度。最後，依照ISO230-2:2014標(biāo)準(zhǔn)量測(cè)方法，分別對(duì)平臺(tái)內(nèi)建光學(xué)尺與IDS3010干涉儀進(jìn)行定位精度的分析與比較，以驗(yàn)證其性能優(yōu)勢(shì)。
實(shí)驗(yàn)硬體設(shè)備
本次實(shí)驗(yàn)選用一般市售商用規(guī)格的線型馬達(dá)移動(dòng)平臺(tái)並協(xié)同均華精密工業(yè)股份有限公司技術(shù)開(kāi)發(fā)合作線型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制方法來(lái)進(jìn)行同步整合，量測(cè)部分除了移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)建裝設(shè)有增量式光學(xué)尺外，同時(shí)使用德國(guó)attocube公司所生產(chǎn)的IDS3010雷射干涉儀來(lái)進(jìn)行平臺(tái)位移量測(cè)及即時(shí)信號(hào)回饋補(bǔ)償輸出至控制器。
| 圖一 : IDS3010雷射干涉儀（左）、線型馬達(dá)移動(dòng)平臺(tái)（右） |
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量測(cè)設(shè)備架設(shè)
1.將線型馬達(dá)移動(dòng)平臺(tái)與伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接，以驅(qū)動(dòng)器指令控制平臺(tái)的移動(dòng)步進(jìn)間隔與距離。
2.將IDS3010雷射干涉儀專(zhuān)用的復(fù)歸反射器固定裝設(shè)在移動(dòng)平臺(tái)上，進(jìn)行平臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)的干涉儀信號(hào)反射來(lái)源。
3.選用IDS3010干涉儀專(zhuān)用平行光束感測(cè)探頭，並且固定架設(shè)於移動(dòng)平臺(tái)外的任意位置，架設(shè)高度須與復(fù)歸反射器高度一致後，即可進(jìn)行干涉儀雷射光的準(zhǔn)直對(duì)位。
| 圖二 : 復(fù)歸反射器與感測(cè)探頭架設(shè)相關(guān)位置，a點(diǎn)為固定架設(shè)於移動(dòng)平臺(tái)上之復(fù)歸反射器，須與平臺(tái)外b點(diǎn)感測(cè)探頭高度一致。 |
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4.使用26pin HDR信號(hào)連接器將IDS3010干涉儀主機(jī)上的即時(shí)補(bǔ)償回饋輸出孔位接至伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。
5.將IDS3010干涉儀補(bǔ)償輸出訊號(hào)設(shè)定為AquadB （LVDS）格式，AquadB 介面的解析度可由使用者調(diào)整，範(fàn)圍從 1 pm 到 64.93 nm（以 2^n 步驟進(jìn)行編程，其中 n 為整數(shù)）。Clock最快的設(shè)定為 40 ns（即 25 MHz），最慢的設(shè)定為 10,240 ns（即 98 kHz）。在此實(shí)驗(yàn)中，選定解析度設(shè)定：10nm及Clock：25MHz。
| 圖三 : 整體量測(cè)設(shè)備裝設(shè)於震動(dòng)等級(jí)VC-E無(wú)塵室環(huán)境內(nèi)。 |
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6.量測(cè)時(shí)環(huán)境參數(shù)：溫度為21.267°C；相對(duì)溼度為53.5%；壓力為1003.37hPa；量測(cè)折射率為1.000264。
| 圖四 : 整體量測(cè)設(shè)備架構(gòu)流程圖。 |
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量測(cè)步驟
此量測(cè)實(shí)驗(yàn)遵循ISO230-2:2014標(biāo)準(zhǔn)量測(cè)方法分別量測(cè)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，設(shè)定移動(dòng)平臺(tái)總行程為150mm，並以每10mm步進(jìn)累積量測(cè)點(diǎn)。
? 實(shí)驗(yàn)1：使用移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)建光學(xué)尺閉迴路補(bǔ)償訊號(hào)，並同時(shí)架設(shè)IDS3010輔助量測(cè)平臺(tái)位移ISO230-2:2014數(shù)據(jù)。
? 實(shí)驗(yàn)2：關(guān)閉移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)建光學(xué)尺閉迴路補(bǔ)償訊號(hào)，使用IDS3010進(jìn)行平臺(tái)位移量測(cè)，同時(shí)由IDS3010的即時(shí)補(bǔ)償量測(cè)訊號(hào)來(lái)進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)的位置補(bǔ)正。
| 圖五 : 移動(dòng)平臺(tái)量測(cè)總行程。 |
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量測(cè)結(jié)果
? 實(shí)驗(yàn)1：使用移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)建光學(xué)尺閉迴路補(bǔ)償訊號(hào)，架設(shè)IDS3010輔助量測(cè)平臺(tái)位移，可以得到以下幾個(gè)主要參數(shù)數(shù)據(jù)（單位：μm）及位置偏差圖。
| 圖六 : 光學(xué)尺補(bǔ)償訊號(hào)量測(cè)之ISO230-2:2014位置偏移圖。 |
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? 實(shí)驗(yàn)2：關(guān)閉移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)建光學(xué)尺閉迴路補(bǔ)償訊號(hào)，使用IDS3010進(jìn)行平臺(tái)位移量測(cè)，同時(shí)由IDS3010的即時(shí)補(bǔ)償量測(cè)訊號(hào)來(lái)進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)的位置補(bǔ)正，可量測(cè)到主要參數(shù)數(shù)據(jù)（單位：μm）及位置偏差圖。
| 圖七 : IDS3010即時(shí)補(bǔ)償訊號(hào)量測(cè)之ISO230-2:2014位置偏移圖。 |
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@表格;表一：實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2量測(cè)數(shù)據(jù)比較（單位：μm）
即時(shí)補(bǔ)償訊號(hào)來(lái)源
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實(shí)驗(yàn)1
平臺(tái)內(nèi)建光學(xué)尺
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實(shí)驗(yàn)2
IDS3010即時(shí)補(bǔ)償
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Axis deviation
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Bidirectional ↑↓
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Reversal value B
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1.0329
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0.0426
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Mean reversal value
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-0.7806
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0.0176
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Range mean bidirectional positional deviation M
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11.7130
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0.0234
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Systematic positional deviation E
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11.7631
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0.0532
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Repeatability of positioning R
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2.0086
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0.0951
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Accuracy A
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12.4628
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0.1177
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| 圖八 : 實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2量測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度 °C 變化值(上)。相對(duì)溼度 % 變化值(中)、大氣壓力 hPa變化值(下)。 |
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結(jié)論
根據(jù)這兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果，顯著顯示出使用 attocube 公司生產(chǎn)的 IDS3010 雷射干涉儀作為系統(tǒng)的即時(shí)補(bǔ)償訊號(hào)來(lái)源，搭配與均華精密工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)合作線型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制方法來(lái)進(jìn)行同步整合，能大幅提升移動(dòng)平臺(tái)的重複定位精度和精準(zhǔn)度。
相較於移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)建的光學(xué)尺，IDS3010 可將重複定位精度從原本的 2.0086 μm提升至 0.0951 μm，而精準(zhǔn)度則從 12.4628 μm 提升至 0.1177 μm，顯著減少了定位誤差，使平臺(tái)設(shè)備能更精確地達(dá)到設(shè)定位置。
這樣的性能提升，對(duì)於極度要求精密操作的應(yīng)用，尤其是半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)的精密定位至關(guān)重要。IDS3010 不僅能大幅提高系統(tǒng)的可靠性，還有助於提升產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性，進(jìn)而提升整體製造效率與產(chǎn)品品質(zhì)。
未來(lái)展望及延伸應(yīng)用
本次實(shí)驗(yàn)採(cǎi)用IDS3010雷射干涉儀搭配單軸感測(cè)訊號(hào)進(jìn)行量測(cè)。IDS3010主機(jī)具備同時(shí)量測(cè)三軸感測(cè)訊號(hào)的能力，基於Fabry-Perot干涉原理，使用者可根據(jù)自身設(shè)備需求，自由靈活地設(shè)置感測(cè)探頭的位置。相較於傳統(tǒng)的邁可森(Michelson)干涉儀系統(tǒng)，IDS3010不僅擺脫架設(shè)位置的限制，還顯著提升應(yīng)用上的靈活性和即時(shí)補(bǔ)償精度，讓使用者在複雜環(huán)境下仍能維持高效的測(cè)量操作，在自由度上加大優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)配置與結(jié)果的可靠性，未來(lái)可將此特色及優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用在其他設(shè)備裝置使用。
半導(dǎo)體製程晶圓載臺(tái)的移動(dòng)及偏擺檢測(cè)
在半導(dǎo)體製程中，晶圓載臺(tái)的精密位移量測(cè)至關(guān)重要。由於晶圓上的電路結(jié)構(gòu)極其微小，載臺(tái)的每一次微小位移都直接影響製程的精度和品質(zhì)。精確的位移控制能確保各層電路的對(duì)準(zhǔn)，減少誤差，提高生產(chǎn)良率，並確保製造出的晶片性能穩(wěn)定可靠。如圖九所示，在一晶圓載臺(tái)上分別於a、b、c三個(gè)位置裝設(shè)感測(cè)探頭，a位置探頭用來(lái)進(jìn)行平臺(tái)X軸方向之即時(shí)位置補(bǔ)償回饋，b與c位置探頭用來(lái)量測(cè)平臺(tái)移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的Y方向移動(dòng)量及利用b與c兩軸可以計(jì)算出平臺(tái)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生之旋轉(zhuǎn)偏擺量。
| 圖九 : 於晶圓載臺(tái)a、b、c三個(gè)位置架設(shè)IDS3010干涉儀感測(cè)探頭。 |
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工具機(jī)機(jī)臺(tái)系統(tǒng)移動(dòng)檢測(cè)
在工具機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)移動(dòng)軸都配備有驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，依據(jù)加工需求進(jìn)行精密移動(dòng)。特別是龍門(mén)系統(tǒng)，行架兩端需要在穩(wěn)定且等速的條件下同步移動(dòng)，其兩端之準(zhǔn)確度更是需要特別重視。如圖17所示，透過(guò)兩臺(tái)IDS3010干涉儀共搭配四個(gè)感測(cè)探頭及復(fù)歸反射器，可以分別量測(cè)行架兩端的移動(dòng)是否完全一致，其中a1及a2為感測(cè)探頭裝設(shè)位置，b1及b2為復(fù)歸反射器，進(jìn)行龍門(mén)行架於X軸移動(dòng)之即時(shí)監(jiān)測(cè)，更進(jìn)一步在Y軸a3-b3及Z軸a4-b4上亦可同時(shí)裝設(shè)，確保三次元量測(cè)機(jī)臺(tái)所有移動(dòng)軸高精度的同步性。
| 圖十 : 三次元量測(cè)機(jī)臺(tái)。 |
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半導(dǎo)體曝光機(jī)或視覺(jué)檢測(cè)相關(guān)機(jī)臺(tái)
在半導(dǎo)體製程的曝光階段，為了精確控制光罩與晶圓之間的相對(duì)位置並即時(shí)監(jiān)控曝光過(guò)程，大多使用精密的疊層對(duì)準(zhǔn)（overlay alignment）系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可確保每層電路圖案的正確位置。在此過(guò)程中可使用多臺(tái)IDS3010干涉儀串聯(lián)，增加測(cè)量的自由度，達(dá)到 3 倍於干涉儀數(shù)量的自由度增長(zhǎng)。如圖18所示，使用兩臺(tái) IDS3010 干涉儀，則可配置 6 個(gè)感測(cè)探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)光罩與鏡頭位置的高精度測(cè)量與控制。
| 圖十一 : 半導(dǎo)體曝光機(jī)裝設(shè)六個(gè)感測(cè)探頭。 |
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角度變化量測(cè)
IDS3010干涉儀除了量測(cè)目標(biāo)物的直線位移量之外，可搭配專(zhuān)為角度量測(cè)所設(shè)計(jì)之L型三探頭L型製具及L型復(fù)歸反射器，可同時(shí)量測(cè)位移、俯仰（pitch）及偏擺（yaw）。
| 圖十二 : L型角度量測(cè)配件之移動(dòng)誤差與旋轉(zhuǎn)誤差示意圖。 |
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（本文作者林益呈為阜拓科技專(zhuān)案經(jīng)理、曾奕凱為均華精密工業(yè)高級(jí)專(zhuān)員）
[註]阜拓科技與均華精密工業(yè)合作技術(shù)開(kāi)發(fā)線型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制方法均已簽屬NDA內(nèi)容保密條款。
