晶圆加工精度控制的关键！Yaw偏航角追踪的闭环XY方向控制
发布日期：2022-07-19
近年来，半导体行业飞速发展，节点技术不断缩小，EUV（极紫外）和电子束技术成为佳选择，对例如晶圆，光罩，光束对准，光学元件，反射镜等的纳米级精准加工要求也逐步提升。尤其是对于想要实现纳米级精度的快速和长距离运动，需要闭环运动控制的传感器，且这种传感器必须满足生产和质量保证过程的高标准（超高真空（UHV）和洁净室兼容性的要求）。而对于暴露于高温以及随着对晶圆尺寸越来越大的需求，在大行程范围内实现超高精度是非常必要和迫切的。
attocube是纳米精密应用专家，研发团队根据法布里-佩罗干涉仪原理开发的基于激光干涉的位移传感器IDS3010获得了保护[1]。IDS3010 能够实现运动控制和位移检测，具有皮米分辨率、纳米级精度和高达 25 MHz 的实时数据输出。基于光纤传输的IDS3010提供了三个通道，用于测量多轴载物台位移以及确定其角度的变化。UHV兼容的微型传感器头为不同的应用案例和设备集成提供了高度的灵活性。与半导体行业中的晶圆级多自由度（multiple degree of freedom，DOF）的精确位置控制这一典型应用契合。
图1a显示了“传统”的基于载物台控制的应用，其中移动载物台配备了两个反射镜，激光探头固定在机架上。图1b显示了另一种xy平台控制的方式，其中传感器头固定在移动载物台上，反射镜固定在框架上。可实现这种方案的原因是attocube研发的传感器头是基于光纤的，而且它们的尺寸和重量也很小（外径仅为14 mm，重量仅为7 g）。图1突出显示了IDS3010在xy方向上的控制应用，而且我们的激光干涉仪能够在各种环境和工作距离（长达5米）下工作，为其他运动控制应用提供了无限的可能性。
图 1：显示了两个 xy 方向控制应用示例：a） 安装在移动载物台上的晶圆，其中连接了反射镜。三个传感器头固定在框架上。载物台的xy运动由IDS3010控制。b）显示了另一种可能的应用，其中微型传感器头安装在移动晶圆台上，而反射镜固定在框架上。
实验装置
测量设置与图1a所示的示例类似，由一个电磁驱动xy位移台组成，该电磁位移台沿x轴的行程范围为1米。在移动载物台上放置了两个高质量的平面反射镜，用作测量表面。为了控制载物台位置，我们使用了带有三个固定准直传感器头的IDS3010（型号M12 / C1.6 / wf）。
IDS3010允许通过可用的实时数据输出（正弦、AquadB、HSSL、线性模拟输出）进行即时位置反馈。这些接口为闭环定位控制系统提供实时输入。对于实验室的测试，研究者们使用具有5 MHz带宽和纳米分辨率的正余弦数据输出。由于显示的测试是在室温环境条件下执行的，因此使用环境补偿单元（ECU）来确保测量的准确性[2]。在精密半导体加工的真空条件下不需要环境补偿，也同样能保证纳米级的测量精度。
两个传感器头（SH1 和 SH2）测量 yz 反射镜表面上的位移。SH1 的正余弦信号用于 x 轴的闭环控制。SH1 和 SH2 水平相距 40 mm，因此可以计算偏航旋转并将其用作4-DOF装置的实时补偿。在我们的3-DOF装置中，我们无法补偿沿x轴的偏航旋转。第三个传感器头 （SH3） 控制 y 轴。传感器头通过柔性光纤连接到IDS3010的三个通道，无需额外的光学元件。在平面反射镜上进行测量时，M12/C1.6/wf 传感器头的角度公差规定为± 30 m°，距离为 1 米。这种公差仍然是用户友好的，以便对齐精确xy级的设置，同时也保证了低余弦误差。与其他干涉仪制造商相比，这是另一个好处。重要的是，我们的测量原理使我们能够拥有不同的传感器头可供客户选择。
测量结果
图2a显示了驱动器的xy位移值。首先实现了30x30毫米的正方形。之后，x轴被移动到1.0米的总行程。在这一点上，重要的是SH3需要具有大约300 mm的一定偏移距离，以便SH1和SH2可以测量到1米。此主从轴关系已明确指定。Xy方向运动的相应偏航（z轴的旋转）如图2b所示。该图显示，通过移动x 轴可达 1 米。图2c显示了μ°范围内重复的角度偏差，这主要是由沿运动轴分布的电极之间的距离引起的。如果电磁驱动位移台具有额外的精确旋转设备，则可以补偿偏航旋转。
图2：a）显示了xy方向运动的位移数据。x轴以1.0米的行程移动，而y轴仅移动30毫米，并包括偏移距离。b） 描绘了 a） 中所示的 xy 方向运动的偏航（z 轴的旋转）。总偏航旋转在30m°范围内。c） 局部放大的偏航旋转在几十μ°范围内的详细角度变化情况。
结果
IDS3010被证明是闭环位移台应用的有力工具。位移和角度都可以在高达25 MHz的带宽下检测到。另外，小型化多种类的传感器头为灵活集成提供了更多可能，并确保可用性和准确性的正确组合，以此应对苛刻的定位任务。此外，传感器头的轻巧性（7克）提供了新的设置可能性，可以显著减少移动质量。以太网连接和多种标准编程语言（例如C +，C#，DLL，Python和LabView）允许将IDS3010轻松集成到各种不同的应用系统中。
参考文献
[1] Patent: Interferometric displacement sensor for integration into machine tools and semiconductor lithography systems; US10260863B2
[2] National Metrology Institute of Germany (PTB) calibration certificate; Calibration mark: 54012 PTB 15; 2016
