作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

在半導體芯片銷售額從 2022 年的 6000 億美元增至 2030 年的 1 萬億美元的預期推動下，半導體制造設備 (SME) 市場預計將在未來五年內實現(xiàn)大幅增長。傳感器是芯片制造中使用的先進光刻系統(tǒng)的核心。

制造復雜、高性能且越來越小的半導體芯片時，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雜的圖案。

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

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

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

應用背景

半導體的不斷微型化推動了從智能手機到超級計算機的性能提升，以及生成式人工智能 (GenAI)、量子計算、物聯(lián)網和邊緣計算的處理需求。要滿足半導體不斷縮小尺寸的要求，就必須采用先進的工藝和創(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。

光刻技術是半導體制造中的一項基礎技術，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。它利用光掩模和強大、極其精確的光束或輻射，將芯片設計圖案的細節(jié)轉移到涂有光刻膠材料的晶圓上。光刻膠對光線產生反應，然后用化學藥劑處理晶圓，在晶圓基板上蝕刻出電路通路。分層工藝中使用了多個光掩膜。

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

ASML 是行業(yè)領導者，憑借其獨有的尖端極紫外光 (EUV) 系統(tǒng)在先進光刻技術市場占據(jù)主導地位，該系統(tǒng)對于生產最先進的芯片至關重要。該公司最先進的系統(tǒng)造價高達數(shù)億美元，目前能夠生產特征尺寸小于 2 納米的芯片，可為每個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)點的中端和傳統(tǒng)芯片的生產，且更具成本效益。

其他光刻半導體制造系統(tǒng)由佳能和尼康生產，側重于 DUV 光刻和傳統(tǒng)技術，用于制造微機電系統(tǒng)、功率半導體和工業(yè)應用中使用的不太先進的節(jié)點。

實現(xiàn)極高的精度

光刻工藝需要極高的精度才能實現(xiàn)亞微米級的圖案。傳感器和執(zhí)行器對于保持精度和產量至關重要，可推動技術不斷進步，開發(fā)出更小、更強和更節(jié)能的半導體。

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

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

傳感器為閉環(huán)反饋提供重要的實時數(shù)據(jù)，以動態(tài)調整執(zhí)行器，確保對齊和圖案精度。它們能實時檢測偏差，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準，這對多層芯片設計至關重要。它們對于最大限度地減少因錯位或返工造成的延誤也很關鍵。

傳感器與執(zhí)行器的交互

DUV 和 EUV 光刻系統(tǒng)都依靠數(shù)以萬計的傳感器來實現(xiàn)高效、高產半導體制造所必需的精度和可靠性。隨著設備制造商致力于實現(xiàn)皮米級的下一代光刻技術，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)成功的關鍵。

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

傳感器持續(xù)監(jiān)測位置、溫度、壓力和振動等參數(shù)。任何與理想參數(shù)的偏差都必須實時糾正。執(zhí)行器通過微米級或納米級調整來定位晶圓或掩膜，并微調光學聚焦或光源對準。

在晶圓臺定位中，傳感器要以亞納米精度跟蹤移動。執(zhí)行器（如線性電機或壓電元件）可動態(tài)調整晶圓臺的位置，以保持與光掩膜的精確對準。光學對準傳感器用來監(jiān)控光路，執(zhí)行器用來調整反射鏡或透鏡，以確保聚焦和圖案精準。

集中化控制

中央控制單元監(jiān)控和處理來自數(shù)千個傳感器的數(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雜的算法來無縫管理交互，確保多個子系統(tǒng)的同步。要實現(xiàn)納米級精度，就必須盡量減少數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行器響應的延遲。

傳感器和執(zhí)行器通過 EtherCAT、以太網或專用接口等高速、低延遲通信協(xié)議進行連接。這些網絡促進了各個組件之間的快速數(shù)據(jù)交換和協(xié)調。

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，并利用自適應控制算法進行補償。機器學習算法通過分析歷史數(shù)據(jù)來預測潛在的偏差或設備磨損，從而實現(xiàn)預測性維護和優(yōu)化執(zhí)行器性能。

隨著半導體節(jié)點的不斷縮小，傳感器和執(zhí)行器集成的作用越來越重要。干涉儀以納米級精度測量晶圓臺的位置，而執(zhí)行器則根據(jù)對準和振動傳感器的反饋動態(tài)調整晶圓臺的位置。光學傳感器監(jiān)測光的聚焦和強度，壓電執(zhí)行器調節(jié)透鏡或反射鏡以保持聚焦，從而將電路設計精確投影到晶圓上。還可利用攝像頭或光學傳感器檢測顆?；虿灰?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，或啟動自動清潔程序。

信號鏈性能

在每個光刻半導體制造系統(tǒng)中，每個傳感器的性能都至關重要。ADI 的 [ADAQ7768-1]（圖 1）是基于該公司 μModule 技術的 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)級封裝 (SiP) 解決方案集成了高輸入阻抗放大、抗混疊、信號調節(jié)、模數(shù) (A/D) 轉換和可配置數(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算放大器、基準、低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 和 A/D 轉換等有源元件，μModule 可確保完整信號鏈的性能不受溫度和電源變化的影響。這確保了從壓力、溫度和振動傳感器獲取信號所用高性能信號鏈的精度和可重復性。

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

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)，如晶圓臺的振動水平、光學組件的熱變化以及亞納米級的定位誤差。

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

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

電源管理設計最大限度地降低了電源紋波和噪聲，這對于保持集成式低噪聲 24 位 ADC 和信號調節(jié)鏈的高精度至關重要。

ADAQ7768-1 的操作設計成使用單一穩(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。該模塊包括內部 LDO，可為各種內部子系統(tǒng)提供清潔穩(wěn)定的電源。

ADAQ7768-1 無需設計人員外尋和校準單個信號鏈組件，從而降低了設計的復雜性，有助于簡化原型開發(fā)和測試階段，從而縮短產品上市所需時間。

產品設計人員可以利用 ADI 的 [EVAL-ADAQ7768-1]評估板（圖 3）簡化原型開發(fā)，加快開發(fā)速度，并幫助驗證將 ADAQ7768-1 集成到系統(tǒng)中的精密數(shù)據(jù)采集設計。這對于確保系統(tǒng)在亞納米級定位和校準過程中發(fā)揮預期性能至關重要。

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

該評估板提供了一個功能齊全的平臺，能夠利用預組裝的信號鏈元件對 ADAQ7768-1 進行測試，并能與標準測試設備或單片機一起進行即插即用操作。設計人員可以評估和優(yōu)化其設計的性能，在各種環(huán)境條件下進行測試，測試不同的傳感器類型~~和信號源，以確定最佳的輸入信號調節(jié)。

結語

先進光刻系統(tǒng)對于制造更小、更強大的半導體至關重要，且要依靠成千上萬的傳感器進行監(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，可提供實時反饋，確保半導體制造的精度和產量。ADI 的 ADAQ7768-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成了信號調節(jié)、轉換和處理模塊，簡化并增強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備的重要工具。

審核編輯 黃宇