晶圆掩模对准：Queensgate聚焦300毫米直径晶圆的需求

现代半导体制造需要将硅晶圆和光刻掩模实现纳米级精度的对准。随着行业逐渐从200毫米直径的晶圆转向使用300毫米直径的晶圆，对准难度也随之大幅增加。Queensgate的纳米定位技术可在此转型期间发挥重要作用。

作为电子芯片制造中不可或缺的重要工艺之一，光刻技术工艺须将紫外光透过带图案的掩模投射到半导体晶圆上。紫外光会激活晶圆表面上的光刻胶，从而在晶圆上蚀刻出特定的图案。经过多次迭代的光刻和金属沉积工艺能制造出尺寸仅为几十纳米的元器件。

不过，在这一复杂的制造过程中，晶圆与掩模的连续对准极为关键。该过程不仅要求速度快、可重复性高，而且整个制造过程要保持纳米级的精度。作为精密光学和机械仪器的制造商Prior Scientific旗下的一员，Queensgate专精于纳米定位创新，能为广大客户分忧。

Queensgate是英国的一家企业，专注于纳米定位产品的开发和制造45年，积淀深厚，实力强大，已发展成为业内的领导者。公司于1979年脱胎于伦敦帝国理工学院，最初作为天文学精密仪器的供应商。其多项技术被美国国家航空航天局 (NASA) 用于航天飞机和国际空间站，并因此享誉全球。此外，Queensgate还与硬盘驱动器制造商Seagate深化合作二十余载，共同开发了制造期间快速检测读/写磁头的技术。Queensgate还与英国国家物理实验室 (NPL) 长期合作，共同致力于开发树立国际测量标准的纳米定位技术。

瞄准更大尺寸的晶圆

半导体行业正从使用200毫米直径的晶圆转向300毫米直径的晶圆。因为这一转变能让单块晶圆可生产的芯片数量翻倍。而加工更大、更重的晶圆亟需新一代能以纳米级精度定位晶圆的技术。

此前，Queensgate已经和原始设备制造商 (OEM) 合作，生产了在加工过程中检测300毫米晶圆缺陷的光学晶圆检测系统。现在，Queensgate又将目标瞄准晶圆对准系统。Queensgate的产品经理Craig Goodman表示，行业向300毫米晶圆的转变也为公司参与到下一代对准系统开发创造了良机。

“晶圆尺寸越大，定位精度要求也更高，而我们正是解决这些问题的专家。”Goodman解释道，“先后有诸多OEM向我们咨询，了解我们的技术如何用于下一代高性能半导体元器件制造工艺中的晶圆精密定位。”

随着晶圆尺寸增至300毫米，厂商需要精确对准面积更大、重量更重的晶圆。不仅如此，生产过程中固定300毫米晶圆所需的卡盘也更重。对于定位系统而言，这几乎是相悖的要求：一方面，随着特征尺寸的缩小，系统须在更短距离上保持高精度对准；而另一方面又需要能够移动更大、更重的晶圆和卡盘。Queensgate的现有晶圆平台可处理重量达14千克的晶圆，并能实现1.5纳米的空间分辨率。

Goodman解释道，Queensgate的技术并非大幅调整晶圆和掩模对准系统，而是通过采用气浮轴承等技术的长行程定位平台来实现。相反，公司的纳米定位系统用于对准的最后阶段，在不到1毫米的范围内以纳米级精度移动晶圆。

消除噪音

要实现纳米级精度是一项巨大的挑战，Queensgate通过攻坚找出纳米定位系统中的噪音来源，成功克服了这一难题。Goodman表示，要实现纳米级精度必须尽量减少两大噪音源。其一是外部振动噪音，可能来自各种环境源，比如人声；其二是控制纳米定位系统压电执行机构的电子设备内部的噪音。

Goodman解释称，公司通过优化机械和电子系统的巧妙设计减少了噪音。例如，提高定位平台的刚性来抵抗振动噪音，使用陷波滤波器将电子噪音的影响降至亚纳米级别。

Queensgate向OEM提供纳米定位技术，由OEM完成技术集成后再销售给芯片制造商。Goodman表示，Queensgate与OEM密切合作，确保所有产品的技术规格达标。“用于300毫米晶圆的定位平台或定位装置是我们技术的一种高度定制化的应用，”他解释道。

Goodman还指出，尽管这些成品纳米定位系统精密先进，但它们将用于每月加工数万片晶圆的大型设施中。“我们和客户的共同目标是让Queensgate的纳米定位技术能够广泛用于芯片的大规模制造，”Goodman说道。这意味着系统必须非常快，以保证高产量。“这也是我们选用压电执行机构进行最后微米级定位的原因，因为它们既快又精准。”

目前，大多数芯片制造集中在亚洲，但为了保障未来供应安全，美国和欧洲正在积极推动本地化生产。Goodman表示，这一推动半导体独立供应的趋势为Queensgate带来了重大机遇。“这是一个竞争激烈、持续增长且充满吸引力的市场，”他说道。

Queensgate现已发布了 NPS-XYP-250Q 300毫米晶圆掩模对准平台的数据表。Goodman将其描述为“目前交付的物理尺寸‘最大’的压电纳米定位平台。”

主要特点

• Travel range:

  • X,Y – 250 µm

  • Yaw – 250 µrad

• High-vacuum compatible (10⁻⁷ Torr)

• Operational temperatures up to 50 °C

• 350 mm aperture

• Load capacity: >10 kg

• Materials: aluminum (body), stainless steel and titanium in construction

• Weight: 31.5 kg

• Size: 600 x 600 x 60 mm

• Stability: <1.5 nm (rms) over 60 seconds

• 行程范围：

  • X轴和Y轴：250 µm

  • 偏航角：250 µrad

• 兼容高真空环境 (10⁻⁷ Torr)

• 工作温度：≤50 °C

• 通光孔径：350毫米

• 负载能力：>10 kg

• 材料：铝合金主体，搭配不锈钢和钛合金结构

• 重量：31.5 kg

• 尺寸：600 x 600 x 60 mm

• 稳定性：<1.5 nm（均方根值，60秒时长）

This article was originally published in Physics World. 
本文最初刊载于《Physics World》(《物理世界》)。 
 

本文最初刊载于 Physics World.