隨著晶圓尺寸的逐漸增大，對高精度、大範圍運動控制的需求也顯著提升。本文說明透過雷射干涉儀選用裝設有內(nèi)建增量式光學尺的商用線型馬達移動平臺，搭配驅動控制器進行定位精度的分析與比較，干涉儀所量測到的位移數(shù)據(jù)將回授到驅動控制器進行即時回饋補償，以確保每次平臺移動到定位時的精準度，以驗證其性能優(yōu)勢。
隨著現(xiàn)今臺灣半導體產(chǎn)業(yè)持續(xù)邁向更高的量測精度、運作效率及系統(tǒng)整合控制，提升奈米級精準定位的需求變得日益迫切。在當今EUV和E-beam技術的快速發(fā)展下，實現(xiàn)晶圓、光罩、光學元件等設備是否可以達成奈米級精密定位成為關鍵挑戰(zhàn)。特別是在高速且大範圍的移動應用中，實現(xiàn)奈米級精度不僅要求卓越的運動控制系統(tǒng)，還需能在半導體製程中應對超高真空（UHV）、高潔淨環(huán)境和高溫等苛刻條件。
隨著晶圓尺寸的逐漸增大，對高精度、大範圍運動控制的需求也顯著提升。為解決這些挑戰(zhàn)，德國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，IDS3010不僅具備皮米級解析度，能以奈米級準確度進行位移檢測，並提供即時訊號補償回授運動控制，更具備高達25 MHz的數(shù)據(jù)輸出頻率，能夠與市售驅動控制器的最高信號解析度相匹配，滿足精密控制的需求。
本次實驗中，選用裝設有內(nèi)建增量式光學尺的商用線型馬達移動平臺，搭配驅動控制器，並架設IDS3010干涉儀進行移動平臺外部量測。同時IDS3010干涉儀所量測到的位移數(shù)據(jù)將回授到驅動控制器進行即時回饋補償，以確保每次平臺移動到定位時的精準度。最後，依照ISO230-2:2014標準量測方法，分別對平臺內(nèi)建光學尺與IDS3010干涉儀進行定位精度的分析與比較，以驗證其性能優(yōu)勢。
實驗硬體設備
本次實驗選用一般市售商用規(guī)格的線型馬達移動平臺並協(xié)同均華精密工業(yè)股份有限公司技術開發(fā)合作線型馬達驅動控制方法來進行同步整合，量測部分除了移動平臺內(nèi)建裝設有增量式光學尺外，同時使用德國attocube公司所生產(chǎn)的IDS3010雷射干涉儀來進行平臺位移量測及即時信號回饋補償輸出至控制器。
| 圖一 : IDS3010雷射干涉儀（左）、線型馬達移動平臺（右） |
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量測設備架設
1.將線型馬達移動平臺與伺服馬達驅動器進行連接，以驅動器指令控制平臺的移動步進間隔與距離。
2.將IDS3010雷射干涉儀專用的復歸反射器固定裝設在移動平臺上，進行平臺往復移動時的干涉儀信號反射來源。
3.選用IDS3010干涉儀專用平行光束感測探頭，並且固定架設於移動平臺外的任意位置，架設高度須與復歸反射器高度一致後，即可進行干涉儀雷射光的準直對位。
| 圖二 : 復歸反射器與感測探頭架設相關位置，a點為固定架設於移動平臺上之復歸反射器，須與平臺外b點感測探頭高度一致。 |
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4.使用26pin HDR信號連接器將IDS3010干涉儀主機上的即時補償回饋輸出孔位接至伺服馬達驅動器。
5.將IDS3010干涉儀補償輸出訊號設定為AquadB （LVDS）格式，AquadB 介面的解析度可由使用者調整，範圍從 1 pm 到 64.93 nm（以 2^n 步驟進行編程，其中 n 為整數(shù)）。Clock最快的設定為 40 ns（即 25 MHz），最慢的設定為 10,240 ns（即 98 kHz）。在此實驗中，選定解析度設定：10nm及Clock：25MHz。
| 圖三 : 整體量測設備裝設於震動等級VC-E無塵室環(huán)境內(nèi)。 |
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6.量測時環(huán)境參數(shù)：溫度為21.267°C；相對溼度為53.5%；壓力為1003.37hPa；量測折射率為1.000264。
量測步驟
此量測實驗遵循ISO230-2:2014標準量測方法分別量測兩組數(shù)據(jù)進行對照，設定移動平臺總行程為150mm，並以每10mm步進累積量測點。
? 實驗1：使用移動平臺內(nèi)建光學尺閉迴路補償訊號，並同時架設IDS3010輔助量測平臺位移ISO230-2:2014數(shù)據(jù)。
? 實驗2：關閉移動平臺內(nèi)建光學尺閉迴路補償訊號，使用IDS3010進行平臺位移量測，同時由IDS3010的即時補償量測訊號來進行移動平臺的位置補正。
量測結果
? 實驗1：使用移動平臺內(nèi)建光學尺閉迴路補償訊號，架設IDS3010輔助量測平臺位移，可以得到以下幾個主要參數(shù)數(shù)據(jù)（單位：μm）及位置偏差圖。
| 圖六 : 光學尺補償訊號量測之ISO230-2:2014位置偏移圖。 |
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? 實驗2：關閉移動平臺內(nèi)建光學尺閉迴路補償訊號，使用IDS3010進行平臺位移量測，同時由IDS3010的即時補償量測訊號來進行移動平臺的位置補正，可量測到主要參數(shù)數(shù)據(jù)（單位：μm）及位置偏差圖。
| 圖七 : IDS3010即時補償訊號量測之ISO230-2:2014位置偏移圖。 |
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@表格;表一：實驗1與實驗2量測數(shù)據(jù)比較（單位：μm）
即時補償訊號來源
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實驗1
平臺內(nèi)建光學尺
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實驗2
IDS3010即時補償
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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 : 實驗1與實驗2量測時的環(huán)境溫度 °C 變化值(上)。相對溼度 % 變化值(中)、大氣壓力 hPa變化值(下)。 |
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結論
根據(jù)這兩組實驗的對比結果，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)的即時補償訊號來源，搭配與均華精密工業(yè)技術開發(fā)合作線型馬達驅動控制方法來進行同步整合，能大幅提升移動平臺的重複定位精度和精準度。
相較於移動平臺內(nèi)建的光學尺，IDS3010 可將重複定位精度從原本的 2.0086 μm提升至 0.0951 μm，而精準度則從 12.4628 μm 提升至 0.1177 μm，顯著減少了定位誤差，使平臺設備能更精確地達到設定位置。
這樣的性能提升，對於極度要求精密操作的應用，尤其是半導體機臺的精密定位至關重要。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，進而提升整體製造效率與產(chǎn)品品質。
未來展望及延伸應用
本次實驗採用IDS3010雷射干涉儀搭配單軸感測訊號進行量測。IDS3010主機具備同時量測三軸感測訊號的能力，基於Fabry-Perot干涉原理，使用者可根據(jù)自身設備需求，自由靈活地設置感測探頭的位置。相較於傳統(tǒng)的邁可森(Michelson)干涉儀系統(tǒng)，IDS3010不僅擺脫架設位置的限制，還顯著提升應用上的靈活性和即時補償精度，讓使用者在複雜環(huán)境下仍能維持高效的測量操作，在自由度上加大優(yōu)化了實驗配置與結果的可靠性，未來可將此特色及優(yōu)點運用在其他設備裝置使用。
半導體製程晶圓載臺的移動及偏擺檢測
在半導體製程中，晶圓載臺的精密位移量測至關重要。由於晶圓上的電路結構極其微小，載臺的每一次微小位移都直接影響製程的精度和品質。精確的位移控制能確保各層電路的對準，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，在一晶圓載臺上分別於a、b、c三個位置裝設感測探頭，a位置探頭用來進行平臺X軸方向之即時位置補償回饋，b與c位置探頭用來量測平臺移動時所產(chǎn)生的Y方向移動量及利用b與c兩軸可以計算出平臺移動時產(chǎn)生之旋轉偏擺量。
| 圖九 : 於晶圓載臺a、b、c三個位置架設IDS3010干涉儀感測探頭。 |
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工具機機臺系統(tǒng)移動檢測
在工具機系統(tǒng)中，每個移動軸都配備有驅動馬達，依據(jù)加工需求進行精密移動。特別是龍門系統(tǒng)，行架兩端需要在穩(wěn)定且等速的條件下同步移動，其兩端之準確度更是需要特別重視。如圖17所示，透過兩臺IDS3010干涉儀共搭配四個感測探頭及復歸反射器，可以分別量測行架兩端的移動是否完全一致，其中a1及a2為感測探頭裝設位置，b1及b2為復歸反射器，進行龍門行架於X軸移動之即時監(jiān)測，更進一步在Y軸a3-b3及Z軸a4-b4上亦可同時裝設，確保三次元量測機臺所有移動軸高精度的同步性。
半導體曝光機或視覺檢測相關機臺
在半導體製程的曝光階段，為了精確控制光罩與晶圓之間的相對位置並即時監(jiān)控曝光過程，大多使用精密的疊層對準（overlay alignment）系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可確保每層電路圖案的正確位置。在此過程中可使用多臺IDS3010干涉儀串聯(lián)，增加測量的自由度，達到 3 倍於干涉儀數(shù)量的自由度增長。如圖18所示，使用兩臺 IDS3010 干涉儀，則可配置 6 個感測探頭，實現(xiàn)對光罩與鏡頭位置的高精度測量與控制。
角度變化量測
IDS3010干涉儀除了量測目標物的直線位移量之外，可搭配專為角度量測所設計之L型三探頭L型製具及L型復歸反射器，可同時量測位移、俯仰（pitch）及偏擺（yaw）。
| 圖十二 : L型角度量測配件之移動誤差與旋轉誤差示意圖。 |
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（本文作者林益呈為阜拓科技專案經(jīng)理、曾奕凱為均華精密工業(yè)高級專員）
[註]阜拓科技與均華精密工業(yè)合作技術開發(fā)線型馬達驅動控制方法均已簽屬NDA內(nèi)容保密條款。
