ADI 数据采集解决方案在先进光刻芯片制造领域大放异彩l

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美编辑

在半导体芯片销售额从 2022 年的 6000 亿美元增至 2030 年的 1 万亿美元的预期推动下，半导体制造设备 (SME) 市场预计将在未来五年内实现大幅增长。传感器是芯片制造中使用的先进光刻系统的核心。

制造复杂、高性能且越来越小的半导体芯片时，在很大程度上依赖于高精度、高灵敏度的光刻工艺，这些工艺有助于在硅晶圆和芯片制造中使用的其他基底上印制复杂的图案。

先进光刻系统采用了极其精确和灵敏的技术，不仅提高了工艺产量，还最大限度地减少了浪费，优化了工厂效率。为了达到大规模生产集成电路 (IC) 所必需的亚微米级和纳米级精度，这些系统依赖于数千个传感器来监测和控制位置、温度、能量和移动。

系统的整体性能取决于每个传感器的精确和可重复的性能。先进的算法可以解读大量传感器数据，并利用数千个执行器以非常微小但细致的方式协调必要的调整。

Analog Devices, Inc. 利用其信号链微型模块 (?Module) 技术，为监控光刻半导体制造子系统带来了一个高性能、小型化的模数数据采集 (DAQ) 解决方案，以应对晶圆厂和集成器件制造商所面临的生产挑战。

应用背景

半导体的不断微型化推动了从智能手机到超级计算机的性能提升，以及生成式人工智能 (GenAI)、量子计算、物联网和边缘计算的处理需求。要满足半导体不断缩小尺寸的要求，就必须采用先进的工艺和创新的控制系统，使电路的宽度缩小到头发丝的万分之一。

光刻技术是半导体制造中的一项基础技术，可在硅片和其他基底晶圆上精确地绘制特征图案，从而制造出集成电路。它利用光掩模和强大、极其精确的光束或辐射，将芯片设计图案的细节转移到涂有光刻胶材料的晶圆上。光刻胶对光线产生反应，然后用化学药剂处理晶圆，在晶圆基板上蚀刻出电路通路。分层工艺中使用了多个光掩膜。

高度专业化和极其复杂的光刻半导体制造系统只有极少数公司才能生产，只有这些公司才有能力应对技术挑战，并为该领域的持续创新提供所需的昂贵研发投入。

ASML 是行业领导者，凭借其独有的尖端极紫外光 (EUV) 系统在先进光刻技术市场占据主导地位，该系统对于生产最先进的芯片至关重要。该公司最先进的系统造价高达数亿美元，目前能够生产特征尺寸小于 2 纳米的芯片，可为每个芯片提供更多的晶体管，并缩小晶体管之间的间距。该公司还提供深紫外 (DUV) 系统，该系统利用较长的波长，适用于 14 纳米、28 纳米及以上节点的中端和传统芯片的生产，且更具成本效益。

其他光刻半导体制造系统由佳能和尼康生产，侧重于 DUV 光刻和传统技术，用于制造微机电系统、功率半导体和工业应用中使用的不太先进的节点。

实现极高的精度

光刻工艺需要极高的精度才能实现亚微米级的图案。传感器和执行器对于保持精度和产量至关重要，可推动技术不断进步，开发出更小、更强和更节能的半导体。

传感器在执行器控制中起着举足轻重的作用，可提供实时反馈、误差修正和环境补偿：

• 位置传感器测量晶圆、光掩膜和透镜的准确位置
• 振动传感器检测并补偿可能干扰校准的振动
• 环境传感器监测温度、湿度和空气质量，最大限度地减少环境对精度的影响
• 力传感器和应变传感器确保执行器在校准和定位过程中施加正确的力

传感器为闭环反馈提供重要的实时数据，以动态调整执行器，确保对齐和图案精度。它们能实时检测偏差，防止刻蚀图案的晶圆出现缺陷，并使光掩模和晶圆完全对准，这对多层芯片设计至关重要。它们对于最大限度地减少因错位或返工造成的延误也很关键。

传感器与执行器的交互

DUV 和 EUV 光刻系统都依靠数以万计的传感器来实现高效、高产半导体制造所必需的精度和可靠性。随着设备制造商致力于实现皮米级的下一代光刻技术，传感器和执行器在确保精度和可靠性方面的作用变得越来越重要。这些组件的无缝交互和管理是光刻系统成功的关键。

管理这些传感器需要实时数据处理和先进的控制系统。光刻系统中传感器和执行器之间的交互必须经过精心安排，才能达到半导体制造商及其客户所要求的精度和可靠性。这些工艺错综复杂，成功与否取决于实时反馈机制、精密的控制算法以及复杂子系统之间的无缝集成。

传感器持续监测位置、温度、压力和振动等参数。任何与理想参数的偏差都必须实时纠正。执行器通过微米级或纳米级调整来定位晶圆或掩膜，并微调光学聚焦或光源对准。

在晶圆台定位中，传感器要以亚纳米精度跟踪移动。执行器（如线性电机或压电元件）可动态调整晶圆台的位置，以保持与光掩膜的精确对准。光学对准传感器用来监控光路，执行器用来调整反射镜或透镜，以确保聚焦和图案精准。

集中化控制

中央控制单元监控和处理来自数千个传感器的数据，并向执行器发送指令。这些系统利用高速处理器和复杂的算法来无缝管理交互，确保多个子系统的同步。要实现纳米级精度，就必须尽量减少数据处理和执行器响应的延迟。

传感器和执行器通过 EtherCAT、以太网或专用接口等高速、低延迟通信协议进行连接。这些网络促进了各个组件之间的快速数据交换和协调。

传感器读数或执行器性能的漂移可通过监控检测到，并利用自适应控制算法进行补偿。机器学习算法通过分析历史数据来预测潜在的偏差或设备磨损，从而实现预测性维护和优化执行器性能。

随着半导体节点的不断缩小，传感器和执行器集成的作用越来越重要。干涉仪以纳米级精度测量晶圆台的位置，而执行器则根据对准和振动传感器的反馈动态调整晶圆台的位置。光学传感器监测光的聚焦和强度，压电执行器调节透镜或反射镜以保持聚焦，从而将电路设计精确投影到晶圆上。还可利用摄像头或光学传感器检测颗粒或不规则情况，并提示执行器重新定位晶圆或掩膜以避免缺陷，或启动自动清洁程序。

信号链性能

在每个光刻半导体制造系统中，每个传感器的性能都至关重要。ADI 的 [ADAQ7768-1]（图 1）是基于该公司 ?Module 技术的 DAQ 系统，旨在简化和提高精密测量和控制系统的性能。这种单一系统级封装 (SiP) 解决方案集成了高输入阻抗放大、抗混叠、信号调节、模数 (A/D) 转换和可配置数字滤波模块。

图 1：ADI 的 ADAQ7768-1 ?Module 数据采集系统。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

通过集成电阻器和电容器等无源元件以及运算放大器、基准、低压差稳压器 (LDO) 和 A/D 转换等有源元件，μModule 可确保完整信号链的性能不受温度和电源变化的影响。这确保了从压力、温度和振动传感器获取信号所用高性能信号链的精度和可重复性。

ADAQ7768-1 将多个元件集成到一个 ?Module 中，如图 2 框图所示。其中包括一个 24 位精密模数转换器 (ADC)、诸如放大器和滤波器之类信号调节元件以及电源管理和基准电路。

图 2：ADAQ7768-1 ?Module 框图。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

24 位 ADC 能够精确测量微妙的参数，如晶圆台的振动水平、光学组件的热变化以及亚纳米级的定位误差。

多个传感器（如压力、温度和振动）可连接到 ADAQ7768-1 的模拟前端 (AFE)，其中包括多个有源和无源元件。多个模块可并行使用，以管理来自大量传感器的数据，例如监测晶圆台对准或环境条件的传感器。

电源噪声会直接影响光刻系统测量的精度和可靠性，但 ADAQ7768-1 在设计上只需一个电源即可工作，从而简化了系统设计，减少了对额外外部电源管理电路的需求。

电源管理设计最大限度地降低了电源纹波和噪声，这对于保持集成式低噪声 24 位 ADC 和信号调节链的高精度至关重要。

ADAQ7768-1 的操作设计成使用单一稳压 5.3 V 输入，输入电压范围在 5.1 V 至 5.5 V 之间略有变化。该模块包括内部 LDO，可为各种内部子系统提供清洁稳定的电源。

ADAQ7768-1 无需设计人员外寻和校准单个信号链组件，从而降低了设计的复杂性，有助于简化原型开发和测试阶段，从而缩短产品上市所需时间。

产品设计人员可以利用 ADI 的 [EVAL-ADAQ7768-1]评估板（图 3）简化原型开发，加快开发速度，并帮助验证将 ADAQ7768-1 集成到系统中的精密数据采集设计。这对于确保系统在亚纳米级定位和校准过程中发挥预期性能至关重要。

图 3：ADI 用于围绕 ADAQ7768-1 数据采集解决方案构建原型和测试应用的评估板。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

该评估板提供了一个功能齐全的平台，能够利用预组装的信号链元件对 ADAQ7768-1 进行测试，并能与标准测试设备或单片机一起进行即插即用操作。设计人员可以评估和优化其设计的性能，在各种环境条件下进行测试，测试不同的传感器类型~~和信号源，以确定最佳的输入信号调节。

结语

先进光刻系统对于制造更小、更强大的半导体至关重要，且要依靠成千上万的传感器进行监测和控制。传感器在执行器控制中起着举足轻重的作用，可提供实时反馈，确保半导体制造的精度和产量。ADI 的 ADAQ7768-1 数据采集系统集成了信号调节、转换和处理模块，简化并增强了精密测量和控制系统。它体积小、精度高、使用方便，是开发要求极高精度和可靠性的下一代光刻设备的重要工具。

审核编辑 黄宇