Вариантность построения привода

1. Вариантность построения привода

Производство ИЭТ характеризуется высокими темпами смены парка технологического оборудования. Поддержание необходимого технологического уровня, например, в микроэлектронном производстве, требует производить замену специального технологического оборудования через 4 – 5 лет. Ежегодная разработка новых моделей оборудования для производства ИЭТ достигает 500 единиц в нашей стране [1 - «Энциклопедия  Машиностроение», т.III-8, стр. 18].

Приступая к проектированию новой технологической машины, разработчику приходится выбирать оптимальный вариант построения машины. Для этого, на начальном этапе проектирования - на этапе разработки технического задания, производится анализ технических решений, направленных на реализацию функционального назначения будущей машины.

Специалисты разных направлений (технологи, конструкторы, электронщики, программисты и другие)  производят такой анализ в соответствии со спецификой задач, решаемых соответствующей группой разработчиков. Технологи, сравнивая способы технологического воздействия, оценивают их способность обеспечивать заданное  качество обрабатываемого изделия. Конструкторы оценивают варианты реализации механической составляющей выбранного техпроцесса. Инженеры-электрики (электронщики) решают задачу выбора средств измерения, контроля и управления для будущей установки. Программисты разрабатывают программное обеспечение, оценивая - также как и другие специалисты - различные варианты решений: варианты алгоритмов и процедур.

Приступая к проектированию привода будущей установки, разработчик выявляет технологические движения[1] изделий, исполнительных механизмов или вспомогательных устройств. Характер движения определяется вариантом техпроцесса, реализуемого на установке.

 

2.1. Варианты технологии,  реализуемой на  установке

Специфика оборудования по производству ИЭТ состоит в том, что  многовариантность как технологических[2], так и структурных[3] решений будущей машины связана с многообразием физических принципов, на которых основываются технологические процессы.

Для примера рассмотрим оборудование для формирования изображений на полупроводниковой пластине.  Технологический  процесс включает в себя операцию совмещения ранее нанесённого рисунка с вновь создаваемым рисунком и операцию экспонирования[4]. Операцией, определяющей тип оборудования, является процесс экспонирования. Он может быть ориентирован на один из видов формирования потока излучения (рис.2.1): широким пучком или сфокусированным лучом.

Экспонирование широким пучком осуществляется ультрафиолетовым, рентгеновским, ионным или электронным излучением. При этом виде экспонирования для формирования изображения обязательным является трафарет (маска или мишень) с рисунком одного из топологических слоёв будущей микросхемы. Через окна в трафарете происходит «засветка» резистивной плёнки. В зависимости от взаимного расположения трафарета и подложки используется один из методов экспонирования:  контактный, с зазором («теневое экспонирование»), проекционный. Последний способ может реализовываться в нескольких вариантах, которые различаются масштабами переноса изображения. При  масштабе 1:1  изображение переносится с помощью проекционной системы на всё поле подложки или совместным сканированием подложки и шаблона относительно узкой зоны экспонирования. При проекционном экспонировании с уменьшением масштаба (обычно 10:1 и 5:1) изображение шаблона переносится на подложку помодульно[5]. Не исключается помодульное «теневое» экспонирование. Особенно для подложек большого размера.

Рекомендуемые материалы

Для экспонирования сфокусированным лучом наиболее применимы ионные и электронные источники. Лучами ионов и электронов легко управлять с помощью специальных электронно-оптических систем. При этом способе экспонирования скрытое изображение в плёнке ионо- или электронорезиста может быть сформировано либо векторным, либо растровым сканированием (рис.2.2).  При векторном сканировании (рис.2.2,а) элементы топологии обрабатываются последовательно: после завершения сканирования первого из них, луч перемещается в другое место и сканирует поле следующего элемента. На рис.2.3 представлены возможные способы векторного сканирования.

            Растровое сканирование производится по всей площади поля обработки подобно телевизионному растру (рис.2.2,б), при этом воздействие на резистивную плёнку осуществляется только на участках, являющихся элементами топологии.

Для выполнения операции совмещения используются способы, суть которых состоит в анализе положения специальных меток (знаков совмещения, сформированных на подложке) относительно аналогичных меток на трафарете (шаблоне) или относительно системы координат установки. При необходимости изделие перемещают в нужное место или в программу сканирования вводится поправка на отклонение луча. Эти движения, наряду с технологическими движениями при экспонировании, показаны на рис.2.1.

Рассмотрев варианты технологии формирования изображений, мы можем констатировать, что описываемый  процесс имеет несколько практически равнозначных вариантов. Выбор окончательного (оптимального) варианта основывается на сравнении параметров каждого из них. Методы анализа и сравнения вариантов технологических процессов рассматриваются в учебных дисциплинах специальности, отнесённых к технологическому циклу. Задача настоящей дисциплины состоит в выборе оптимального привода, реализующего выбранный техпроцесс, путём анализа необходимых движений инструмента или изделия. На рис.2.1 для наглядности показаны лишь варианты движения изделия.

            Анализируя варианты технологических движений, можно сделать вывод о том, что установки для формирования изображений необходимо оснащать высокоточными приводами двух видов: 1) приводами с малым диапазоном перемещения и тремя степенями подвижности - для совмещения изображений; 2) приводами с большим ходом и двумя степенями подвижности - для экспонирования помодульно. В этом случае, когда экспонируется вся подложка сразу (контактный или «теневой» методы), установку следует оснащать лишь приводом для совмещения изображений. Как известно, в настоящее время для производства интегральных микросхем используются полупроводниковые пластины диаметром до 300 мм. Экспонирование больших площадей за один цикл - непростая задача[6]. По этой причине всё большее применение находят другие методы экспонирования, которые требуют перемещения изделия (подложки) в ходе последовательного (помодульного) переноса фрагментов рисунка на подложку. На примере установки электронно-лучевого экспонирования проведём анализ вариантов построения такого привода.

2.2. Привод установки электронно-лучевого экспонирования

            Установка электронно-лучевого экспонирования (УЭЛЭ) предназначена для формирования скрытого изображения топологии полупроводниковых приборов. Оно создаётся в тонкой плёнке полимерного материала - электронорезиста, меняющего свои свойства под воздействием энергии электронного луча. В ходе последующих литографических процессов (например, после проявления) скрытое изображение становится  реальным и начинает играть роль маски, через которую на разных стадиях формирования интегральных микросхем полупроводниковая пластина подвергается физико- или химико-технологическим воздействиям. Маска создаётся на пластине столько раз, сколько топологических слоёв имеет интегральная схема или полупроводниковый прибор.

            Технические требования на проектируемую установку формулируются на стадии технического задания.  Для привода УЭЛЭ типовыми являются требования, приведённые в таблице 2.1.                                                                                           

Таблица 2.1.

            В УЭЛЭ формирование скрытого изображения осуществляется сфокусированным электронным лучом круглого или прямоугольного сечения. Участки поверхности полупроводниковой подложки сканируются таким лучом по специальной программе. Поскольку при векторном сканировании потери времени на переход луча с одного участка на другой бесконечно малы, а экспонирование сфокусированным лучом позволяет достичь разрешения[7] до 60 нм, примем метод векторного сканирования подложки электронным лучом в качестве базового для  рассматриваемой («проектируемой») установки.

            Приступая к этапу создания структуры привода, необходимо оценить возможные варианты реализации выбранного процесса экспонирования (в нашем случае – процесса векторного сканирования), а также выявить варианты технологических движений «инструмента» и «изделия» для каждого процесса.

Начнём с изучения вариантов векторного сканирования и соответствующих движений механизмов (узлов) проектируемой установки.

При сканировании электронный луч отклоняется от некоторой центральной оси, и чем больше этот угол наклона, тем большие искажения возникают на периферийных участках изображения. Величина искажений определяется конструкцией электромагнитных линз и отклоняющей системы[8]. Лучшие конструкции электронно-оптических систем (ЭОС) позволяют формировать изображения с элементами размером до 0,1´0,1 мкм на поле до 20´20 мм. В связи с этим могут быть предложены два варианта обработки всей пластины (рис. 2.4). По первому варианту обработка производится путём последовательного повторения процесса экспонирования одного и того же рисунка (рис. 2.4,а). После каждого экспонирования пластина должна  перемещаться на некоторую величину t_х, а для перехода к обработке следующего ряда – на величину t_y. Второй вариант обработки может быть осуществлён методом «сканирования луча по одной оси», например, по оси Y, в то время как обработка по оси Х должна происходить за счёт движения изделия. Причём это движение может реализовываться двумя способами. Первый способ движений -  периодическое смещение изделия (рис.2.4,б) на шаг d_х, равный ширине луча, второй способ – постоянное движение (рис.2.4,в) со скоростью, обеспечивающей перекрытие зон экспонирования. Для обоих способов следующий ряд рисунков формируется после перемещения изделия на шаг t_y. Отметим также, что при постоянном движении изделия сложно обеспечить удовлетворительную равномерность[9] экспозиции. По этой причине способ непрерывного движения изделия можно исключить из дальнейшего рассмотрения.

Рис. 2.4. Технологические движения  полупроводниковой пластины

при векторном сканировании электронным лучом

Обратим внимание ещё на одно обстоятельство, которое позволяет сузить количество вариантов построения привода. При анализе вариантов технологических движений рассматривались лишь варианты движения изделия – полупроводниковой пластины – и не рассматривались варианты движения инструмента – электронно-оптической системы. ЭОС - сложный, прецизионный узел, состоящий из нескольких электромагнитных линз, и имеющий значительные габариты. Перемещение такого узла может привести к уходу центральной оси от её первоначального положения, а также к потере точности взаимного расположения линз. В практике проектирования установок микролитографии – контактных, проекционных и других - источник излучения фиксируется на корпусе и в технологических движениях участия не принимает.

Итак, для выполнения технологических воздействий в УЭЛЭ, изделие должно совершать движения в двух взаимно перпендикулярных направлениях и иметь по каждой оси ход, превышающий размер обрабатываемой пластины. На рис.2.5 представлены варианты схем двухкоординатных приводов. По одной из схем, координатный стол имеет две степени подвижности и получает перемещение либо от привода с одним источником движения P (рис.2.5,а), либо от двух независимых приводов Х и Y. (рис.2.5,б). Другая схема - это двухуровневая система кареток (рис.2.6), каждая из которых обладает одной степенью подвижности. По этой схеме возможен вариант лишь с независимыми приводами  для каждой координаты. Привод для координаты Y перемещает нижнюю каретку по неподвижным направляющим. На нижней каретке установлен привод Х, а также направляющие верхней каретки, на которой размещён держатель изделия. В связи с тем, что процесс электронно-лучевой обработки должен проводиться в вакууме при давлении порядка 5×10^-5 Па, схема с одной кареткой нерациональна, так как требует значительно большего количества направляющих, размещаемых внутри вакуумной камеры. Кроме того, ход такой каретки меньше, чем у двухуровневой каретки тех же габаритов.

Рис.2.5. Схемы двухкоординатного перемещения с одной кареткой 

Рис.2.6. Схема двухкоординатного перемещения с двумя каретками

Следующий этап проектирования привода установки электронно-лучевого экспонирования - анализ вариантов передачи поступательного движение узлу, несущему на себе изделие. Исходя из требований, приведённых в таблице 3.1, можно предположить, что в наибольшей степени им будут удовлетворять электромеханический и гидравлический приводы. На рис.2.7 приведены варианты схем электромеханических приводов. Источниками движения являются шаговые двигатели, размещаемые вне вакуумной камеры. Преобразование вращательного движения двигателя в линейное перемещение каретки производится  передачами винт-гайка (рис.2.7,а) или фрикционной передачей поступательного движения (рис.2.7,б), состоящей из вала и контактирующего с ним роликом, ось вращения которого развёрнута на небольшой угол.  Обе передачи размещаются в вакуумной камере. По этой причине вал, связывающий двигатель и передачу, снабжён вакуумным уплотнением.

Другой вариант исполнения привода приведён на рис.2.8. Линейное перемещение каретке сообщает шток гидроцилиндра, который также размещается в вакуумной камере установки. Подача жидкости в гидроцилиндр осуществляется по трубопроводам, которые в местах входа в вакуумную камеру снабжаются уплотнениями.

  На рис.2.9 представлен вариант кинематической схемы УЭЛЭ. Рассмотрим работу установки, пользуясь приведённой схемой.

Экспонирование полупроводниковой пластины проводится электронно-оптической системой 3.  Закреплённая на координатном столе 2 пластина совершает по программе линейные перемещения с помощью приводов 1 и 5. Каждый привод состоит из шагового двигателя, понижающей зубчатой передачи, ввода движения в вакуум и фрикционной передачи, сообщающей поступательное перемещение соответствующей каретке. Движение по каждой координате отслеживается датчиками положения и управляется ЭВМ с помощью шаговых двигателей в две ступени. Первая ступень управления соответствует большой скорости перемещения координатного стола из позиции в позицию, а вторая ступень – малой скорости для доводки стола в зону останова. Погрешность перемещения привода должна быть около 1 мкм, в этом случае окончательное совмещение зоны обработки с рисунком на пластине осуществляется за счёт отклонения луча. В установке предусмотрена загрузка пластин через шлюз 4, снабжённый манипулятором и затвором. В приводе манипулятора использован шаговый двигатель, а также зубчатая передача и ходовой винт.  Привод

затвора состоит из двигателя, червячной передачи, ввода движения в вакуум и зубчатой рейки.

Рис.2.10. Установка электронно-лучевого экспонирования с гидроприводом

            Другой вариант схемы УЭЛЭ изображён на рис.2.10. По этой схеме построена промышленная установка «Отелло-1» [1]. В ней для каждой координаты использованы гидроприводы, полностью размещённые внутри вакуумной камеры. Стол с пластиной и верхней кареткой приводится в движение гидроприводом 1, а нижняя каретка перемещается гидроприводом 3 в поперечном направлении. Система управления отслеживает перемещение пластины с помощью датчиков, закреплённых на верхней каретке. Загрузка пластин в камеру с помощью шлюзового устройства 2 позволяет сократить потери времени на создание требуемого вакуума.

Как видно, оба варианта привода соответствуют требованиям. Вместе с тем, для принятия решения о выборе окончательного варианта следует принимать во внимание ряд не рассмотренных параметров. Среди них экономические параметры занимают ведущее место. Они охватывают не только стоимость изготовления привода, но и затраты на его эксплуатацию, ремонт, замену. Кроме того, необходимо учитывать, что привод в УЭЛЭ работает в напряжённом динамическом режиме: резкий разгон, быстрое перемещение, торможение и точный останов. Согласно теории систем автоматического регулирования наилучшими динамическими характеристиками обладают гидравлические, пневматические и смешанные – пневмогидравлические приводы. По этой причине они должны иметь преимущества при принятии решения.

Электромеханические приводы, как правило, имеют достаточно длинные кинематические цепи, состоящие из множества звеньев: электродвигателя, муфт, редукторов, передаточных механизмов. чем длиннее кинематическая цепь, тем меньше жесткость привода, выше кинематическая погрешность и ниже динамическая устойчивость. Однако электромеханический привод часто превосходит другие по ряду параметров. Связано это с тем, что они начали первыми использоваться в технологических машинах. Имеется богатая элементная база с отработанными типовыми конструкциями. Следующая глава посвящена электромеханическому приводу.

---

[1] Технологические движения направлены на выполнение технологического процесса обработки изделия.

[2] К технологическим относятся технические решения, связанные с процессом  обработки изделия - способом обработки, последовательностью технологических операций (переходов), видом инструмента и т.п.

[3]Структурные технические решения объединяют в себя компоновку машины, её привод, средства загрузки, накопления и выгрузки изделий, систему управления.

Люди также интересуются этой лекцией: 19 Средства, влияющие на систему крови.

[4] Экспонирование -  «засветка» или формирование с помощью энергии излучения скрытого изображения топологии в резистивной плёнке, нанесённой на полупроводниковую подложку и чувствительной к соответствующему виду  излучения.

[5] Помодульное экспонирование заключается в последовательном экспонировании модулей, как правило, равных по площади кристаллам ИС

[6]  Связано это со сложностью получения параллельного потока излучения больших размеров.

[7] На стр. 73  энциклопедии [1] отмечается, что с помощью электронного луча возможно получение разрешения до 1,5 – 2,0 нм

[8] Подробнее см. [1], стр. 79-87

[9] Для обеспечения равномерности экспозиции необходимо вносить коррекцию в форму луча или изменять его мощность. Так, вблизи крайних (верхнем или нижнем) положений луча его форма должна быть более узкой, а мощность – наименьшей