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Ausrichtung von Wafer-Masken: Queensgate konzentriert sich auf 300 mm Wafer

10.12.24

Bei der modernen Halbleiterfertigung müssen Siliziumwafer und Fotolithografie-Masken mit Nanometerpräzision ausgerichtet werden. Die Industrie steigt von Wafern mit einem Durchmesser von 200 mm auf 300-mm-Wafer um, aber dadurch wird die Ausrichtung der Wafer immer schwieriger. Dabei machen die Nanopositionierungstechnologien von Queensgate einen großen Unterschied.

Elektronische Chips werden mit Hilfe der Fotolithografie hergestellt, bei der ultraviolettes Licht durch eine mit einem Muster versehene Maske auf einen Halbleiterwafer gestrahlt wird. Das Licht aktiviert einen Photoresist auf der Oberfläche, der das Ätzen eines Musters auf dem Wafer ermöglicht. Durch aufeinanderfolgende Iterationen der Fotolithografie und der Abscheidung von Metallen entstehen Bauelemente mit Strukturen mit Nanometer Dimensionen.

Entscheidend für diesen komplexen Herstellungsprozess ist die Ausrichtung des Wafers mit den aufeinanderfolgenden Masken. Dies muss schnell und wiederholbar geschehen, wobei die Präzision im Nanometerbereich während des gesamten Fertigungsprozesses erhalten bleiben muss. An dieser Stelle kommt Queensgate ins Spiel. – Queensgate ist Teil von Prior Scientific, einem Hersteller von optischen und mechanischen Präzisionsinstrumenten –

Seit 45 Jahren ist das britische Unternehmen Queensgate führend in der Entwicklung von Nanopositionierungstechnologien. Das Unternehmen wurde 1979 als Lieferant von Präzisionsinstrumenten für die Astronomie aus dem Imperial College London ausgegliedert. Sein weltweiter Ruf wurde besiegelt, als die NASA die Queensgate-Technologie für den Einsatz im Space Shuttle und in der Internationalen Raumstation auswählte. Das Unternehmen arbeitet seit über zwei Jahrzehnten mit dem Festplattenhersteller Seagate zusammen, um Technologien für die schnelle Inspektion von Lese- und Schreibköpfen während der Herstellung zu entwickeln. Queensgate arbeitet außerdem seit langem mit dem britischen National Physical Laboratory (NPL) zusammen, um Nanopositionierungstechnologien zu entwickeln, die zur Festlegung internationaler Messstandards verwendet werden.

Umstellung auf größere Wafer

Die Halbleiterindustrie ist dabei, von 200 mm auf 300 mm Wafer umzusteigen – damit verdoppelt sich die Anzahl der Chips, die auf einem Wafer hergestellt werden können. Die Verarbeitung der größeren und schwereren Wafer erfordert eine neue Generation von Geräten, die Wafer mit Nanometerpräzision positionieren können.

Queensgate arbeitet bereits mit Originalgeräteherstellern (OEMs) zusammen, um optische Wafer-Inspektionssysteme herzustellen, die zur Erkennung von Defekten bei der Verarbeitung von 300 mm Wafern eingesetzt werden. Jetzt hat das Unternehmen Systeme zur Ausrichtung von Wafern ins Visier genommen. “Die Umstellung auf 300 mm Wafer bietet dem Unternehmen die Möglichkeit, an der Entwicklung der nächsten Generation von Ausrichtungssystemen mitzuwirken”, so Craig Goodman, Produktmanager bei Queensgate.

„Die Wafer werden immer größer, dadurch werden die Anforderungen an die Positionierung erhöht, und wir sind hier, um bei der Lösung der daraus resultierenden Probleme zu helfen“, erklärt Goodman. „Wir erhalten viele Anfragen von OEMs, wie die Queensgate Technologie bei der Präzisionspositionierung von Wafern für die Herstellung von Hochleistungs-Halbleitergeräten der nächsten Generation eingesetzt werden kann“.

Die Umstellung auf 300 mm bedeutet, dass die Fabriken Wafer ausrichten müssen, die sowohl eine größere Fläche als auch ein höheres Gewicht aufweisen. Darüber hinaus ist eine viel schwerere Spannvorrichtung erforderlich, um einen 300-mm-Wafer während der Produktion zu halten. Dies führt zu extremen Anforderungen an ein Positioniersystem. Es muss über kürzere Entfernungen genau sein, während die Strukturgrößen schrumpfen, aber auch in der Lage sein, einen viel größeren und viel schwereren Chuck mit Wafer zu bewegen. Heute kann ein Wafertisch von Queensgate ein Gewicht von bis zu 14 kg bewegen und dabei eine räumliche Auflösung von 1,5 nm erreichen.

Craig Goodman erklärt weiterhin, dass die Technologie von Queensgate nicht verwendet wird, um große Anpassungen der relativen Ausrichtung von Wafer und Maske vorzunehmen – dies wird von Tischen mit längeren Verfahrwegen unter Verwendung von Technologien wie Luftlagern erledigt. Stattdessen werden die Nanopositioniersysteme des Unternehmens in der letzten Phase der Ausrichtung eingesetzt, um den Wafer mit Nanometergenauigkeit bewegen.

Eliminierung von Rauschen

Das Erreichen dieser Präzision war eine große Herausforderung, die Queensgate gemeistert hat, indem es sich auf die Rauschquellen in seinen Nanopositionierungssystemen konzentriert hat. Laut Goodman gibt es zwei Hauptarten von Rauschen, die minimiert werden müssen. Die eine sind externe Vibrationen, die von einer Reihe von Umweltquellen stammen können – sogar von menschlichen Stimmen. Die andere ist das Rauschen in der Elektronik, die die piezoelektrischen Aktuatoren des Nanopositioniersystems steuert.

Goodman erklärt, dass die Rauschreduzierung durch die geschickte Konstruktion der für die Nanopositionierung verwendeten mechanischen und elektronischen Systeme erreicht wird. Der Positioniertisch muss beispielsweise steif sein, um Vibrationen zu unterdrücken, und es werden Notch-Filter verwendet, um die Auswirkungen von elektronischem Rauschen auf Subnanometer-Ebene zu minimieren.

Queensgate stellt seine Nanopositionierungstechnologie den Firmen zur Verfügung, die sie in ihre Produkte integrieren, die dann Chipherstellern verkauft werden. Goodman sagt, dass Queensgate eng mit seinen OEM-Kunden zusammenarbeitet, um sicherzustellen, dass die gewünschten Spezifikationen erreicht werden. „XY-Positioniersysteme oder Positionierer für 300-mm-Wafer sind hochgradig kundenspezifische Anwendungen unserer Technologien“, erklärt er.

Die daraus resultierenden Nanopositioniersysteme sind auf dem neuesten Stand der Technik, Goodman weist darauf hin, dass sie in riesigen Anlagen eingesetzt werden, die monatlich Zehntausende von Wafern verarbeiten. „Es ist unser Ziel und das Ziel unserer Kunden, dass die Nanopositionierungstechnologien von Queensgate in der Massenproduktion von Chips eingesetzt werden“, sagt Goodman. Das bedeutet, dass das System optimiert sein muss, um einen hohen Durchsatz zu erreichen. „Deshalb verwenden wir piezoelektrische Aktoren für die Positionierung im letzten Mikrometerbereich – sie sind sehr schnell und sehr präzise.“

Heute wird der Großteil der Chips in Asien hergestellt, aber es gibt Bemühungen, die Produktion in den USA und Europa zu steigern, um die Versorgung in der Zukunft sicherzustellen. Goodman sieht im Trend zur Unabhängigkeit der Halbleiterindustrie eine wichtige Chance für Queensgate. „Es ist ein hart umkämpfter, wachsender und interessanter Markt, an dem man teilhaben kann“, sagt er.

Das Datenblatt für Queensgates NPS-XYP-250Q 300-mm-Wafer-Masken-Ausrichtungstisch ist jetzt verfügbar. Goodman beschreibt ihn als „den physikalisch ‚größten‘ Piezo-Nanopositioniertisch, der jemals geliefert wurde“.