预计未来五年，半导体制造设备（SME）市场将迎来显著增长，这一趋势得益于全球半导体芯片销售额的迅猛提升。据预测，半导体芯片市场规模将从2022年的6000亿美元增长至2030年的1万亿美元。在这一背景下，传感器作为先进光刻系统的核心组件，正在推动半导体制造技术的革新。
光刻技术：半导体制造的核心驱动力
半导体芯片的制造依赖于高精度、高灵敏度的光刻工艺，这一工艺能够将复杂的电路图案精确地印刷到硅晶片和其他基板上。随着芯片性能的不断提升和尺寸的持续缩小，光刻技术的重要性愈发凸显。
先进的光刻系统通过高精度传感器和执行器实现亚微米和纳米级的图案刻画，这不仅提高了生产效率，还最大限度地减少了材料浪费，优化了工厂运营效率。为了实现大规模集成电路（IC）生产所需的极致精度，这些系统依赖于数千个传感器来实时监控和控制位置、温度、能量和运动等关键参数。
传感器与执行器的协同作用
传感器的精确性和可重复性直接决定了光刻系统的整体性能。先进的算法能够处理海量传感器数据，并通过数千个执行器进行微调，确保系统的稳定运行。ADI公司（Analog Devices, Inc.）利用其信号链微模块（µModule）技术，为光刻系统提供了高性能、小型化的模拟数字数据采集（DAQ）解决方案，帮助晶圆制造商和集成设备制造商应对复杂的生产挑战。
半导体小型化的推动力
半导体技术的不断小型化推动了从智能手机到超级计算机等各类设备的性能提升，同时也满足了生成式人工智能（GenAI）、量子计算、物联网（IoT）和边缘计算等领域对处理能力的更高要求。为了实现电路宽度仅为人类头发万分之一的高精度制造，先进的工艺和创新的控制系统成为关键。
光刻技术通过在硅片和其他基板上精确刻画特征，实现了集成电路的制造。这一过程利用光掩模和精确的光束或辐射将芯片设计图案转移到涂有光刻胶的晶圆上。光刻胶对光产生反应后，晶圆经过化学处理，最终形成电路通路。这一过程通常需要多个光掩模的配合。
光刻系统的技术领导者
光刻系统的研发和生产需要极高的技术水平和巨额资金投入，因此仅有少数公司能够在这一领域占据主导地位。ASML作为行业领导者，凭借其独有的极紫外（EUV）光刻技术在先进芯片制造市场中占据重要地位。其最先进的EUV系统能够生产特征尺寸小于2纳米的芯片，为每个芯片提供更多的晶体管并缩小晶体管间距。此外，ASML还提供深紫外（DUV）系统，适用于14纳米及以上节点的芯片制造。
除了ASML，佳能和尼康也在光刻系统领域占据一席之地，专注于DUV光刻和传统技术，用于制造MEMS、功率半导体和工业应用中使用的芯片。
传感器与执行器的关键作用
光刻工艺对精度的要求极高，传感器和执行器在这一过程中发挥着至关重要的作用。它们通过实时反馈、误差校正和环境补偿，确保系统的稳定性和高效性：
- 位置传感器：精确测量晶圆、光掩模和透镜的位置。
- 振动传感器：检测并补偿可能影响对准的振动。
- 环境传感器：监测温度、湿度和空气质量，减少环境对精度的影响。
- 力和应变传感器：确保执行器施加的力准确无误。
这些传感器为闭环反馈系统提供实时数据，动态调整执行器，确保图案的精确性和对准的准确性。它们还能够实时检测偏差，防止晶圆缺陷，并在多层芯片设计中确保光掩模与晶圆的完美对准。
集中控制与实时数据处理
光刻系统中的传感器和执行器通过高速、低延迟的通信协议（如EtherCAT或以太网）连接，确保数据的快速交换和协调。集中控制单元负责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。这一过程依赖于高速处理器和复杂的算法，以实现纳米级精度。
随着半导体节点尺寸的不断缩小，传感器和执行器的集成变得愈发重要。干涉仪以纳米精度测量晶圆台位置，而执行器则根据传感器反馈动态调整位置。光学传感器监测光焦度和强度，压电执行器调整透镜或镜子以保持焦距，确保电路设计精确投影到晶圆上。
ADI的解决方案：ADAQ7768-1 µModule 数据采集系统
ADI的ADAQ7768-1 µModule数据采集系统集成了高输入阻抗放大、抗混叠滤波、信号调理、模数转换和可配置数字滤波模块，为光刻系统提供了高性能的信号链解决方案。该系统通过集成无源和有源元件，确保了信号链在温度和电源变化下的稳定性和可重复性。
ADAQ7768-1的24位模数转换器（ADC）能够精确测量晶圆台的振动、光学组件的热变化以及亚纳米级的定位误差。其紧凑的设计和易用性使其成为开发下一代光刻设备的理想选择。
结论
先进的光刻系统依赖于数千个传感器和执行器的协同工作，以实现半导体制造的高精度和高效率。ADI的ADAQ7768-1数据采集系统通过集成信号调理、转换和处理模块，简化了精密测量和控制系统的设计，为半导体制造设备的未来发展提供了强有力的支持。随着半导体技术的不断进步，传感器和执行器的作用将变得更加关键，推动更小、更强大、更节能的芯片技术的持续创新。
