一种半导体器件专用设备制造方法与流程

本发明涉及半导体器件专用设备制造，具体为一种半导体器件专用设备制造方法。

背景技术：

1、随着半导体器件特征尺寸不断向先进制程演进，半导体器件专用设备的制造与装配精度要求已达到极高水平，此类设备通常由大尺寸精密光学元件、精密双工件台系统、精密基座与隔振系统等核心子系统构成，各子系统之间通过高精度机械结合面进行连接与紧固，在整机制造阶段，零部件需经历粗加工、精加工、清洗、搬运、预装配、精调、终紧固等一系列工序，每一道工序均可能在结合面处引入新的残余装配应力，所述残余装配应力是指在零部件加工、搬运、装配及紧固过程中，由于基座机械应力释放、重力变形、材料热膨胀系数不匹配等原因，在结合面及安装节点处产生并锁定于结构内部的非期望应力；

2、现有的整机装配制造方案主要遵循正向公差累积分配的设计思路，即根据整机指标要求，将允许的误差范围逐级分解并分配至各零部件的加工公差与装配公差，再通过提升单一零部件的加工精度来保证整机指标的实现，在此基础上，部分方案还会引入事后软件补偿手段，即在整机装配完成后，通过光路波前传感器与工件台位置传感器采集残余误差，利用自适应光学元件或工件台伺服控制算法对误差进行软件层面的实时或静态补偿；

3、与本发明最接近的现有技术方案为：在半导体设备整机装配过程中，先按照预先设定的装配工艺顺序完成投影物镜组与双工件台基座的机械对接与螺栓紧固，随后利用干涉仪对光路波前进行检测，若检测结果超出指标范围，则通过调整光学元件的机械垫片厚度或利用变形镜进行波前畸变的软件补偿；

4、对于双工件台的定位偏差，则主要依靠提高导轨、光栅尺及气浮轴承等关键零部件的加工与装配公差，并结合伺服控制算法中的前馈补偿模型进行误差抑制，该方案的装配步骤概括为：零部件精加工与检验、基座预装配、结合面清洁与初步紧固、光路波前检测、垫片调整或软件补偿、终紧固、复测验收，上述方案在结构组成上包括：投影物镜组、机械安装座、结合面垫片、双工件台基座、导轨与气浮轴承、干涉仪检测系统、变形镜及其驱动控制器、工件台伺服控制系统，各部件之间通过螺栓紧固与精密定位销实现连接关系，检测系统与控制器之间通过信号线缆构成闭环反馈关系；

5、上述现有技术存在如下缺陷：其一，现有技术依赖对零部件加工公差的极致提升来控制整机装配误差，然而国产化零部件在材料晶粒结构、表面残余应力及微观几何公差等方面短期内难以完全达到进口件的理想一致性水平，按传统正向公差分配思路进行装配后，装配体内部会因材料特性差异而产生难以预先量化的非均匀残余应力分布，进而导致整机波前畸变与定位误差在不同批次设备间呈现较大的离散性，最终造成整机量产一致性差、装配良率低下的后果，其二，现有技术中的事后软件补偿手段，其补偿对象为已经发生的静态或准静态误差信号，而装配残余应力的释放往往具有随机的时间延迟特性与较宽的频谱分布，软件补偿系统受限于变形镜行程范围、伺服带宽及控制算法的实时性，难以对高频段的动力学不确定性进行有效抑制，也无法解决硬件结构本身已经达到的物理变形极限，因此即使引入软件补偿，仍会残留因装配应力释放导致的波前像差漂移与工件台轨迹跟踪误差漂移，其三，由于现有技术缺乏在装配制造阶段对残余应力进行原位、定量、可控释放的物理手段，装配应力只能在设备完成总装后随运行时间被动、无序地释放，这一被动释放过程无法在出厂检验阶段被完全暴露和消除，导致设备交付后仍存在性能漂移风险，且不同设备间的应力释放路径与释放量存在差异，进一步加剧了整机一致性问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：在半导体器件专用设备的整机制造与装配过程中，由于基座机械应力释放、重力变形、材料热膨胀系数不匹配等因素产生的残余装配应力会随设备运行逐渐释放，导致核心光路波前畸变累积和双工件台纳米级轨迹跟踪误差漂移；

2、而现有工艺仅依赖事前精密加工提高零部件公差与事后软件补偿两类手段，既无法应对国产化零部件材料特性与几何公差与进口件存在差异所带来的一致性问题，也无法从物理硬件层面消除高频段动力学不确定性与硬件本身的物理变形极限，导致整机量产一致性差、装配良率低，本发明旨在提供一种能够在设备硬件制造与装配阶段，对装配应力进行原位、实时、闭环消除的物理制造方法。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体器件专用设备制造方法，包括如下技术方案：在预装配完成、终紧固之前的状态下，利用原位数据采集单元对半导体器件专用设备的光路波前畸变数据与双工件台的振动及定位偏差数据进行原位采集，并结合预先建立的整机数字孪生模型，得到整机实测畸变向量；

4、基于所述整机实测畸变向量与预先建立的正向映射函数，通过逆向求解，得到导致所述整机实测畸变向量的残余应力分布估计值，并根据所述残余应力分布估计值确定应力节点的位置坐标与应力量值；

5、在终紧固之前，利用末端执行器对所述应力节点同步施加高频振动激励与局部热梯度场，形成热振复合激励，通过热致材料软化效应与振动致微观位错滑移效应的协同作用，主动释放所述应力节点处的残余应力，直至该应力节点处的残余应力降至预设的应力释放目标阈值以内；

6、根据数字孪生模型对整机动力学特性的预测结果，确定各安装节点的目标刚度，并通过调节布置于所述安装节点处的压电微动垫片阵列的控制电压，将该安装节点处的等效局部刚度调整至所述目标刚度；

7、在完成上述应力释放与刚度调整后，对半导体器件专用设备进行终紧固，并对终紧固后的整机性能进行复测验收。

8、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

9、1.本发明通过原位多物理场耦合误差逆向传播的方式，以整机实测的波前畸变与定位偏差数据为输入，反向求解导致该畸变的残余应力节点位置与应力量值，实现了对装配应力节点的精确定位，克服了正向公差分配方式无法预知实际应力分布的缺陷。

10、2.本发明通过在终紧固之前对定位得到的应力节点施加热振复合激励，在装配制造环节即从物理硬件层面消除装配应力导致的波前像差漂移隐患，克服了纯软件补偿手段无法应对高频动力学不确定性及硬件物理变形极限的缺陷。

11、3.本发明通过压电微动垫片阵列实现的刚度拓扑自适应补偿，根据数字孪生模型预测的动态误差分布对安装节点局部刚度进行有目的性的重新配置，在一定程度上放宽了对单一零部件极端加工公差的依赖，提升了国产化零部件替代后的整机装配一致性与良率。

12、4.本发明通过上述数据采集、逆向应力定位、主动应力释放与刚度拓扑补偿四个环节相互配合，构成闭环的整体装调制造工艺链，使装配残余应力能够在设备出厂之前被主动、彻底地暴露与消除，避免了设备交付后因应力被动释放而产生的性能漂移风险。

1.一种半导体器件专用设备制造方法，用于对半导体器件专用设备的投影物镜组与双工件台基座进行装配制造，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述原位数据采集单元包括布置于光路关键节点处的多波长干涉仪以及布置于双工件台运动关键节点处的多维加速度传感器阵列，所述多波长干涉仪用于采集所述光路波前畸变数据，所述多维加速度传感器阵列用于采集所述双工件台的振动及定位偏差数据；

3.根据权利要求1所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述正向映射函数基于有限元方法建立，用于描述结合面残余应力分布与光路波前畸变、双工件台定位偏差之间的映射关系；

4.根据权利要求1所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述末端执行器包括执行器主体外壳、集成于所述执行器主体外壳内部的压电陶瓷振子模块与局部激光加热模块、贴合于所述应力节点表面的柔性接触端头以及集成于所述柔性接触端头附近的应力监测传感器；

5.根据权利要求4所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，还包括：利用所述应力监测传感器实时采集所述应力节点处残余应力的实时量值，判断所述实时量值是否降至所述应力释放目标阈值以内；

6.根据权利要求1所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述压电微动垫片阵列布置于安装座上表面与上层被装配部件之间的结合面处，多个压电微动垫片单元沿所述安装节点周向均匀布置，每个所述压电微动垫片单元基于压电陶瓷材料构成，通过独立引线与控制电压源连接，用于在施加控制电压后调整自身厚度与局部刚度。

7.根据权利要求6所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述目标刚度的确定与所述控制电压的调节包括：根据所述数字孪生模型对整机动力学特性的仿真预测结果，确定各所述安装节点的目标刚度；

8.根据权利要求1所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述对终紧固后的整机性能进行复测验收包括：利用所述原位数据采集单元对终紧固后的整机光路波前畸变数据以及双工件台的定位精度进行复测，将复测数据与预设的整机出厂验收指标进行比对，判断整机性能是否满足验收要求；

9.根据权利要求3所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述正向映射函数为基于历史装配数据训练得到的数据驱动代理模型，所述数据驱动代理模型用于替代基于有限元方法建立的正向映射函数进行所述逆向求解。

10.根据权利要求4所述的半导体器件专用设备制造方法，其特征在于，所述高频振动激励由超声波换能器产生，所述局部热梯度场由电阻式局部加热片产生，所述超声波换能器与所述电阻式局部加热片集成于所述末端执行器内部并通过所述柔性接触端头同步作用于所述应力节点表面。