專案概述
“地心科技高精密線性位移平台SMH225LM，搭配RAB系列高精度氣浮轉台，完美實現晶圓缺陷檢測應用中的螺旋線運動，並實現了等弧長觸發高速相機採集圖像，在晶圓缺陷檢測領域發揮重要作用。”
地心科技，追求精度，永無止境。
01 晶圓缺陷檢測
晶圓缺陷光學檢測一直是一個長期伴隨IC製造發展的工程問題。晶圓缺陷檢測要準確識別出晶圓的缺陷，並得到缺陷的具體資訊，包括缺陷的位置，面積大小等等；滿足大規模工業化生產的速度和產能需求，實現快速檢測。
半導體行業中晶圓缺陷檢測的常見方法主要有兩種：自動光學檢測系統（Automatic Optic Inspection , AOI ）以及掃描電子顯微鏡檢測系統（Scanning Electron Microscope ,SEM）。AOI自動光學檢測系統基於光學原理，主要方式是通過設計照明系統對被測目標進行照明（分為明場，暗場，透射場等成像方式），利用成像系統對被測物體成像，通過圖像感測器（CMOS/CCD）轉化為數位圖像信號，由上位機電腦影像處理系統做圖像分析後實現缺陷檢測。SEM掃描電子顯微鏡檢測系統則通過彙集能量極高的極窄電子束轟擊被測樣品表面，通過逐點採集掃描光束與物質間的相互作用產生的微粒，從中獲取各種物理資訊。
典型AOI檢測系統示意圖
典型SEM檢測系統示意圖
02 “螺旋線”運動軌跡
無論是AOI檢測系統，還是SEM檢測系統，承載晶圓的運動平台都是系統中的關鍵設備。目前的晶片製程中，通常要求4inch/6inch晶圓缺陷檢測設備的測量速度，達到100片/小時以上。而常規的XY直線運動平台很難滿足這種速度要求。
而高速氣浮轉台的轉速通常都可以達到千轉以上。這種情況下，使用高精度的直線線性馬達驅動的X軸，配合直線線性馬達驅動的氣浮轉台，讓晶圓在高速旋轉狀態下進行檢測，是一個非常合適的方案。此時，晶圓的運動軌跡就是螺旋線。
典型螺旋線運動軌跡
在晶圓做螺旋線運動時候，為了保證測量精度，就務必使圖像感測器的採樣點儘量保持測量均勻。由於晶圓處在旋轉狀態，對於轉台來說，我們只能控制它轉動的角速度。而要讓圖像感測器均勻採樣，必須讓圖像感測器測量範圍內，被測物運動的線速度均勻。
高速相機均勻採樣點
也就是說，必須控制運動機構不斷改變轉台的角速度，並且配合直線軸的速度和位置控制，才能達到理想的效果。這對於運動機構的機械性能，驅控性能，都是很大的挑戰。
03 “等弧長”觸發
為了達到測量速度，AOI晶圓缺陷檢測中使用的高速相機的採樣速度通常要達到100kHz以上，甚至達到1MHz以上。為了達到這個測量速度，AOI晶圓缺陷檢測中使用的高速相機甚至只使用幾十個或者幾個像素。
為了保證測量精度，使圖像感測器的採樣點儘量保持測量均勻，就經常需要運動機構給出觸發信號，告訴圖像感測器在什麼時候進行採樣。在螺旋線運動軌跡下，就需要運動機構等弧長地觸發圖像感測器採集信號。
均勻觸發信號示意圖
這就要求運動機構不僅能準確地走出螺旋線軌跡，並且在準確的位置，具有輸出特定電平的觸發信號的能力。這對於運動機構的機械性能，驅控性能，同樣是很大的挑戰。
04 地心科技解決方案
如上所述，地心科技為螺旋線運動軌跡下的等弧長觸發問題給出了自己的答案。
使用直線線性馬達驅動的機械平台作為直線軸，搭配直線線性馬達驅動的氣浮轉台作為旋轉軸，結合地心科技自行開發的運動控制演算法，ACS運動驅控模組，完美地完成了這一任務。
螺旋線運動
旋轉軸使用地心科技RAB系列高精度氣浮直驅轉台。RAB系列採用地心科技自主研發的圓形直驅線性馬達，空載轉速超過1500rpm，客製化版最大空載轉速可達5000rpm。RAB系列採用旋轉線性馬達直接驅動，具備非常優秀的動態性能和定位精度，轉動檯面尺寸150mm，也可以用戶需求客製化其他尺寸的檯面。選用高精度圓光柵位置回饋，定位精度小於1弧秒，軸向和徑向跳動小於250nm，機械性能非常突出，非常適合晶圓缺陷檢測應用。
旋轉軸使用地心科技RAB系列高精度氣浮直驅轉台。RAB系列採用地心科技自主研發的圓形直驅線性馬達，空載轉速超過1500rpm，客製化版最大空載轉速可達5000rpm。RAB系列採用旋轉線性馬達直接驅動，具備非常優秀的動態性能和定位精度，轉動檯面尺寸150mm，也可以用戶需求客製化其他尺寸的檯面。選用高精度圓光柵位置回饋，定位精度小於1弧秒，軸向和徑向跳動小於250nm，機械性能非常突出，非常適合晶圓缺陷檢測應用。
RAB系列高精度氣浮直驅轉台
|
載物台直徑： |
150mm； |
|
轉角誤差： |
≤±1.5 arc sec； |
|
重複性： |
≤±0.75 arc sec； |
|
軸向誤差： |
同步誤差＜250nm，非同步誤差<20nm； |
|
徑向回轉誤差： |
同步誤差＜250nm，非同步誤差<20nm； |
|
最小步進量 |
0.75 arc sec； |
|
最高轉速 |
1500rpm（可客製化5000rpm） |
直線軸使用地心科技LAB210系列高精度氣浮直驅運動台。LAB210是奈米級定位精度的氣浮平台，採用直線線性馬達驅動，利用空氣彈性勢能作為支撐導軌，具備非常優秀的動態性能和定位精度，空載截止頻率最大可達120Hz以上。LAB210系列運動平台使用高解析度光柵，解析度可達1nm；通空氣環繞型預載，零摩擦，高剛性和重負載設計，為高性能掃描和檢測應用量身設計，非常適合晶圓缺陷檢測應用。
LAB210-200高精度氣浮直驅平台
|
有效行程： |
200mm |
|
定位精度： |
≤±0.3μm |
|
重複定位精度： |
≤±0.1μm |
|
最大負載（水平安裝）： |
35kg |
|
定位穩定性： |
≤±10nm |
|
最小步進量： |
10nm |
05 “更進一步”地方便用戶
為了讓用戶使用更加方便，我們專門製作了螺旋線路徑工具軟體。只需簡單的設置，運動機構即可生成運動路徑，並自動生成對應要求的觸發點位。並且，我們可以提供動態連結函式庫，用戶可以十分方便地將整個系統整合到自己的測量系統當中去。
螺旋線路徑規劃軟體
應用地心科技SMH225LM高精度直驅運動台和RAB系列高精度氣浮轉台，和螺旋線路徑規劃軟體，螺旋線半徑從 R=160 掃描到 R=4， 整個檢測過程只需要47 秒左右， Theta 軸整個過程最大等速段動態誤差小於 ±0.003° ；X 軸全掃描過程最大等速段動態誤差小於±0.5um。
測試軌跡
