半导体制造领域背景
在半导体制造领域,纳米级工艺精度与晶圆良率直接取决于环境洁净度。随着制程节点向3nm及以下演进、300mm/450mm大尺寸晶圆成为主流,污染控制已从基础要求升级为决定产业竞争力的关键技术壁垒。

半导体工厂
本文系统解析超高真空(UHV)环境下精密运动控制的核心要素——重点阐述真空兼容型光栅如何通过材料创新与工程设计满足以下行业刚需:
·耐高温 (> 100℃),能够承受达到超高真空环境所需的烘烤程序。
·洁净度高,表面上无指纹、油污和润滑剂。
·释气率低,可防止污染物进入加工舱。
·设有通气口,可确保将读数头内部的空气完全排出。
·采用具有聚四氟乙烯 (PTFE) 绝缘层和镀银铜编织屏蔽层的电缆。
通过对比传统大气环境与UHV环境的误差源差异(如气体吸附效应、热扰动传导等),我们将揭示真空光栅在晶圆检测、传送及同步加速器镜面弯曲等关键场景中的不可替代性。
雷尼绍的TONiC™ UHV/RESOLUTE™ UHV光栅凭借其产品优势及专业技术支持,为半导体行业提供高效的解决方案。

正在生产的半导体晶圆
01、晶圆检测
晶圆检测贯穿于半导体晶圆的整个图案化工艺过程。检测对于制程控制非常重要,并且有助于保持高良率。晶圆运动平台至少具有两个线性轴 (X, Y)。伺服轴控制回路利用位置反馈来实现高定位精度。
光学检测头内有高分辨率摄像机,并配备独立的暗场和明场照明源。在自动检测过程中,光学检测头将检测晶圆,然后将拍摄的图像与“标准”或模型参考图像进行比较,以定位缺陷。

RLE平面镜双轴系统
在光学检测头保持静止时,晶圆平台将在不同位置之间快速移动,让光学检测头拍摄被测物体的图像。高性能编码器可实现更快定位,有助于大幅提高检测效率。
激光尺具有亚纳米级位置测量能力,因此扫描电子显微镜 (SEM) 可以在同一个位置上重复叠加多张图像,以进行多层缺陷检查。高性能超高真空 (UHV) 光栅提供粗略的位置反馈,使晶圆平台以极低的扭矩纹波沿预定的扫描路径移动,从而实现平稳的速度控制。
01.晶圆检测对编码器的要求
·通过模拟信号输出可实现极高水平的细分和分辨率。
·抖动 ≤ 1nm,以实现卓越的伺服控制、静态和动态稳定性,这是成功进行图像比较和图像拼接的必要条件。
·在指定的点进行非接触式测量,以消除阿贝偏置和机械误差。
·测量系统能够在超高真空环境下运行。
·具有模拟和数字双输出的功能安全 (FS) 型光栅,用于晶圆扫描运动。

半导体检测平台上配有RLE激光尺系统
02.用于晶圆检测的编码器解决方案
雷尼绍RLE光纤激光尺是一种干涉仪系统,可提供高分辨率位置反馈。
差分干涉仪发射头 (RLD10) 设计用于直接安装在加工舱的外壁上,采用独特的光学系统,可实现低电子细分误差 (SDE) 和高精度,输出分辨率可达38.6pm。内置的激光准直辅助镜可在安装设定过程中调整俯仰和扭摆角度,从而优化准直过程。
TONiC UHV光栅适用于低至10-10Torr的超高真空条件,提供高达1nm的分辨率和低电子细分误差,有助于实现卓越的运动控制性能。雷尼绍TONiC UHV光栅及附件由真空兼容材料和粘合剂制成,释气率低,适用于许多半导体应用。TONiC UHV光栅系列提供功能安全型号 (SIL2/PLd) 以及模拟和数字双输出选项,以实现摄像机等设备与运动轴的同步移动。对于线性轴应用,雷尼绍提供的栅尺材料包括低膨胀ZeroMet™,可在温度不稳定的环境中实现高精度。
02、晶圆传送
半导体晶圆不仅易碎而且价格昂贵,必须小心处理,以免在制造过程中受损。因此,通常使用晶圆传送机器人在工艺设备内移动半导体晶圆。
晶圆传送机器人具有多个自由度,由机身、多关节机械臂和晶圆夹持工具(托盘)组成。传送机器人通常将晶圆从一个传送室移动到另一个传送室,或者在不同工艺步骤之间移动晶圆,它的吞吐量直接影响半导体工厂的整体性能。
传送机器人的直线和角度运动必须精确,以避免因任何意外接触导致晶圆表面损坏或污染。
机械臂通过电动上臂滑轮和上臂主轴进行控制,这两个部件驱动一系列环形皮带,将机械臂的肩关节与肘关节和腕关节连接起来。
在主从关系中,从电机接收的位置命令由主电机的位置反馈决定。利用高质量的位置反馈,电机能够实现精确协调,从而控制机械臂的运动。

晶圆传送机器人
01.晶圆传送机器人对编码器的要求
·绝对式光栅是优选,因为它无需执行基准回零循环,而且可确保即使在断电后载荷仍保持受控状态。
·能够提供具有低周期误差的高质量位置光栅反馈,以确保极低的扭矩纹波,从而实现平稳的速度控制和高精度。
·具有位置校验算法和附加安全功能,可防止常见故障。
·能够在高运行速度下实现高分辨率的绝对式光栅或增量式光栅。
·具有模拟和数字双输出信号的光栅系统,可同步晶圆夹持器或校准摄像头的操作。
·如适用,请选择适用于超高真空环境的光栅。
02.用于晶圆传送的编码器解决方案
RESOLUTE UHV光栅为低至10-9Torr的超高真空应用提供绝对式光栅技术,可帮助客户提高生产效率,降低损坏风险,并增强可靠性。RESOLUTE光栅可在超高真空应用中实现出色的测量性能,在各种速度条件下的分辨率高达1 nm。
TONiC UHV光栅适用于超高真空环境,并通过光学滤波系统和动态信号处理来降低电子细分误差,从而实现高精度运动控制。TONiC UHV和RESOLUTE UHV光栅系列均提供功能安全型号,适用于需要SIL2和PLd功能安全认证的系统。

RESOLUTE UHV绝对式圆光栅和直线光栅系统
03、同步加速器镜面弯曲
同步加速器是一种粒子加速器,它可提供极其强大的X射线源用于科学研究。在实验中,需要采用适当的光束处理技术才能实现先进、高效的应用。在照射实验样品时,通过镜面和斩波器(快门)控制光束轨迹和曝光时间至关重要。
聚焦镜的理想形状是椭球面,但椭球面反射镜很难制造。它的替代方法是利用一对彼此垂直的反射镜在两个维度上聚焦光束,例如著名的柯克帕特里克-贝兹 (K-B) 反射镜系统。
K-B系统通常安装在一系列非真空和真空运动平台上,利用光栅反馈精确地控制反射镜在光束中平移和旋转。由于X射线在每个镜面上的入射角较小,因此只需施加弯曲力便可得到合适的反射镜形状。每个反射镜两端安装的致动器也需要通过光栅反馈来精确地控制反射镜的形状

同步加速器镜的超高真空运动平台
01.步加速器应用对编码器的要求
·平移精度优于±0.5µm。
·角度分辨率高达0.1µrad。
·设计坚固耐用,可承受高强度振动。
·适用于超高真空环境,可耐受120℃的高温。
02.用于镜面弯曲器的编码器解决方案
RESOLUTE UHV光栅适合在超高真空腔体内使用,适用于高性能、半导体和科研应用。
未来,随着EUV光刻、3D IC封装和量子器件制造的演进,位置反馈技术需在更高真空度、更宽温域和更强抗干扰能力上持续突破。雷尼绍凭借全球技术支持网络和快速响应的供应链,将持续助力客户降低总拥有成本,并在半导体与先进科研领域实现更精密、更稳定的运动控制。
文章来源:雷尼绍Renishaw
图片来源:雷尼绍Renishaw
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责任编辑:朱晓裔
审 核 人:李峥
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