硅片检测平台结构设计

课题名称硅片检测平台结构设计

1

目录

摘要......................................................1

Abstract..............................................................................................................2

1绪论....................................................4

1.1研究目的及意义.....................................4

1.2国内外研究现状.....................................4

1.2.1硅片检查运动平台..............................4

122精密运动平台结构..............................6

2硅片检测平台总体设计....................................8

2.1设计要求和技术参数.................................8

2.1.1硅片检测运动原理..............................8

2.1.2硅片检测工作流程..............................8

2.1.3运动参数要求.................................10

2.2机械结构总体设计..................................11

2.2.1总体机械结构.................................11

2.2.2硅片托盘设计.................................12

2.3电气结构设计......................................13

3硅片检测平台关键部件的设计，选择与分析.................14

3.1驱动..............................................14

3.1.1驱动方式选择.................................14

3.1.2电机选择.....................................15

2

3.2重力平衡装置......................................16

3.3导轨的选型与校核..................................18

4硅片检测平台Z向测试实验...............................19

4.1实验装置和方法....................................19

4.2实验结果及分析....................................19

4.2.1定位精度实验.................................19

4.2.2Z轴各向跳动实验............................20

423Z轴补偿能力实验.............................21

5Z方向动态误差测试及硅晶圆检测平台的结构改进...........22

5.1平台Z方向动态误差测试...........................22

5.2硅片检测平台结构改进.............................25

5.3硅片检测平台误差分析和补偿.......................26

6总结...................................................26

参考文献.................................................28

致谢.....................................................30

3

摘要

当今的IC制造业属于IC技术的核心，是吸引设计制造商最多关注的部分,

也是企业投资最多的部分。作为半导体制造的基础，硅晶圆检查和制造技术是最

重要的环节。本文以硅片制造技术为背景，设计研究了硅片测试工艺的精密测试

设备。

首先，根据本主题的硅晶圆检查平台的设计要求和技术参数，比较三个自由

度和四个自由度的优缺点，选择并设计适合该主题的总体平台方案。并根据被测

对象提出的精度要求，对运动平台三轴所采用的驱动方式进行了分析和选择。

进行了气缸，音圈电机，光栅尺，滚动导轨等关键部件的分析，选择和验证，

完成了硅片检测平台的结构设计和原型开发。进行了垂直精密运动机构的精密定

位实验，结果表明其垂直定位精度达到±0.1um,符合设计要求。

最后，本文针对硅晶片平台原型进行了硅晶片检测平台的Z方向动态误差

测试。通过对Z方向分量的误差测试，分析了Z方向误差引起的因素。根据原

型的结构和驱动方式对硅晶片平台的结构进行了改进，并针对硅晶片检测平台提

出了多个自由度的耦合误差分析。

关键词：硅片检测；机械结构设计；定位精度；误差实验

I

Abstract

Today'sICmanufacturingindustrybelongstothecoreofIC

technology.Itisthepartthatattractsthemostattentionofdesign

manufacturersandthepartthatenterprisesinvestthemost.Asthebasis

ofsemiconductormanufacturing,siliconwaferinspectionand

manufacturingtechnologyarethemostimportantlinks.Basedonthe

siliconwafermanufacturingtechnology,thispaperdesignsandstudies

precisiontestingequipmentforsiliconwafertestingtechnology.

First,accordingtothedesignrequirementsandtechnicalparameters

ofthesiliconwaferinspectionplatformofthissubject,comparethe

advantagesanddisadvantagesofthreedegreesoffreedomandfour

degreesoffreedom,andselectanddesignanoverallplatformsolution

suitableforthesubject.Andaccordingtotheaccuracyrequirementsput

forwardbythemeasuredobject,thedrivingmodeadoptedbythethree

axesofthemotionplatformisanalyzedandselected.

Carriedouttheanalysis,selectionandverificationofkey

componentssuchascylinder,voicecoilmotor,gratingruler,rollingguide,

andcompletedthestructuraldesignandprototypedevelopmentofthe

siliconwaferinspectionplatform.Theprecisionpositioningexperiment

oftheverticalprecisionmotionmechanismhasbeencarriedout,andthe

2

resultsshowthattheverticalpositioningaccuracyreaches+0.1Um,

whichmeetsthedesignrequirements.

Finally,thispaperconductstheZ-directiondynamicerrortestofthe

siliconwaferinspectionplatformforthesiliconwaferplatformprototype.

ThroughtheerrortestoftheZdirectioncomponent,thefactorscausedby

theZdirectionerrorareanalyzed.Accordingtotheprototypestructure

anddrivingmode,thestructureofthesiliconwaferplatformisimproved,

andthecouplingerroranalysisofmultipledegreesoffreedomis

proposedforthesiliconwaferinspectionplatform.

Keywords:siliconwaferinspection;mechanicalstructuredesign;

positioningaccuracy;errorexperiment

3

1绪论

1.1研究目的及意义

当今瞬息万变的IC技术在硅片研发和制造中的应用也不断取得突破，其设

备制造技术已成为国家科学技术的重要力量。每10年左右，硅晶片的主流制造

尺寸将比以前增加一次。首条300mm生产线的外观距离上一个水平已有11年的

历史。现在，半导体行业正慢慢进入450mm硅晶片的时代。基于硅晶片检查的

过程检查系统的组装和技术也更为重要。

不仅如此，由于超精密技术在IC制造技术中的应用，美国，日本和一些发

展中国家等发达国家对这种新兴技术给予了更多关注。IC制造技术已逐渐成为

衡量一个国家综合国力的重要指标。标准。

仅对于国内而言，硅晶片制造技术相对落后，重要原因之一是起步较晚。它

的设计，生产和加工都依赖于进口设备。先进技术通常是从国外进口的，其技术

没有创新概念。因此，我们必须独立研究和开发我们的IC精密测试设备。

IC制造业属于IC技术的中游，是吸引设计制造商最多关注和企业投入最多

的部分。作为半导体制造的基础，硅晶圆检查和制造技术是最重要的环节。

本研究的目的是比较国内外各种硅晶圆检测平台和类似的精密运动平台的

结构特征。根据本主题的设计要求和工作流程，可以使用三自由度平台在硅晶片

表面上获得颗粒物质。检查，换膜等操作并符合技术参数要求。在自主研发硅晶

片检测运动平台结构的同时，在平台上进行了相应的定位精度实验。考虑到垂直

误差的影响因素，对硅片检测平台的结构进行了相应的改进。

1.2国内外研究现状

在中国，在前端运动平台领域，与半导体相关的方面(例如制造技术和测试

技术)比其他国家要慢。特别是在硅晶片领域，在与运动有关的检测设备的研究

中仍有许多方面可以改进。其中，精密运动平台领域的研究人员的研究非常有效。

本课题以先进技术的研究成果和经验为基础，进行进一步的研究，以达到提高课

题研究速度的目的，这对课题研究也具有重要意义。

1.2.1硅片检查运动平台

半导体行业诞生于1958年9月的美国，当时德州仪器(TI)的工程师杰克•基

尔比(JackS.Kilby)发明了第一块集成电路，这引发了第三次工业革命，影响

4

了世界科学发展的历史。研究人员使用“摩尔定律"（Moore,sLaw）不断创新半

导体工艺，从而带动了与半导体相关的技术的兴起，例如制造领域和精密设备测

量领域。与中国的半导体技术相比，国外在研究经验和研究成果方面遥遥领先。

具体而言，对于硅晶片精密检查设备，国外的发展相对较快。其成功的工作包括

美国Kensington实验室的四自由度硅晶片检查运动平台和MicroPrecision

Automation的三自由度超精密平台。

图1-1显示了Kensington精密检查运动平台，该精密运动设备在测试8至

12英寸圆形硅晶片时可以满足四个自由度的要求。X自由度表示底层的线性运

动；Y自由度是中层运动；Y自由度是中层运动。Z自由度是顶层的垂直运动;

0自由度表示顶层的圆周旋转运动。该平台的优点是顶部圆盘配备了两个凹槽。

真空吸槽可用来吸附硅片；

图1-1美国Kensington的四自由度运动平台

晶圆运动平台各轴的参数和精度如下：

（1）Theta轴：采用伺服电机直接驱动技术，轴承采用交叉滚珠轴承。Theta

轴的重复定位精度高达0.0008°,转速范围为每秒0.003°至200°。

（2）X,Y轴：也采用伺服电机直接驱动技术，重复定位精度为0.2um,最

大移动行程为302mm,移动速度跨度为每秒0.01至U100mm；

（3）Z轴：伺服电机直线驱动，行程相对较短，为10mm,重复定位精度

为0.2um,移动速度为每秒30mmo

美国微精密自动化的300mmWaferR-Theta-Z位移台如图1-2所示。这是专

门设计用于300mm硅片检查的平台。与Kensington平台相比，在运动平台上方

的平台设计中使用了销钉式薄膜更换器，该平台使用三个圆孔和一个圆柱形顶针

来完成薄膜更换。不仅如此，它的各种参数（包括每个轴的定位精度和分辨率）

比Kensington更准确。

5

图1-2MicroPrecisionAutomation公司的三自由度运动平台

在平台自由度方面，MPA采用了三自由度的总体设计方案。R、theta、Z轴

分别指处于最下方的横向运动、垂直水平面的上下运动、硅片台的旋转运动。其

各轴的运动参数和精度如下：

(1)R轴：重复定位精度30um,分辨率Inm,运动行程180mm；

(2)Z轴：重复定位精度20um,分辨率Inm,运动行程35mm；

(3)Theta轴：重复定位精度0.25arcsec,分辨率0.016arcsec,行程360。；

1.2.2精密运动平台结构

国内目前还没有精密硅片检运动平台的优秀产品，但是对于XY平面运动平

台和一些多自由度控制技术和驱动方式都有一些进展和研究经验。因此，本小节

比较国内外的精密运动平台产品。

在国际精密平台制造领域，日本有着多年的经验，占有重要地位。本课题的

运动装备与日本精密平台厂商THK的XY平台相似,有着类型多样、多自由度、

多精度自由组合的特点。如图1-3所示。

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图1-3THK精密运动平台

该设备使用高精度LM滚动导轨和精密滚珠丝杠，可以无间隙地定位。最大

多冲程选件可以达到500毫米，负载可以达到250千克。它可以重复定位，精度

为lum至3um,并配有柔软的可伸缩防尘罩。

与国外精密平台的优秀技术相比，我国在理论和实践上有一定差距。然而,

在改革开放的30年中，我国经济的快速发展，与国外的学术往来日益频繁，并

引进了先进的部件和先进的理论与技术，中国的精密设备研究也取得了巨大的成

就。例如，深圳市汉氏电机技术有限公司生产了三自由度运动平台，重复定位精

度为±2ym。

图1-4大族公司生产的三轴平台

如图1-4所示，LMSU13平台是三维运动平台，其结构与硅晶圆检测平台相

似。下方的XY平面在XY二维平台中采用了国内先进的直接驱动技术，并且使

用DDR系列旋转电机进行旋转。整体尺寸为516mm*650mm*356mm,结构大于

硅晶圆运动平台。平台结构的行程为50mm,300mm和360°整圈旋转。垂直移

7

动行程比硅晶片平台的垂直移动行程长，但是需要提高精度。下面的X和丫方

向的线性重新定位精度可以达到土2pm。

2硅片检测平台总体设计

2.1设计要求和技术参数

2.1.1硅片检测运动原理

硅片检查平台的主要任务是检测附着在硅片上的化学颗粒污染物，使用光学

透镜在整个平面上扫描硅片，并使用平台相对于光学透镜的移动来完成检查工作。

我们可以通过螺旋扫描和逐行扫描对硅晶片的表面进行完整的检查。螺旋扫描对

应于三自由度平台，而四自由度平台必须使用逐行描述方法。通过对本课题的比

较,选择了三自由度运动平台，因为使用螺旋扫描的三自由度具有以下优点：（1）

较小的自由度可以相对降低成本；（2）降低了运动平台的高度，平台结构更加紧

凑；（3）螺旋扫描的工作效率较高。

在螺旋扫描过程中，光学透镜遵循阿基米德螺旋线，以完成整个圆形平面的

扫描。对于本主题的三自由度平台，我们可以使用晶圆载体theta轴的均匀旋转

和垂直于载体上下运动的径向R轴的叠加运动来完成阿基米德螺旋运动。

2.1.2硅片检测工作流程

已经确定该运动平台是使用螺旋扫描的三自由度硅运动平台。接下来，我们

需要了解硅晶圆检查平台的工作流程，并根据工作中的动作进行平台设计分析。

我们不仅需要考虑移动平台的扫描过程，还需要考虑移动平台需要在扫描工作之

前和之后执行晶圆更换操作，这需要平台进行垂直移动（即Z轴）。除了完成扫

描检查工作外，还需要对硅晶片进行连续检查，也就是说，在一次扫描完成后，

将更换下一个晶片以继续检查。该运动平台的垂直（Z方向）行程要求达到25mm。

但是，此项目需要W3分钟的时间进行硅晶片检查。综上所述，设计运动平台的

工作流程，如图2-2所示。

8

BAC

-1—

镜

头-

I③④L械手

硅片托盘

机械臂

150mm

旋转运动

垂直运动直线运动

①

约500mm

②

图2-2检测工作流程

除了图片中的三个水平位置A,B和C,还有两个垂直位置。上部用于胶片

更换，下部用于检查工作。对于A,B和C级的三个工位，A是工作的起始工位，

即检测运动之前的固定工位，B是硅晶片完成螺旋扫描后结束的工位，C是扫描

完成后，移至机械手上方的工作站以准备换膜。

整个硅片检测平台的工作过程分为5个过程：

（1）硅片的水平运动和硅片台的均匀旋转合成了阿基米德螺旋，以50um/

圆的速度螺旋扫描硅片平台，硅片被吸附在载体台上真空吸尘在此过程中，水平

方向（R方向）保持恒定速度，并且速度很慢。

（2）螺旋扫描后，硅晶片在机械手下方水平移动以准备更换晶片。该过程

不需要精确的要求，但是当移至晶片更换站时，需要在R方向上进行精确定位。

（3）在R方向达到晶片更换精度定位之后，晶片台在Z方向上移动到晶片

更换台，并且晶片台垂直向下移动，并且机械手立即接触晶片。此时，真空吸盘

释放吸力。薄膜离开轴承台并落在机械手上；

（4）在托盘完成扫描运动之前的工作站上，机器人使用晶圆定位系统将未

检测到的新晶圆准确地放置在托盘上;

9

（5）用真空吸收新的硅晶片，然后托盘移至检测开始站A,准备完成下一

次硅晶片检查。该过程可以快速移动，但是移动后需要很高的定位精度。

2.1.3运动参数要求

为了进行硅晶片检测平台的机械结构设计，关键部件设计和选择，有必要确

定该主题对平台的参数要求。本主题的三自由度运动平台的以下运动参数要求：

（1）R轴和theta轴旋转的联合运动形成了阿基米德螺旋，因此其准确性不

可避免地会影响晶片扫描过程中的检测工作。螺旋扫描的相对效果较高，水平方

向上检测点的最大允许误差为5um,因此其定位精度设计为2um。参照国外成熟

的硅晶圆检测平台的成品，肯辛顿的四自由度平台和MicroPrecisionAutomation

的三自由度平台在R方向上分别为302mm和175mm。本主题中的硅晶圆平台的

结构与美国的MicroPrecision相似。自动化的硅晶圆平台更相似，因此R方向的

行程必须＞150mm。因此，本文将R方向的行程R设计为165mm,定位精度设

计为2um。

（2）theta轴的旋转和R轴的复合运动形成阿基米德螺旋，因此对精度的要

求也很高。像R方向一样，最大允许误差为5um,光斑中心的最大偏移为2um。

根据公式S=0*R,可获得theta轴的精度要求：9＜2um/150mm=0.048arcsec,theta

的行程需要360°的整圈旋转。

（3）除了完成R轴和theta轴的叠加以完成螺旋扫描外，还必须考虑在进

行晶片更换操作的扫描工作之前和之后移动平台的移动，即平台在垂直方向（即

Z轴）上的移动。Z方向的移动要求镜头与平台之间的距离不能超过某个范围，

因此设计垂直方向（Z方向）的最大允许误差为±5ym。根据异物的垂直精度，

为了完成聚焦的准备工作，Z方向的定位精度要求很高，因此Z方向的运动定位

精度的设计要求为0.5umo因此,该对象的运动平台的Z方向行程计划为25mm,

定位精度要求达到0.5umo

（4）平台的总体参数要求如下：

晶圆检测效率：20pics/h；

R方向加速度最大为0.5g；

定位精度：R方向土2Pm,Z方向±0.5|im,。方向±0.048arcsec；

行程：R方向±165mm,Z方向25mm,0方向360°;

外形尺寸：长（R方向）＜600mm,宽（Y方向）＜400mm,高（Z方向）＜320mm;

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2.2机械结构总体设计

2.2.1总体机械结构

根据本主题运动平台的总体要求，虽然平台需要具有三个自由度的高精度定

位，但平台的结构应尽可能紧凑，并且平台的整体三维尺寸平台不应超过

650mm*400mm*300mm。

因此，首先要基于运动平台各轴的行程和精度进行设计（上面已完成），然

后根据设计参数要求，根据目标平台的情况选择合适的驱动模式。除了平台的结

构设计外，工作时还需要控制系统，因此还需要选择每个轴上的移动测量设备。

此外，该支撑导轨的每个轴的运动也需要适当地选择，这需要考虑的基本原则和

各轴的移动的精度要求。最后，应开始搭建平台设备，并考虑平台搭建时的空间

结构和安装问题，然后进行硅片检测平台的总体结构设计，如图2-3所示。

图2-3整体结构设计

如图所示，为了选择在每个轴上需要考虑的驱动模式，可以看出Z轴的上

下移动需要克服轴承平台的重力才能移动。相反，R轴和theta轴在工作期间没

有额外的负载。因此，在本主题的设计中，我们将R轴视为其他运动方向的载

体，并且需要完成的第一部分是第一运动水平。以Z轴为旋转载体是优先于theta

旋转的运动，因此将其定义为第二运动水平。最后，0轴被视为运动的第三级，

直接完成了载物台旋转的功能。

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对于本主题的运动平台，整体机械结构保持在480mm*360mm*300mm以内，

完全满足平台紧凑结构的要求。完成平台各个角度的总体规划后，我们需要分析

并选择每个轴上的导轨，驱动器和控制组件：对于theta轴，我们需要较高的运

动精度，因此我们选择了高精度气动浮动轴承保证了工作条件下的全向跳动，以

及由于多个自由度而引起的俯仰和倾斜。在驱动模式下，我们选择使用永磁同步

伺服电机直接驱动。轴，由于平台控制系统的补偿，能力也需要补偿结构误差，

因此我们使用高精度光栅尺来在原件的控制和检测中定位并测量theta轴旋转位

置；对于Z轴，由于采用高精度音圈电机直接驱动，而Z轴最容易出现跳动和

倾斜，因此我们使用SP精密滚珠导板，使用高精度导板可以确保Z轴和R轴具

有良好的垂直度，这与Z方向气体一致。浮动导轨要求更高的精度并具有相同

的含义，并且检测控制元件使用像theta轴这样的光栅尺，可以确保运动和运动。

Z方向的定位精度；对于R轴的第一级运动，同样需要使用高精度的滚珠导轨，

因为R轴直接位于整个晶圆台下方，并且需要承载整个平台的重力，因此选择

导轨的位置非常重要。在这里，我们还选择了SP精度等级与Z轴不同的滚珠导

轨。行程比较大，不需要精确的移动，但是需要在工作站上达到定位精度。考虑

到我们选择使用线性电动机驱动方法来驱动R轴，控制反馈设备仍然使用高精

度光栅尺来确保其运动精度。

2.2.2硅片托盘设计

根据第一章硅晶圆平台的发展状况，我们知道由于我国没有成熟的硅晶圆平

台设计产品，因此晶圆托盘（即晶圆台）的设计主要依靠国外产品。在本节中，

我们将通过分析不同国外晶圆托盘的工作原理来分析该平台的托盘设计，并选择

最合适的托盘结构。

在本文的第一章中，提到了Kensington的四自由度硅晶片平台使用具有卡

盘结构的卡盘式转换器，卡盘式晶片更换的主要过程包括以下三个过程：①检查

工作状态时硅晶片被吸附在晶片台上；对于四自由度硅晶圆台，逐行扫描完成;

②扫描工作完成后，真空吸盘释放晶片平台的吸力。分离硅晶片，并且操纵器

从被测硅晶片下方通过卡盘的凹槽立即接触硅晶片。这时，驱动硅晶片在Z方

向上垂直向下移动，最后操纵器接触硅晶片并从水平方向完成硅晶片。更换晶

圆的全过程；③更换晶片的工作与取出晶片的过程相反。新晶片沿水平方向移

动到托盘顶部。平台在Z方向上使用向上移动来接触晶圆，然后在吸附晶圆后

移动。打开机械臂。

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2.3电气结构设计

根据以上设计，通过直接电机驱动技术选择了本主题的运动平台的三轴驱

动模式，以满足硅片检测平台的精度要求。这种直接驱动可以避免由传输装置

引入的非线性误差，并且还可以使硅晶片平台保持在良好的环境中并且在合适

的温度下工作，这相对地增加了平台的使用寿命。与传动系统相比，虽然电动

机的直接驱动可以避免上述问题，但是对于反馈控制来说这是一个主要且困难

的问题。同时，对象是一个多自由度的运动平台，因此每个轴上的误差耦合都

不能忽略。因此，我们需要严格设计平台的电气结构，从硅晶圆检测平台到结

构设计与控制系统。标准，使整体设计可以满足设计要求。

图2-7控制系统示意图

如图2-7所示，这是本主题中设计的电气结构。控制原理是主机完成与PAMC

的通信协议，然后主控卡发出指令。控制卡控制相应的电动机，驱动器实现R,

Z和theta轴的电动机驱动。其中，PMAC（可编程多轴控制器）是当今所有控

制系统组件中最出色的运动控制卡。它的可靠性，可编程性，速度和相应的参数

已达到世界一流。使用PMAC运动控制卡时，可以完成多轴同时驱动控制，非

常适合多轴驱动多自由度运动平台。这是该主题的非常合适的选择，并且可以在

良好的操作下很好地使用。完成其控制精度要求。

13

3硅片检测平台关键部件的设计，选择与分析

3.1驱动

根据第2章的总体设计，此运动平台的Z方向运动具有以下特征：负载小，

精度高和需要考虑重力平衡。因此，我们需要详细设计其运动装置。当前的主流

驱动方式如下：

（1）永磁同步直线电动机：这种直接驱动避免了传动引起的误差，结构紧

凑，驱动力大，定位精度高。如果与合适的驱动控制设备匹配，则误差可以小于

lum；

（2）音圈电机：根据安培力原理设计，是一种非常稳定的电磁驱动装置，

协调良好的控制反馈分量可使误差达到10nm以下，甚至达到超精密水平；

（3）滚珠丝杠旋转电机：一种发展历史比较长的驱动方式，一般用于大中

型设备，由于技术成熟，而且由于设备精密，精度可以达到微米级；

（4）旋转伺服电机和滑动螺钉：这种驱动方法的最大优点是可以完成自锁，

并在相对特殊的工作环境中使用。易磨损和传动效率低的缺点使其通常无法在工

作环境中被采用；

（5）压电陶瓷驱动执行器：这是一种相对较新的驱动方法，通常用于高精

度设备，但由于其工作行程只有几毫米，因此仅用于超高精度和小型设备中使用，

而且成本比较高。

在对以上五种驱动方式进行比较和分析的基础上，本文从Z方向机构的驱

动方式中选择了两种：带滚珠丝杠的旋转伺服电动机和音圈电动机。

3.1.1驱动方式选择

旋转伺服电动机和滚珠丝杠驱动的驱动方法已有一定的发展历史，其应用十

分广泛。由于其滚珠丝杠加工技术日趋成熟和准确，因此这种驱动方法现在可以

应用于微米级设备。然而，其传输效率一直是一个缺点。从电机输出原始功率后，

必须通过各种旋转对将其传输到最终运动传输对象。对于传动链条，可能会产生

以下影响：（1）滚珠丝杠和螺母的相对运动会产生摩擦，从而影响整个驱动系统

的寿命；（2）部件之间的传动摩擦会影响机构的可靠性。，系统需要不断地调试

和修复，这相对增加了成本；（3）与传动系统中的直接驱动相比，中间环节必定

会出现，这在一定程度上会影响机构的精度，并且由于它是一个非线性误差，因

此也很难对付。误差补偿分析；（4）与直接驱动技术相比，这种传统的传动系统

14

的整体结构相对复杂，在设计整体设备时整体设备的尺寸将受到限制；（5）传输

系统比较复杂。与直接驱动模式相比，在工作状态下产生的噪音也是不可避免的

因素。

与后置语音线圈电动机相比，这种相对现代的线性驱动机构具有以下优点:

（1）由于避免了中间环节，因此系统响应能力大大提高，并且由于没有摩擦等

因素，因此具有更高的可靠性。灵敏度；（2）无传动机构，系统由电机直接驱动，

结构简单，紧凑，节省空间。（3）音圈电机的直接驱动是由于没有传动装置引起

的。中间链路的误差大大降低，与之配合的控制反馈系统的误差补偿能力也大大

提高。（4）与传动装置相比，没有力相互接触和传递，因此可靠性和使用寿命是

相对的。（5）在精度方面，音圈电动机的驱动技术可以很容易地使定位精度达到

微米级。

3.1.2电机选择

音圈电动机主要有以下三种分类方法：根据音圈电动机中磁体的位置，分为

内磁和外磁。按其运动部位，可分为动圈结构和动磁钢结构。并根据气隙长度分

为两种类型：长音圈和短音圈。具体优缺点如表3-2所示。

表3-2音圈电机三种分类方式

分类方法分类优缺点比较

磁钢在音圈电机中内磁式与外磁式结构相比，内磁式结构的磁路较短，

所处的位萱外磁式漏磁小，容易产生较大的磁力。

动音圈结构动音圈结构中固定的磁场系统可叹比较大，

音圈电机运动部分因而能够得到较强的磁场（高Bg值）;固定音

固定音圈结构圈结构可叹有较大的工作电流。

音圈相对于工作气长音圈结构长音圈结构体和比较小，短音圈结构功耗较

隙的长唐短音圈结构小.可以有较大丁作由浦C

垂直（Z轴）移动主要是在换片过程中垂直向上和向下移动。整个胶片更换

过程并非以均匀的速度移动，因此我们需要分析加速和减速的指针：

F-f=ma（3-1）

其中F是电动机的输出力；f是Z上下运动的摩擦阻力，力约为47N；m

是垂直移动部分的质量，约21kg；a是其最大加速度，从第2章出0.1g获得。

因此，可以计算出F268N。

根据表3-2中各种类型的音圈电动机的分类特性，针对本主题运动平台的Z

方向运动精度要求，本文最终选择了如图所示的AVM系列音圈电动机。3-lo

15

对于AVM系列音圈电机，具有以下功能：

（1）直接驱动，零齿槽定位，零间隙音圈电机；

（2）动子重量轻，响应速度快，带宽大；

（3）线圈与磁铁运动无接触，无磨损；

（4）低速平稳运动和无限分辨率取决于反馈设备。

3.2重力平衡装置

考虑到该对象的运动平台的垂直机构的重力，在更换胶片的过程中z轴的

垂直运动包括克服重力的向上运动和与方向相同的向下运动引力因此，我们需要

在z方向上平衡重力，以避免音圈电机由于克服重力而被迫选择更大驱动力的

型号，这会增加整体结构并降低整体效率。同时，重力平衡装置的使用还可以相

对减轻音圈电机的负荷，确保其可靠性和相对寿命。而且，当控制系统停止工作

时，重力平衡装置可以防止。轴平台的机构由于重力而损坏。

我们列举了几种当前的重力平衡，分析了它们各自的特性，并为此运动平台

选择了最合适的重力平衡方法。当前的重力平衡方法如下：

（1）机械配重平衡

重力平衡是利用配重的重力来实现机构的重力平衡，这种方法常用于大型运

动机构中。机械育种的重力平衡法原理简单，可靠性高，一般用于不需要频繁维

护的机械设备中。这种平衡方式的最大缺点是，平衡重需要占据一定的空间，不

适合结构紧凑，结构简单的机械设备，并且在设备工作时其运动加速度不能太大。

不可避免地会影响运动平台的性能。设计要求。鉴于集成重力平衡育种的上述缺

点，我们在此硅晶圆检测平台上不选择此方法。

（2）液压平衡

液压平衡的工作原理是利用液压作用向相反方向施加等于重力的液压。重力

平衡法可以承载较大的重力，并且设备的重力相对较小。它广泛用于各种大型设

备中，并且是加工中心。重力平衡法经常使用。但是它最大的缺点是灵活性不高。

液压平衡器必须确保工作状态下的低速行驶，以避免诸如因过大的速度和加速度

而引起的液压冲击之类的问题。因此，液压平衡通常适用于低速运动机构。由于

本主题的运动平台不需要支撑过多的负载，因此不需要使用液压平衡方法。此外,

运动平台需要保持清洁的工作环境，因此排除了这种重力平衡的方法。

（3）气压平衡

气压平衡的工作原理是利用气压产生一个与对应机构重力相反的气压力。相

比与液压平衡，其承载力比液压平衡方法小一些，但气压平衡可以使整个机构在

较高速度和加速度下工作，具有一定的灵活性，而且可以使工作环境相对洁净。

16

对于气压平衡而言，最大的缺点是由于气压和气膜的作用，会有一定的噪音产生，

这是本课题运动平台的一个难题。

（4）制动器已锁定

与上述三种重力平衡方法相比，制动器锁定的区别在于利用垂直摩擦力进行

重力平衡是一种相对先进的重力平衡方法，即利用制动器的响应时间来控制运动

和停止。对于制动器锁定，其响应时间是影响整个设备的关键，而由其产生的摩

擦的大小和准确性则取决于其响应时间。但是，制动锁的重力平衡装置对安装环

境比较苛刻，并且我们认为重力平衡高于该对象的运动，因此在调试过程中，制

动锁的装置很可能会损坏平台下的机构。过程，因此排除了此方法。

考虑Z方向上的重力平衡可以避免音圈马达被迫选择具有更大驱动力的型

号，这将导致整体结构的增加。同时，重力平衡装置的使用还可以相对减轻音圈

电机的负荷，确保其可靠性和相对寿命。通过对以上四种重力平衡方法的比较分

析，我们认为气压平衡具有一定程度的灵活性，其支撑力足以平衡平台的重力机

制。不仅如此，所使用的气压比其他方法更容易清洗。对于工作条件下的噪音的

缺点，我们考虑安装消声器来处理。

图3-2是气压平衡的示意图。该图显示了其工作原理:减压阀调节空气压力，

溢流阀的压力调节范围大于减压阀的压力调节范围。在工作状态下，Z方向机构

完成印版更换的向下运动，并且平衡缸也向下运动。此时，储气袋的容积变大，

并且溢流阀打开以减小气压，从而控制了整个气压平衡机构的压力。在一定范围

内。气囊在图中的作用不容忽视，它是用来调节液压不足的情况，也就是说，它

起到一定的缓冲作用。图片左侧的消声器是为了避免气压平衡过程中产生的噪音,

并使硅晶片检查保持在清洁良好的工作环境中。

17

Z轴运动部件

储气包

溢流阀

。平衡气缸

消声器

压阀

图3-2气压平衡示意图

3.3导轨的选型与校核

在选择和检查滑道时，首先要了解在国内市场上广泛使用的滚动导轨的品牌

和型号。目前，来自台湾的HIWIN,来自日本的THK和来自德国的力士乐是各

自的精密设备中使用最广泛的导轨品牌。为了这个主题的平台定位精度，这里选

择了THK的SHS导轨，该系列导轨的优点如下：1.维修方便，使用寿命长；2.

噪音小，摩擦消耗低；3,可以满足较高的垂直运动速度；4.能承受较大的负

荷；5.导轨刚性高，可保持机芯的垂直度或水平度；6,按照世界标准进行设

计开发，适用于各种驱动机构。7.安装简便，安装误差很小。根据Z向设计参

数要求和结构特点，选择了SHS15C1的SP-IV型滚动导轨。

在分析滚动导轨时，我们需要考虑由于每个垂直机构的相对位置，速度和加

速度而产生的载荷。

18

4硅片检测平台Z向测试实验

4.1实验装置和方法

如上所述，硅晶圆检查平台的Z方向机构的精度要求较高，其控制反馈的

补偿能力也很严格。因此，我们使用激光位移传感器和高精度光栅尺来测试Z

轴的定位精度。激光位移传感器和光栅尺都是非接触式传感器，可以测量的精度

和分辨率很高，并且结构简单且易于安装。它们通常用于精密检测和反馈控制设

备中。

对于本主题的硅片检查平台，我们可以使用光栅来测量定位误差并测试平台

的准确性，并可以使用激光位移传感器来测量运动平台中某些平面的相对位置和

位移。对于激光位移传感器，我们可以使用其简单的结构来测量平台各部分的相

对位置，这对于平台的误差分析具有重要意义。

4.2实验结果及分析

4.2.1定位精度实验

定位误差是指在电机输出后，对象的理想运动位置与其实际位置之间的位置

偏差。对于硅晶片检查平台，定位误差基于三个轴上的位移误差。考虑到光栅尺

的安装不能保证其测量方向可以与z轴的垂直移动方向完全相同，我们还需要

补偿其定位误差。根据第2章中Z方向运动的设计参数要求，可以看出，在Z

方向运动中，仅在更换胶片时才需要一定的定位精度。因此，在实际使用中，我

们只需要预先测量光栅尺上的定位位置的对应雕刻即可。线。因此，如果某个特

定位置的稳态误差和该位置的单向重复定位精度不大于上一节中分析的参数要

求，则可以认为Z轴的精度满足以下要求：使用要求。如图4-2所示，指令位置

与实际位置之间的绝对偏差为Z轴的定位精度。从图中可以看出，输入指令位

置后,Z轴在0.6秒后移动到该位置并达到稳定状态，在此过程中移动相对稳定。

19

—一命令位凿

-----实际位置

2

■

nu

o0

j

♦

阜0

6[][111I1[1

00511.522.533544.55

时间⑸

图4-2Z轴定位精度

422Z轴各向跳动实验

尽管在晶片检查过程中仅通过R和theta轴的叠加运动即可完成螺旋扫描,

而Z轴不会移动，但是theta的旋转会影响检查过程中Z轴的定位精度。相反，

R轴的直线仅影响Z轴承板的倾斜，与theta轴对Z轴的干扰相比，误差可以忽

略不计。因此，在旋转的情况下，我们对0轴的z轴全向跳动进行了实验测量。

Z方向跳变分为两个方向，即R方向和垂直于R方向。所以我们使用激光

位移传感器在theta轴旋转的干扰下测量Z轴的跳变：

E《

E

》

后

送

(a)R向跳动(b)垂直于R向跳动

图4-4theta轴转动时Z轴的各向跳动数据

如图4-4所示，当theta轴旋转时，Z轴在R方向上且垂直于R方向的跳动

值小于lum,因此满足设计参数要求。考虑到加工，设备和安装的因素，Z轴会

20

因0轴的旋转和R轴的联合驱动而引起一定的误差。该误差导致振幅在载波台

边缘达到5um。对于光学透镜，聚焦是非常不利的因素。在这方面，我们需要驱

动和控制音圈电机，以便可以补偿Z轴误差。但是，当0轴旋转并导致平台沿Z

方向跳动时，Z轴的误差补偿频率应25HZ。因此，为了测量音圈电机在Z方向

上的及时补偿能力，我们向Z轴施加了频率为5HZ,振幅为8um的激励命令，

以测量Z轴的跳变。在音圈电机补偿状态下。如上所述，Z方向跳动条件分别是

R方向跳动和垂直于R方向跳动。因此，测量数据如图4-5所示。可以看出，在

音圈电机的补偿下，R方向的跳动在±2um以内。垂直于R方向的水平方向相

对较小，在±lum之内。

时间(s)

(a)R向跳动(b)垂直于R向跳动

图4-5Z轴在补偿时的跳动情况

423Z轴补偿能力实验

上述实验仅验证了音圈电机补偿情况下Z方向和抖动的稳态定位精度，而

没有验证Z轴的误差补偿能力。Z轴的补偿对于Z轴跳动引起的误差具有重要

意义，因此有必要验证其补偿能力。与上述实验环境相同，在Z轴上输入相同

的频率(5HZ)和幅度(10um)激励信号，测量结果如图4-6所示。从4-6可

以看出，在补偿Z轴误差之后，误差保持在±160个计数内，即3.2um。

21

1200

图4-6Z轴补偿能力

实验结果表明，在Z轴定位精度达到设计参数标准的同时，也验证了音圈

电机及其控制反馈选择的正确性。

5Z方向动态误差测试及硅晶圆检测平台的结构改进

5.1平台Z方向动态误差测试

该平台是一种承载工具，可与检查工具工业相机一起使用，以检查硅片。在

图5-2所示的工作状态下，R轴笔直，。轴旋转。工业相机具有焦点。如果此

点偏离太大，图像将变得模糊。因此，应该控制工作状态下的胶片台沿Z方向

的变动范围。

22

工业照像机

图5-2样机与工业照相机配合检测硅片

这项工作的工作方法是：相机不动，平台不动。为了确保平台始终处于相

机的对焦范围内，在工作状态下沿胶片台Z方向的抖动应尽可能小。

根据可能影响原型Z方向跳变的因素，进行了以下错误测试：

（1）电机驱动不稳定并引起向上波动

在Z方向上移动的部件有两个，一个是由音圈电机和气缸驱动的平台，并

由垂直导轨引导，另一个是由空气与平台隔开的平台。上平台通过气浮膜与下

平台分离，旋转电机以300r/min的速度旋转。测量下面平台的波动，如图5-3

所示。

图5-3下方平台的波动情况

可以看出，下部平台的波动范围很小，与托架相比微不足道，因此可以排除

“由于Z轴电机驱动器的不稳定性引起的上部波动”的原因。

（1）晶圆台身度不符合要求

23

如果空气轴承未垂直放置，则可将轴心看做是倾斜地放置在轴套中，这会影

响轴旋转的稳定性。本文从底部到顶部测试大理石工作台，承重板和支承台的水

平。

对于大理石桌子，四个角处的水平高度约为0.02mm/m；承重板的高度约

为0.1mm/m。

轴承台上的测量高度约为0.7mm/m,因此可以确定轴承板上方的高度存在

问题。主要的水平问题是Z方向上的可移动部分。由于导轨负责引导功能，因

此有必要检测安装导轨的四个立柱的支撑情况。

观察四个立柱是否放置到位，音圈马达是否可以上下往复运动，以及立柱是

否足够稳定，使用激光位移传感器测量四个立柱沿x方向的位移。放置位置如图

5-4所示。

图5-4测量立柱x方向倾斜检测头摆放方位示意

这里是测量立柱的中部偏上的偏移，四根立柱底部用螺钉固定在承重板上,

不会移动，所以若测出的位移偏大，就是立柱向内部收缩，或是向外扩张。Z轴

在0与-18mm间往复运动（0为高位，-18为低位），测得数据如图5-5所示:

24

-rpi-Jw<rr

2

10

0

506070砥

图5-5四个立柱沿x方向倾斜情况

从检测的结果来看，当电机从低位运动到高位时，四个立柱有这样一个动作,

即沿x方向向外侧倾斜，有个向外扩张的动作。倾斜量从2个um到13个um不

等。

5.2硅片检测平台结构改进

综合误差测试中三点，平台样机在产生的误差主要是由于立柱的刚性不够、

安装不精确及电机出力偏心引起的。因此为了提高硅片检测平台的精确度，应当

对平台结构做出一定的改进，改进结构模型如图5-3：

图5-3改进后的硅片结构模型

将电机偏心驱动改成双边驱动，减小单边驱动造成的误差。而且，分别将两

边的立柱连接在一起，提高刚度。同时将硅片平台的整体高度适当降低，最大限

度减小由立柱的刚性不够及电机出力偏心引起的误差。

(a)改进前Z轴侧视图(b)改进后Z轴侧视图

25

5.3硅片检测平台误差分析和补偿

本课题的运动平台是一个多自由度的平台，因此，由各轴的误差引起的整体

误差是该课题的运动平台的研究与开发设计中必须解决的难题。

平台的整体误差分析必须考虑R，Z和theta三个轴的误差耦合问题。为了

提高平台的整体精度，必须在结构和控制方面将错误最小化。误差分析与控制补

偿有着不可分割的关系。止匕外，对平台误差耦合问题的分析将对平台控制反馈产

生非常积极的影响。为了建立具有较高运动精度的硅晶圆检查平台，在建立整机

误差模型的同时，还需要通过大量的误差测量比较和分析。在此基础上，可