地心科技

地心应用 | 晶圆缺陷检测，解决“螺旋线”运动轨迹及“等弧长触发”难题

2024-01-17

“地心科技高精密直线运动台SMH225LM，搭配RAB系列高精度气浮转台，完美实现晶圆缺陷检测应用中的螺旋线运动，并实现了等弧长触发高速相机采集图像，在晶圆缺陷检测领域发挥重要作用。”

地心科技，追求精度，永无止境。

晶圆缺陷检测

晶圆缺陷光学检测一直是一个长期伴随IC制造发展的工程问题。晶圆缺陷检测要准确识别出晶圆的缺陷，并得到缺陷的具体信息，包括缺陷的位置，面积大小等等；满足大规模工业化生产的速度和产能需求，实现快速检测。

半导体行业中晶圆缺陷检测的常见方法主要有两种：自动光学检测系统（Automatic Optic Inspection , AOI ）以及扫描电子显微镜检测系统（Scanning Electron Microscope ,SEM）。AOI自动光学检测系统基于光学原理，主要方式是通过设计照明系统对被测目标进行照明（分为明场，暗场，透射场等成像方式），利用成像系统对被测物体成像，通过图像传感器（CMOS/CCD）转化为数字图像信号，由上位机计算机图像处理系统做图像分析后实现缺陷检测。SEM扫描电子显微镜检测系统则通过汇集能量极高的极窄电子束轰击被测样品表面，通过逐点采集扫描光束与物质间的相互作用产生的微粒，从中获取各种物理信息。

典型AOI检测系统示意图

典型SEM检测系统示意图

“螺旋线”运动轨迹

无论是AOI检测系统，还是SEM检测系统，承载晶圆的运动平台都是系统中的关键设备。目前的芯片生产流程中，通常要求4inch/6inch晶圆缺陷检测设备的测量速度，达到100片/小时以上。而常规的XY直线运动平台很难满足这种速度要求。

而高速气浮转台的转速通常都可以达到千转以上。这种情况下，使用高精度的直线电机驱动的X轴，配合直线电机驱动的气浮转台，让晶圆在高速旋转状态下进行检测，是一个非常合适的方案。此时，晶圆的运动轨迹就是螺旋线。

典型螺旋线运动轨迹

在晶圆做螺旋线运动时候，为了保证测量精度，就务必使图像传感器的采样点尽量保持测量均匀。由于晶圆处在旋转状态，对于转台来说，我们只能控制它转动的角速度。而要让图像传感器均匀采样，必须让图像传感器测量范围内，被测物运动的线速度均匀。

高速相机均匀采样点

也就是说，必须控制运动机构不断改变转台的角速度，并且配合直线轴的速度和位置控制，才能达到理想的效果。这对于运动机构的机械性能，驱控性能，都是很大的挑战。

“等弧长”触发

为了达到测量速度，AOI晶圆缺陷检测中使用的高速相机的采样速度通常要达到100kHz以上，甚至达到1MHz以上。为了达到这个测量速度，AOI晶圆缺陷检测中使用的高速相机甚至只使用几十个或者几个像素。

为了保证测量精度，使图像传感器的采样点尽量保持测量均匀，就经常需要运动机构给出触发信号，告诉图像传感器在什么时候进行采样。在螺旋线运动轨迹下，就需要运动机构等弧长地触发图像传感器采集信号。

均匀触发信号示意图

这就要求运动机构不仅能准确地走出螺旋线轨迹，并且在准确的位置，具有输出特定电平的触发信号的能力。这对于运动机构的机械性能，驱控性能，同样是很大的挑战。

“地心科技”解决方案

如上所述，地心科技为螺旋线运动轨迹下的等弧长触发问题给出了自己的答案。

使用直线电机驱动的机械平台作为直线轴，搭配直线电机驱动的气浮转台作为旋转轴，结合地心科技自主开发的运动控制算法，ACS运动驱控模块，完美地完成了这一任务。

螺旋线运动

旋转轴使用地心科技RAB系列高精度气浮直驱转台。RAB系列采用地心科技自主研发的圆形直驱电机，空载转速超过1500rpm，定制版最大空载转速可达5000rpm。RAB系列采用旋转电机直接驱动，具备非常优秀的动态性能和定位精度，转动台面尺寸150mm，也可以用户需求定制其他尺寸的台面。选用高精度圆光栅位置反馈，定位精度小于1角秒，轴向和径向跳动小于250nm，机械性能非常突出，非常适合晶圆缺陷检测应用。

RAB系列高精度气浮直驱转台

载物台直径：	150mm；
转角误差：	≤±1.5 arc sec；
重复性：	≤±0.75 arc sec；
轴向误差：	同步误差＜250nm，异步误差<20nm；
径向回转误差：	同步误差＜250nm，异步误差<20nm；
最小步进量	0.75 arc sec；
最高转速	1500rpm（可定制5000rpm）

直线轴使用地心科技LAB210系列高精度气浮直驱运动台。LAB210是纳米级定位精度的气浮平台，采用直线电机驱动，利用空气弹性势能作为支撑导轨，具备非常优秀的动态性能和定位精度，空载截止频率最大可达120Hz以上。LAB210系列运动平台使用高分辨率光栅，分辨率可达1nm；通空气环绕型预载，零摩擦，高刚性和重负载设计，为高性能扫描和检测应用量身设计，非常适合晶圆缺陷检测应用。

LAB210-200高精度气浮直驱平台

有效行程：	200mm
定位精度：	≤±0.3μm
重复定位精度：	≤±0.1μm
最大负载（水平安装）：	35kg
在位稳定性：	≤±10nm
最小步进量：	10nm

“更进一步”地方便用户

为了让用户使用更加方便，我们专门制作了螺旋线路径工具软件。只需简单的设置，运动机构即可生成运动路径，并自动生成对应要求的触发点位。并且，我们可以提供动态链接库，用户可以十分方便地将整个系统集成到自己的测量系统当中去。

螺旋线路径规划软件

应用地心科技SMH225LM高精度直驱运动台和RAB系列高精度气浮转台，和螺旋线路径规划软件，螺旋线半径从 R=160 扫描到 R=4，整个检测过程只需要47 秒左右， Theta 轴整个过程最大匀速段动态误差小于 ±0.003° ；X 轴全扫描过程最大匀速段动态误差小于±0.5um。

测试轨迹

无锡地心科技（CORETECH）致力于服务需要最高运动控制精度的领域，提供微米、纳米级定位精度的核心子部件，核心子系统，包括直线电机机械平台，丝杠驱动直线台，机械直驱转台，多轴转台，升降台，气浮轴承直线台和龙门系统等，为客户提供最高精度的运动控制系统的定制化解决方案。

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