Moduli lineari in apparecchiature a semiconduttore: movimento di precisione per la movimentazione di wafer

Le apparecchiature a semiconduttore impongono requisiti insolitamente severi ai sistemi di movimento. Potrebbe essere necessario che un asse di trasferimento muova rapidamente i wafer senza vibrazioni eccessive, che una fase di incollaggio possa richiedere un posizionamento estremamente stabile e che una piattaforma di ispezione possa richiedere un movimento fluido con un errore geometrico minimo sull'area di misurazione.

Questo è dove amodulo lineare per apparecchiature a semiconduttoredifferisce da un asse di automazione per uso generale. La velocità e il carico utile contano ancora, ma la generazione di particelle, la stabilità termica, le vibrazioni, il tempo di assestamento, il comportamento del cavo, la compatibilità dei materiali e la ripetibilità a lungo termine possono diventare altrettanto importanti.

Questa guida esamina il modo in cui i moduli lineari vengono utilizzati nella gestione dei wafer, nell'incollaggio di die, nell'ispezione dei semiconduttori e nelle apparecchiature correlate e spiega cosa dovrebbero valutare gli ingegneri quando selezionano una piattaforma di movimento di precisione per ambienti di produzione puliti.

Il movimento dei semiconduttori non è un unico requisito

Le “apparecchiature per semiconduttori” coprono molti processi molto diversi. Un modulo utilizzato per trasferire un supporto wafer non soddisfa gli stessi requisiti di uno stadio di posizionamento fine utilizzato in un sistema di ispezione ottica.

Un modo utile per classificare le attività di movimento lineare è in base alla funzione:

Principio di selezione:non specificarne uno “ad alta precisionemodulo lineare" per ogni asse della macchina. Ciascuno degli assi di trasferimento, allineamento, ispezione e collegamento deve essere dimensionato in base al proprio compito di movimento.

Manipolazione dei wafer: il movimento veloce deve essere comunque delicato

I sistemi di movimentazione dei wafer spostano i substrati tra stazioni di processo, porte di carico, trasportatori, aree di ispezione e altre parti dell'attrezzatura. Il movimento può essere veloce, ma il wafer non può essere trattato come un normale pezzo industriale.

I requisiti importanti spesso includono:

• Posizioni pick and place ripetibili
• Accelerazione e decelerazione fluide
• Basse vibrazioni a fine movimento
• Breve tempo di assestamento
• Homing e rilevamento affidabili
• Movimento controllato di cavi e tubi
• Bassa generazione di particelle

Perché il profilo di movimento è importante

Un profilo di accelerazione aggressivo può ridurre il tempo di movimento teorico ma aumentare le vibrazioni e il tempo di assestamento dopo che il carrello ha raggiunto il suo obiettivo. Nella gestione dei wafer, il miglior tempo di ciclo spesso deriva dall'ottimizzazione dell'intera sequenza di movimento e posizionamento piuttosto che dalla sola massimizzazione dell'accelerazione.

Perché l'effettore finale modifica il dimensionamento del modulo

Il modulo può contenere una lama wafer, un effettore finale a vuoto, un pacchetto sensore, tubi e cavi. Questi componenti aggiungono massa in movimento e possono creare un centro di gravità sfalsato.

Il carico dovrebbe quindi essere valutato come un insieme meccanico completo, compresi i momenti di beccheggio, imbardata e rollio, non solo la massa del wafer.

Incollaggio degli stampi: il posizionamento è solo una parte della sfida

L'incollaggio delle matrici richiede il posizionamento controllato delle singole matrici su un substrato o una confezione. Il sistema di movimento deve spostarsi rapidamente da una posizione all'altra pur raggiungendo una posizione finale stabile per il processo di incollaggio.

Per questo tipo di asse, gli ingegneri potrebbero dover bilanciare:

• Ripetibilità del posizionamento
• Precisione di posizionamento assoluta
• Breve tempo di assestamento
• Basso errore di inversione
• Elevata rigidità strutturale
• Bel movimento a bassa velocità
• Stabilità termica

La posizione del centro strumento è ciò che conta

Un modulo può avere un'eccellente ripetibilità del carrello mentre lo strumento di incollaggio è ancora in movimento a causa della deflessione della staffa, dell'errore angolare o della crescita termica. L'intera catena di errori si estende dall'encoder e dal meccanismo di azionamento attraverso il carrello, la piastra di montaggio e la testa di collegamento.

Regola di precisione:valutare la precisione nel punto del processo, non solo nel carrello del modulo lineare.

Le fasi di ispezione dei semiconduttori necessitano di movimenti fluidi e prevedibili

I sistemi di ispezione possono scansionare wafer, substrati, pacchetti o altre strutture di semiconduttori tramite fotocamere, microscopi o sensori ottici.

Il movimento richiesto è spesso diverso dal movimento pick-and-place. Invece di un rapido spostamento punto a punto, il sistema potrebbe aver bisogno di:

• Scansione a velocità costante
• Ondulazione a bassa velocità
• Buona rettilineità
• Feedback encoder stabile
• Basse vibrazioni
• Ritorno ripetibile alle coordinate di misurazione

Perché la rettilineità può essere importante quanto la precisione del posizionamento

Se il carrello devia lateralmente o verticalmente durante la scansione, il percorso ottico o la condizione di messa a fuoco possono cambiare anche quando la posizione X comandata è corretta.

Per le apparecchiature di ispezione, potrebbe quindi essere necessario specificare la precisione geometrica come rettilineità, beccheggio e imbardata separatamente dalla normale ripetibilità di posizionamento.

I requisiti delle camere bianche modificano la progettazione del sistema di movimento

Una produzione pulita non si ottiene semplicemente scegliendo una copertura in acciaio inossidabile o chiamando un modulo “tipo camera bianca”. Il comportamento delle particelle dipende dal sistema di movimento completo e da come è integrato nella macchina.

Aree di progettazione importanti includono:

• Particelle generate dal contatto volvente e strisciante
• Migrazione o evaporazione del lubrificante
• Usura delle guarnizioni e dei tergicristalli
• Generazione di particelle da nastri, cavi e catene portacavi
• Corrosione e trattamento superficiale
• Flusso d'aria attorno all'asse in movimento
• Procedure di pulizia e manutenzione

La classe di camera bianca dovrebbe essere trattata come un requisito dell'attrezzatura

Il livello di pulizia richiesto deriva dal processo dei semiconduttori e dall'ambiente pulito in cui funzionerà l'apparecchiatura. Un componente di movimento dovrebbe quindi essere valutato come parte della macchina finale piuttosto che presumere che soddisfi i requisiti di pulizia derivanti dal solo tipo di azionamento.

La lubrificazione deve supportare sia la durata che la pulizia

Le guide lineari e le viti a ricircolo di sfere necessitano di una lubrificazione adeguata, ma le pratiche di lubrificazione industriale convenzionali potrebbero non essere sempre appropriate in ambienti puliti e delicati.

La selezione potrebbe dover considerare:

• Generazione di particelle
• Bassa volatilità
• Requisiti di degassamento ove applicabile
• Compatibilità di materiali e guarnizioni
• Stabilità della lubrificazione a lungo termine
• Quantità di applicazione controllata

La scarsa lubrificazione può aumentare l'attrito e l'usura, mentre la lubrificazione eccessiva può creare resistenza e migrazione eccessiva del grasso. È necessario selezionare il lubrificante e il metodo di manutenzione corretti per il modulo effettivo e l'ambiente di produzione pulito.

Perché i moduli motore lineari sono interessanti negli assi a semiconduttore ad alta dinamica

Un motore lineare genera forza direttamente senza vite a ricircolo di sfere, cinghia dentata o trasmissione a pignone e cremagliera. Ciò rimuove diversi elementi meccanici che possono introdurre gioco, cedevolezza della trasmissione e usura.

I potenziali vantaggi includono:

• Nessun gioco di trasmissione a vite o cinghia
• Elevata capacità di accelerazione
• Capacità ad alta velocità
• Inversione rapida di direzione
• Compatibilità diretta con feedback lineare ad alta risoluzione
• Ridotta usura della trasmissione meccanica

Queste caratteristiche possono rendere i moduli ad azionamento diretto interessanti per l'ispezione, l'allineamento e altri assi di precisione ad alta dinamica.

Ma l’azionamento diretto non è automaticamente la soluzione migliore

I motori lineari richiedono un'attenta gestione termica, progettazione del feedback, gestione dei cavi e servocontrollo. Possono anche costare più dei sistemi a vite o a cinghia.

La scelta corretta dipende dal fatto se il processo benefici effettivamente della capacità dinamica e di posizionamento aggiuntiva.

Dove i moduli con viti a ricircolo di sfere hanno ancora senso

Moduli lineari con viti a ricircolo di sfererimangono utili nelle apparecchiature a semiconduttore quando l'applicazione richiede un azionamento meccanico compatto, rigido ed efficiente.

Possono essere adatti per:

• Assi di posizionamento di precisione
• Sollevamento dell'asse Z
• Allineamento a corsa moderata
• Regolazione dell'utensile
• Stazioni di processo in cui è utile la spinta controllata

Per le applicazioni di semiconduttori di precisione, è necessario valutare insieme la precisione del passo della vite, il precarico, il supporto del cuscinetto, la lubrificazione e la crescita termica.

Dove i moduli cinghia di distribuzione possono essere utili

Moduli cinghia di distribuzionesono particolarmente adatti per compiti di trasferimento a corsa più lunga in cui l'elevata velocità lineare e la bassa massa in movimento sono più importanti dell'elevata precisione di posizionamento assoluta.

I possibili usi includono:

• Trasferimento di riviste o vassoi
• Carico e scarico
• Trasferimento di materiale ad asse lungo
• Movimentazione periferica al di fuori della zona del processo più sensibile

Nelle applicazioni di produzione pulite, il materiale del nastro, il comportamento delle particelle, l'allineamento delle pulegge e la progettazione della custodia richiedono ulteriore attenzione.

La precisione è un requisito a livello di sistema

Uno stadio lineare di precisione a semiconduttore può ottenere prestazioni stabili solo se viene controllato il budget di errore completo.

La ripetibilità da sola non è sufficiente

I macchinari per semiconduttori spesso richiedono diverse specifiche di movimento contemporaneamente.

Per esempio:

• Ripetibilitàdetermina se la fase ritorna costantemente allo stesso obiettivo.
• Precisione di posizionamentodetermina se la posizione effettiva corrisponde alla coordinata comandata.
• Rettilineitàdescrive l'errore del percorso laterale o verticale.
• Beccheggio e imbardatadescrivere il cambiamento angolare durante il viaggio.
• Tempo di assestamentodetermina la velocità con cui l'asse diventa sufficientemente stabile per la fase successiva del processo.

Una fase di ispezione e una fase di trasferimento possono quindi richiedere criteri di accettazione completamente diversi anche se entrambe vengono descritte come “assi di precisione”.

La stabilità termica diventa più importante man mano che aumenta la precisione

Le apparecchiature a semiconduttore spesso funzionano per lunghi periodi, quindi il sistema di movimento può passare da un avvio a freddo a una temperatura operativa stabile.

Il calore può provenire da:

• Servomotori
• Bobine di motori lineari
• Attrito della vite a ricircolo di sfere e della guida
• Azionamenti ed elettronica
• Apparecchiature di processo nelle vicinanze

Le variazioni di temperatura possono alterare la lunghezza effettiva della base, della vite, del riferimento dell'encoder e della struttura della macchina. Man mano che gli errori meccanici si riducono, questi effetti termici possono diventare una quota maggiore dell’errore di posizionamento totale.

Controlli termici pratici

• Separare le principali fonti di calore dai riferimenti di precisione
• Utilizzare procedure di riscaldamento della macchina ripetibili
• Mantenere condizioni ambientali stabili ove richiesto
• Considerare strutture a bassa espansione per le fasi critiche
• Utilizzare la calibrazione o la compensazione quando appropriato

Le vibrazioni e il tempo di assestamento influiscono direttamente sulla produttività

Un asse ad alta velocità non è necessariamente un asse ad alta produttività.

Se il modulo raggiunge rapidamente il suo obiettivo ma la testa di collegamento o la fotocamera continua a vibrare, il processo deve attendere prima di poter iniziare il posizionamento o la misurazione.

Le prestazioni di assestamento dipendono da:

• Massa in movimento
• Rigidità strutturale
• Sporgenza dell'utensileria
• Messa a punto del motore e dell'azionamento
• Profilo di movimento
• Precarico guida
• Dinamica della base e del telaio

Per le apparecchiature a semiconduttore a ciclo elevato, l'ottimizzazione del tempo di movimento senza misurare il tempo di assestamento può produrre una progettazione meccanica errata.

La gestione dei cavi fa parte del movimento di precisione

Cavi, tubi a vuoto, linee aeree e cablaggi di sensori si muovono con molti assi di semiconduttori. Il loro effetto è spesso sottovalutato.

Un percorso via cavo mal progettato può:

• Aggiungi una forza di trascinamento variabile
• Creare un carico laterale sul carrello
• Genera particelle attraverso ripetute flessioni
• Trasmette la vibrazione al palco
• Limita la corsa utilizzabile

Per le apparecchiature sensibili, le catene portacavi e i servizi flessibili dovrebbero essere inclusi nell'analisi del carico, della pulizia e del movimento fin dall'inizio.

Gli stadi di semiconduttori multiasse necessitano di un dimensionamento gerarchico

I sistemi di movimentazione, ispezione e incollaggio dei wafer utilizzano spesso strutture XY, XYZ o a portale.

In un sistema impilato, l'asse inferiore trasporta l'asse superiore, il motore, i sensori, gli utensili e il carico del processo. Pertanto gli assi X e Y possono richiedere portate molto diverse anche se le loro corse sono simili.

Regola di dimensionamento multiasse:iniziare dallo strumento di processo e procedere verso l'esterno. Ciascun asse inferiore deve includere la massa e il carico dinamico di tutto ciò che è montato sopra di esso.

La selezione del feedback dipende da cosa deve essere controllato

Gli encoder motore sono sufficienti per molte applicazioni di trasferimento e posizionamento, ma gli stadi di precisione più esigenti possono trarre vantaggio dal feedback lineare diretto.

Feedback lato motore

Il controller stima la posizione lineare dalla rotazione del motore e dal rapporto di trasmissione. È compatto e ampiamente utilizzato, ma gli errori tra il motore e il carrello potrebbero non essere misurati direttamente.

Feedback su scala lineare

Una scala lineare misura la posizione del carrello in modo più diretto e può ridurre la dipendenza dalla precisione del passo della vite, dall'elasticità della cinghia o dal comportamento del cambio.

La bilancia stessa necessita ancora di un'installazione accurata, stabilità termica e supporto del controller adeguato.

L'affidabilità è importante perché i tempi di inattività sono costosi

Un sistema di movimento a semiconduttore deve mantenere precisione e pulizia per un gran numero di cicli, non solo durante i test di accettazione iniziali.

L’affidabilità a lungo termine dipende da:

• Corretto dimensionamento del carico e del momento
• Accelerazione controllata
• Lubrificazione stabile
• Protezione dalla contaminazione
• Durata del cavo
• Ripetibilità del sensore
• Gestione termica
• Manutenzione preventiva

Le tendenze delle condizioni come la coppia del servo, la corrente del motore, le vibrazioni e la temperatura possono aiutare a identificare i cambiamenti prima che diventino guasti alla produzione.

Domande a cui rispondere prima di selezionare un modulo lineare a semiconduttore

1. Qual è la funzione del processo?Trasferimento, incollaggio, ispezione, allineamento o caricamento?
2. Cosa deve muoversi?Include l'effettore finale completo, i cavi, i tubi e gli assi superiori.
3. Quanto velocemente deve essere completato il processo?Separare il tempo di movimento dal tempo di assestamento.
4. Quali metriche di precisione contano?Ripetibilità, precisione assoluta, rettilineità, errore angolare o stabilità della scansione?
5. Quali requisiti di pulizia si applicano?Valutare il modulo completo e l'ambiente della macchina.
6. Quale metodo di feedback è richiesto?Encoder motore o riga lineare diretta?
7. Quanto deve essere stabile la temperatura?Considerare sia il calore della macchina che la variazione ambientale.
8. Qual è il ciclo di lavoro previsto?Gli assi dei semiconduttori ad alto ciclo necessitano di una pianificazione della vita utile e della manutenzione.
9. Come si muoveranno cavi e servizi?Include trascinamento, generazione di particelle e instradamento.
10. Come verrà validata la tappa?Definire il metodo di misurazione prima dell'accettazione finale.

Scelta del tipo di azionamento in base al task di movimento del semiconduttore

Questi sono punti di partenza, non regole fisse. La scelta finale dipende dalla corsa, dal carico utile, dalla precisione del processo, dall'ambiente pulito, dalla progettazione termica e dai costi.

Di cosa ha bisogno QRXQ per valutare un'applicazione di semiconduttori

Per una raccomandazione utile, fornire:

• Funzione di processo: movimentazione, incollaggio, ispezione, allineamento o trasferimento dei wafer
• Colpo richiesto
• Massa in movimento e baricentro
• Massima velocità e accelerazione
• Spostare il tempo e l'obiettivo del tempo di assestamento
• Requisiti di precisione e ripetibilità del posizionamento
• Rettilineità o precisione angolare, se rilevante
• Requisito dell'ambiente pulito
• Intervallo di temperatura e requisiti di stabilità termica
• Preferenza motoria e di feedback
• Ciclo di lavoro giornaliero
• Disegno della struttura o dell'attrezzatura multiasse

Per il movimento dei semiconduttori, l'“alta precisione” non è una specifica completa.La specifica utile è una combinazione di precisione del movimento, comportamento di assestamento, pulizia, stabilità termica e ripetibilità a lungo termine nel punto di processo effettivo.

QRXQ valuta le applicazioni dei moduli lineari a semiconduttore abbinando il compito di movimento alla struttura dell'azionamento e quindi controllando precisione, pulizia, prestazioni dinamiche e integrazione come un unico sistema.