微奈米運動平台核心技術

作者:

陳金聖

刊登日期:2022/06/28

前言
近年來由於全球晶片短缺且新型冠狀病毒疫情所衍伸的居家辦公以及遠距上班型態,使得各式消費性電子產品需求大增,然而卻因為疫情所導致的工廠停工,零件庫存耗盡等因素,造成全球半導體產業面臨供應危機。同時,由於中美貿易戰的爆發,美國商務部對中國最大的晶圓代工廠進行制裁,使得許多美國公司必須將訂單轉向其他晶片製造商,如台積電或三星等公司。因應大量的晶片訂單需求,晶片製造商亦需要大量半導體設備來完成晶片製造程序,製造與維護半導體設備需要先進與強大的光學、電子、機械與控制工業基礎技術,前段曝光機目前世界上僅有少數廠商掌握以上技術,如荷蘭商艾斯摩爾、美商應用材料以及日商的佳能與尼康等公司,目前各晶片製造商都仰賴以上廠商進口曝光機設備。

雖然半導體前段製程的設備被美、日及歐洲廠商壟斷,但是整個電子設備領域還是有很大的區塊值得臺灣投入,2020年臺灣電子設備產值達到3,246億台幣,是政府需要更重視且有政策的協助發展[1],目前臺灣電子設備暨零組件廠商佈局半導體製造、封裝測試、次世代顯示器、智慧製造系統等高科技生產設備暨零組件廠商愈來愈多,設備自主率也逐年提升,如何建立完整的生態系與產業聚落攸關臺灣電子產業長期的競爭力,其中,微奈米級運動平台為臺灣電子業落實先進製程設備研發本土化之關鍵技術。

雷射干涉儀回授技術
雷射干涉儀系統是由雷射源及特殊光學鏡組所組成[2],雷射光源由雷射頭激發,通過基座以及量測物件上所安裝的光學鏡組,透過分析雷射光相位的變化來量測物件的位移量。雷射干涉儀是利用光波動的特性,將雷射源1透過鏡組分為兩組強度相同的光,參考訊號2及量測訊號3,量測訊號經過安裝在測量物件上的鏡組反射,再透過鏡組使參考訊號及量測訊號重合為光束4,兩道雷射行徑距離的差異會使兩道雷射存在相位差,破壞性干涉及建設性干涉的循環,使得結合光強度出現週期性變化,週期為半個雷射波長,根據以上特性,量測訊號及參考訊號的關係式表示為

(1)(2)(3)

其中Iro Imo為背景光強, rrrm 為信號對比度, △v=v1 - v2,Φ為參考訊號及量測訊號的相位差,根據(1)、(2)及(3),且光波長λ已知的情況下,可以計算物體的位移量 V


雷射干涉儀誤差分析
根據雷射干涉儀原理如圖1所示,雷射波長已知的情況下可計算出受測物的位移量,然而在實際應用中,雷射的波長並非定值,容易受到外部干擾影響,為了確保干涉儀位置回授的正確性,將針對誤差來源進行分析,干涉儀量測的誤差來源主要分為環境變因、振動干擾以及幾何誤差。

圖1 雷射干涉儀原理

 

1.環境變因
在真空狀態下,He-Ne雷射光的波長為632.9913 nm,但是以空氣作為介質的傳遞中,波長會因為溫度、濕度、壓力的變化而改變,影響干涉儀量測的準確性,表1顯示環境變化對干涉儀量測的影響。

2.振動干擾
結構振動的影響,是雷射干涉儀主要的誤差來源,當光學鏡受到振動,平行於量測軸方向的振動會直接影響量測出的位移量,因此光學鏡組必須隔離振動源,平台可透過阻尼震動器及空氣軸承等組件將振動與光學鏡組隔離,來避免量測系統受環境振動影響。

3.幾何誤差
在雷射干涉儀量測系統中,光路在架設時可能因為人工組裝的幾何誤差,導致量測軸跟雷射軸之間,存在一個夾角θ,則量測出的結果(LS)與實際馬達位移(LD)會產生量測系統中的餘弦誤差(Cos error)δC ,餘弦誤差的示意圖如圖2。
除了餘弦誤差之外,在位置回授量測的系統應用中,無可避免的會因為阿貝誤差(Abbe error)產生量測失真,阿貝誤差產生的原因是因為移動軸導軌與量測軸具有偏擺角,而以雷射干涉儀量測位移,最大的優點是反射鏡可以直接擺放在量測物件中心,大幅減少阿貝誤差的產生,在本文所使用的干涉儀系統中,反射鏡裝設於平台表面,對於運動回授系統,反而造成誤差的產生,運動軸及量測軸的側視圖如圖3所示,並定義量測軸與運動軸之間的距離為L,阿貝誤差為δα

圖2 餘弦誤差

…本文未結束

更完整的內容 歡迎訂購 2022年7月號 472期
機械工業雜誌‧每期220元‧一年12期2200元

我要訂購