대부분의 최신 반도체 리소그래피 시스템, 웨이퍼 검사 도구 및 고급{0}}3차원 측정 기계 내부 어딘가에는 거의 믿을 수 없을 것 같은 작업을 수행하는 구성 요소가 있습니다. 바로 몇 마이크론 두께의 공기막 위에 떠 있고 본질적으로 마찰 없이 움직이는 정밀 스테이지입니다. 화강암 에어 베어링의 작동 방식을 이해하고 - 특히 화강암이 선택되는 재료인 이유를 이해하면 - 초정밀 모션 제어가 실제로 어떻게 달성되는지에 대해 많은 설명이 됩니다.
기본 원리
에어베어링은 다공성 또는 오리피스 공급 표면을 통해 가압된 공기를 강제로 밀어내는 방식으로 작동하여 물리적으로 접촉할 수 있는 두 표면 사이에 얇고 연속적인 공기 쿠션을 생성합니다. 하중 - 스테이지, 스핀들, 이동 테이블 -은 문자 그대로 설계 및 하중 요구 사항에 따라 두께가 5~20미크론 사이인 이 공기막 위에 떠 있습니다.
움직이는 표면과 고정된 표면 사이에 물리적인 접촉이 없기 때문에 기계적 마찰도 없고 스틱-미끄러짐 현상도 없으며 본질적으로 마모도 없습니다. 이는 기존 기계식 베어링과는 근본적으로 다른 상황입니다. -아무리 잘-가공되어도 -항상 어느 정도의 마찰, 미세한 표면 불규칙성 및 작동 수명 동안 점진적인 마모가 발생합니다.
마찰과 스틱 미끄러짐이 없기 때문에 에어 베어링은 초정밀 포지셔닝에 매우 유용합니다.- 기계식 베어링은 매우 낮은 속도에서 또는 방향을 바꿀 때({3}} 스틱-슬립이라고 불리는 현상) 위치에서 작고 예측할 수 없는 점프를 나타내는 경향이 있습니다. 이는 정적 마찰과 운동 마찰 사이의 전환으로 인해 발생합니다. 대부분의 산업 응용 분야에서는 이는 관련이 없습니다. 나노미터 단위로 이동해야 하는 스테이지의 경우 위치 오류의 주요 원인이 될 수 있습니다.
화강암이 선호되는 베어링 표면인 이유
에어베어링은 이론적으로 다양한 편평하고 단단한 재료로 제작할 수 있지만 다음과 같은 몇 가지 이유로 인해 화강암은 고정밀 베어링 표면(베어링 웨이 또는 플래튼이라고도 함)의 표준 선택이-되었습니다.
시간이 지남에 따른 평탄도 안정성. 화강암은 가공된 금속에 비해 내부 응력이 매우 낮기 때문에(금속은 주조 및 기계 가공 과정에서 잔류 응력을 유지하므로 몇 달 또는 몇 년에 걸쳐 점진적이고 작은 치수 변화가 발생할 수 있음) 화강암 베어링 표면은 금속 등가물보다 훨씬 오랫동안 평탄도 사양을 유지하는 경향이 있습니다. 전체 성능 범위가 일관되고 제어된 간격을 유지하는 데 달려 있는 에어 베어링의 경우 이러한 안정성이 매우 중요합니다.
낮은 다공성, 제어 가능한 표면 마감. 베어링 표면은 균일한 공기막을 유지할 수 있을 만큼 매우 특정한 평탄도 및 거칠기(-)로 마감되어야 하지만 원치 않는 표면 효과를 유발할 정도로 매끄럽지는 않습니다. 화강암은 마감 중에 표면 변형이 발생하기 쉬운 많은 금속보다 더 예측 가능하게 필요한 사양에 맞게 연마하고 랩핑할 수 있습니다.
열 안정성. 마찬가지로화강암 기계 기지일반적으로 화강암의 상대적으로 낮고 예측 가능한 열팽창 계수는 주변 온도 변화가 있는 응용 분야의 위치 정확도와 직접적으로 관련된 금속 압반 -에서보다 작은 온도 변동에서도 베어링 간격이 더 일관되게 유지된다는 것을 의미합니다.
비자성-이며 전기적으로 불활성입니다. 반도체 및 전자 제품 제조 환경에서는 민감한 공정 근처에서 자기장과 전기 전도성을 피하는 것이 어려운 경우가 많습니다. 그래니트는 별도의 처리 없이도 이를 만족시킵니다.
화강암 에어베어링이 실제로 사용되는 곳
애플리케이션 목록은 현대 제조 및 검사 분야에서 가장 정밀한-부분을 둘러보는 것과 같습니다.
반도체 리소그래피 및 웨이퍼 검사 단계에서는 웨이퍼 전반에 걸쳐 기능을 올바르게 정렬하기 위해 나노미터 미만의 위치 지정 반복성이 필요합니다.
측정 프로브 또는 카메라가 자체 위치 오류 없이 넓은 이동 범위를 이동해야 하는 CMM(3차원 측정 기계) 및 광학/레이저{0}} 기반 측정 시스템입니다.
정밀 조립, 레이저 가공(펨토초 및 피코초 레이저 시스템), 광학 검사 장비에 사용되는 리니어 모터 스테이지 및 XY 테이블입니다.
기준 스테이지 자체가 테스트 중인 구성 요소보다 더 정확해야 하는 정밀 볼 스크류 및 선형 가이드 테스트 장비입니다.
알아둘 만한 가치가 있는-절충점
에어 베어링은 기계식 베어링보다 보편적으로 우수하지 않습니다. - 지속적이고 깨끗하며 조절된 압축 공기 공급이 필요하므로 시스템이 복잡해지고 지속적인 운영 비용이 발생합니다. 또한 일반적으로 동등한 기계식 베어링보다 단위 면적당 부하 용량이 낮으며 공기 공급 장치의 오염이나 손상이 즉시 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 나노미터 수준의 포지셔닝이 필요하지 않은 애플리케이션의 경우- 잘 설계된- 기계식 선형 가이드가 더 실용적이고 비용 효율적입니다.-
화강암 공기 베어링 시스템을 사용하기로 한 결정은 일반적으로 다음과 같은 간단한 질문으로 귀결됩니다. 응용 분야의 위치 공차 요구 사항이 기계식 베어링이 안정적으로 달성할 수 있는 수준보다 낮습니까? 그렇다면 일반적으로 에어베어링 시스템의 추가된 복잡성이 정당화됩니다. 공차 요구 사항이 더 중간 정도라면 기계적 솔루션이 더 경제적인 선택입니다.
테이크아웃
화강암 에어 베어링은 초정밀 엔지니어링이 하나의 획기적인 기술이 아닌 한 번에 하나씩 오류 원인을 제거하는 - 마찰, 스틱-슬립, 열 드리프트, 잔류 응력-을 어떻게 달성하는지 보여주는 좋은 예입니다. 에어베어링의 물리학은 수십 년 동안 이해되어 왔습니다. 현대 시스템이 나노미터{5}}수준의 성능을 달성하게 만드는 것은 그 아래 화강암 표면의 평탄함과 안정성에서 시작하여 기본 원리를 중심으로 모든 구성요소의 축적된 정밀도입니다.