视频来源：newway
空气轴承因其精度高、无摩擦、能在极端条件下运行等特点，已成为半导体制造行业必不可少的技术。半导体工艺要求高精度和最小污染，而空气轴承的独特特性则为半导体工艺带来了巨大好处。
1. 空气轴承的原理
空气轴承的工作原理是在两个表面之间形成一层薄薄的压缩空气膜，消除它们之间的直接接触。该气垫支撑负载，使运动几乎无摩擦。与依赖润滑剂和表面接触的传统机械轴承不同，空气轴承提供了一种清洁、非接触的替代方案，可显著减少磨损、振动和发热。这种特性为空气轴承提供了用于精密定位和高速应用的独特优势.
该技术依赖于持续供应清洁的压缩空气。这种空气流过专门设计的多孔材料或小孔，形成均匀的压力场，可支撑相当大的负载。没有机械接触意味着空气轴承不会磨损，这对于需要长寿命和最低限度维护的应用至关重要。
空气轴承的液膜是通过提供气流穿过轴承面并进入轴承和引导表面之间的间隙来实现的。轴承面的作用是限制或计量进入间隙的空气流量（图 1）。这种限制的设计使得通过间隙的空气流出量等于通过轴承表面的流入量，从而形成恒定的流体膜层。同样的限制可维持轴承下方的压力并充当承载表面。如果空气不受限制地引入间隙，则飞行高度和空气消耗量都将高于所需的值，并且刚度将低于通过适当限制所能达到的刚度。这种限制称为空气轴承补偿，用于优化每个单独应用的负载、升力和刚度方面的轴承。
空气轴承的分类：平面式和旋转式
旋转式对气流的要求最低，并且消耗的空气量远不及平面板式空气轴承技术。如果气流出现任何干扰，多孔介质的逐渐减压可以实现温和着陆，避免损坏轴承或转子表面.且可达亚微米同步误差运动，同时完全消除异步误差。
2. 空气轴承在半导体设备中的技术表现
高精度和稳定性：空气轴承可实现微米甚至亚微米的定位精度，这对于光刻、晶圆检测和半导体制造的其他阶段等工艺至关重要，因为在这些工艺中对准和运动精度至关重要。这是因为空气轴承能够消除摩擦，并提供比传统机械系统更平稳、更一致的运动控制。
减振：消除物理接触可显著减少振动，这在即使是轻微的干扰也会影响工艺精度的环境中至关重要。这使得空气轴承在半导体设备等高精度工艺中特别有用。
减少维护：由于空气轴承运行时没有机械磨损，因此它们所需的维护远少于传统滚珠轴承。这使它们成为洁净室等环境的理想选择，在这些环境中，维护中断可能导致昂贵的停机时间和污染风险。
洁净室兼容性：空气轴承非常适合洁净室环境，因为它们不需要可能导致污染的润滑剂。在半导体制造中，即使是微小的颗粒也会毁掉整批晶圆，因此没有润滑剂和磨损颗粒是一个很大的优势。
使用寿命长：由于没有物理磨损，空气轴承的使用寿命比传统轴承更长。这种使用寿命可以节省成本并增加机器正常运行时间，这两者在高需求的半导体制造领域都至关重要。
3. 空气轴承在半导体制造中的应用
晶圆加工设备：空气轴承通常用于晶圆阶段，其中晶圆的精确定位至关重要。这些阶段需要在光刻、蚀刻和沉积等过程中能够在多个轴上平稳准确地移动晶圆。空气轴承允许高速、精确运动，而不会产生污染或磨损的风险，这对于这些过程至关重要。
先进封装设备：空气轴承提供极其平稳和精确的运动，例如针对热压键合时芯片的准确放置至关重要。空气轴承的非接触性质可最大限度地减少振动，确保稳定的对准和压力控制。且空气轴承中没有机械接触，消除了摩擦，减少了机器部件的磨损。这在 TCB 设备的高温环境中尤其有益，传统轴承可能会因热膨胀而更快地退化。
量测设备：在半导体检测设备中，空气轴承提高了扫描和定位阶段的运动精度。晶圆检测需要检测出极小的缺陷，即使是最小的振动也会导致不准确的结果。空气轴承提供无振动运动的能力在这种情况下是尤其重要。
晶圆切割：在涉及钻孔或切割的工艺中，空气轴承主轴提供高速、精确的旋转。这在半导体材料中创建微孔和特征时尤为重要，传统轴承会很快磨损或引入不可接受的振动和误差水平 。
其他高端领域设备：在自动化半导体制造系统中，空气轴承用于机械臂，用于晶圆处理和封装等任务。
4.技术总结：
先进的多孔介质轴承：半导体制造中的许多空气轴承系统现在都使用先进的多孔材料来更均匀地分配空气。这可以提高负载能力、使运动更平稳，并更好地控制气流。这些多孔空气轴承非常适合光刻和晶圆检查等高精度应用，在这些应用中，即使是最小的不规则也会影响性能。
与自动化集成：现代半导体制造厂严重依赖自动化来提高产量并减少人工干预。空气轴承在自动化过程中发挥着关键作用，为全自动系统提供所需的精度和可靠性。从处理晶圆的机械臂到组装中使用的高速运动系统，空气轴承对于保持自动化所需的速度和精度至关重要 。
虽然空气轴承具有许多优点，但也存在挑战：
压缩空气供应：空气轴承需要持续供应清洁、干燥的空气。空气供应中的任何污染物（如颗粒或水分）都会干扰轴承的运行，导致不稳定甚至故障。确保可靠、高质量的空气供应会给使用空气轴承的系统增加额外的复杂性和成本。
成本：空气轴承系统的实施成本通常高于传统机械轴承。空气供应基础设施的成本、部件的精密加工以及与现有设备的集成对于某些应用来说可能是高昂的。但是，减少维护和停机时间方面的长期收益可以抵消这些初始成本。
负载能力有限：虽然空气轴承可以承受较大的负载，但与某些传统机械系统相比，它们确实存在局限性。在需要支撑极重部件的应用中，机械轴承可能仍然是首选。
本文参考来源：https://www.ibspe.com
https://www.newwayairbearings.com
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