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ACS運動控制在晶圓檢測運動平臺的應(yīng)用！

集中化自動控制帶來的性能提升和成本降低

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)推進在更大晶圓上放置更小的芯片，這樣盡可能提高晶圓檢驗速度變得更為重要。一些高級運動控制器廠商通過集中化自動控制手段有能力為OEM廠商提供優(yōu)質(zhì)快速晶圓檢測解決方案。本文我們將討論怎樣運用高性能運動控制技術(shù)及現(xiàn)有的診斷工具為OEM廠商提高設(shè)備性能、降低成本。

目前，OEM廠商在下一代高性能電子束晶圓刻片檢測設(shè)備應(yīng)滿足的核心需求方面達成以下共識：（1）高分辨率的位置反饋；（2）極小的靜態(tài)位置和勻速抖動；（3）能夠與Windows和Unix操作系統(tǒng)的PC機通訊。

由于受成本及zui小產(chǎn)品上市時間的限制，OEM廠商往往選擇標準控制組件通過變換配置方案組成控制系統(tǒng)滿足客戶應(yīng)用需求。

*分辨率的位置反饋對OEM廠商來說是非常重要的。先前的設(shè)備通常使用標準的直線編碼器，但是這種編碼器受限于位置分辨率的精度。例如：一個20微米線性刻度模擬量編碼器經(jīng)過12位分辨率的細分后僅僅能達到4.88納米的精度。直線編碼器也埋在位置平臺的里面，這意味著當(dāng)精確探測到待機位置時, 它們會導(dǎo)入一個誤差當(dāng)目標是想知道負載的位置.這部分誤差對于多數(shù)應(yīng)用可以忽略，但對于精度要求很高的OEM設(shè)備來說，它是很大的。

激光干涉反饋裝置：

為了解決上述問題，OEM廠商決定在下一代設(shè)備上應(yīng)用激光干涉儀。激光干涉儀憑借位置檢測方面*的分辨率成為高精度的運動控制應(yīng)用zui終的位置反饋裝置。在這種應(yīng)用中，一個波長為632nm，同樣12位分辨率的氦氖激光器zui終的檢測精度達到0.04納米，而且直接測的是負載的位置，消除了直線編碼器引入的誤差。

ACS Fech80  SPiipc/spiiplus PCI Breakout BOX供應(yīng)但是激光干涉儀不可避免具有一定的局限性。*個局限性就是激光干涉儀是嚴格的增量測量裝置，沒有回零參考位置，因此會在設(shè)備回零動作時出現(xiàn)一些問題；第二個局限性就是當(dāng)為了提高精度測量負載的位置時就會減小伺服系統(tǒng)的帶寬及穩(wěn)定性，特別是剛性不足的臺子，這是因為在反饋是電機時，機構(gòu)共振具有相位超前的特點，此時系統(tǒng)比較容易被整定，當(dāng)反饋是在負載時，機構(gòu)共振具有相位滯后的特點，此時系統(tǒng)難以被整定。圖1 顯示一個實際系統(tǒng)的Bode圖，描述了在激光干涉儀反饋下和編碼器反饋下頻率響應(yīng)（以虛線和實線加以區(qū)分）。另外，電機換向的不精確也是因為這個原因。第三個局限性為激光干涉儀會花費很大的成本在反射鏡片上，短小的反射鏡片會降低成本但是也降低了整個測量范圍，同時，它也容易阻擋激光束的傳播而造成反饋丟失，這樣帶來的問題是當(dāng)電機高速運動并且摩擦力很小時，系統(tǒng)會因誤差超限使電機掉使能，從而導(dǎo)致電機硬件停止。

為了發(fā)揮激光干涉儀全部的優(yōu)點且擺脫上述局限性，OEM廠商zui終決定用激光干涉儀和直線編碼器的雙反饋測量裝置（如圖2）。MC4U是一款專門為OEM廠家解決上述問題的控制器，它可以使設(shè)備運行在編碼器反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)、激光干涉儀反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)、激光干涉儀提供位置反饋而編碼器提供速度反饋的雙閉環(huán)系統(tǒng)（所有模式使用直線編碼器換向），而且即使電機在運行中也允許用戶通過開關(guān)實時快速切換反饋模式。

此種模式并沒有帶來回零的問題，這是因為直線編碼器的index為回零參考位置提供足夠的精度和重復(fù)定位精度。MC4U具有高級調(diào)試工具可應(yīng)對較復(fù)雜的

調(diào)試過程，同時能夠?qū)崟r快速改變調(diào)試參數(shù)以適應(yīng)不同反饋模式的變換。由于總是根據(jù)直線編碼器不斷的刷新，因此沒有電機換向的問題。激光束被阻擋導(dǎo)致的測量受限及電機安全的問題，可以通過快速切換反饋模式得以解決，如當(dāng)電機移動至激光測量范圍之外時可切換為直線編碼器反饋的單閉環(huán)模式。

(0.27S以后，反饋從編碼器切換為激光干涉儀，曲線為靜態(tài)位置誤差，Y軸刻度為10nm/division)

   編碼器反饋與激光干涉儀反饋性能對比如圖3所示，曲線為靜態(tài)位置誤差，Y軸刻度為10nm/division。在曲線的起始階段為編碼器反饋，它給出大概有±20nm的位置抖動，大概0.3s以后，通過快速開關(guān)把當(dāng)前反饋模式切換為激光干涉儀反饋模式后，位置抖動明顯減小為<±5nm。

OEM廠商可使用的調(diào)試工具有頻率響應(yīng)函數(shù)分析工具（FRF），可生成系統(tǒng)響應(yīng)Bode圖。這工具允許OEM廠商準確判定機電設(shè)備系統(tǒng)信號模型（也就是傳遞函數(shù)），這樣可方便通過添加合適濾波器去控制系統(tǒng)響應(yīng)的相位超前或滯后。

*的運動控制系統(tǒng)可通過使晶圓運送系統(tǒng)自動化來優(yōu)化半導(dǎo)體制造商的生產(chǎn)和提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。通常系統(tǒng)會采用輕量化和短距離機器人加入生產(chǎn)流水線，直線移動從一臺設(shè)備搬運晶圓至另一臺。

設(shè)計此類控制解決方案zui主要挑戰(zhàn)是：

（1）   實時的動力學(xué)模型數(shù)據(jù)計算。電機運動坐標系和晶圓運動坐標系是不同的，控制器需要實時計算復(fù)雜的動力學(xué)方程，使晶圓目標運動位移變換為各個電機軸的轉(zhuǎn)動量。

（2）   機器人移動軸布線zui輕量化，使得自身重量zui小化。

（3）   可擴展性：在不影響基本性能的基礎(chǔ)上添加外部軸和IO數(shù)量的能力。

對受上述限制的系統(tǒng)來說，全集成型控制器技術(shù)效果是不理想的，因為控制器、驅(qū)動和電機之間有太多、太重的線纜需要連接。太長的電機線纜容易遭受EMI噪音干擾，從而明顯的降低綜合控制性能。相反，一種快速EtherCAT現(xiàn)場總線技術(shù)能夠很好解決這個問題（其他總線技術(shù)，像CANOPEN、DeviceNet不能夠滿足此通訊網(wǎng)絡(luò)巨大的信息吞吐量），它有一個安裝在主控制機柜小型Master控制器和一些安裝在移動機器人上輕量化Slave驅(qū)動器組成。*的通訊線纜只需在Master控制器和Slave驅(qū)動器之間安裝，這樣能夠減小EMI噪音的干擾和較少移動系統(tǒng)的重量。這種解決方案也具有可擴展性，能夠方便的為外部運輸設(shè)備模塊添加外部軸驅(qū)動和IO。

結(jié)論：經(jīng)濟衰退導(dǎo)致集成電路生產(chǎn)工藝過程都在加強成本控制，OEM廠家肩負更大責(zé)任在提供性能更*的檢測設(shè)備同時降低成本。因此，只有高性能的運動控制產(chǎn)品才有能力使OEM廠商實現(xiàn)集中化自動控制并且達到更高的性能。運動控制系統(tǒng)不僅為半導(dǎo)體OEM廠商提供更高性能，而且通過利用現(xiàn)有組件及更高的控制技術(shù)和診斷工具來降低成本。

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