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ACS运动控制在晶圆检测运动平台的应用！

集中化自动控制带来的性能提升和成本降低

随着半导体产业持续推进在更大晶圆上放置更小的芯片，这样尽可能提高晶圆检验速度变得更为重要。一些高级运动控制器厂商通过集中化自动控制手段有能力为OEM厂商提供优质快速晶圆检测解决方案。本文我们将讨论怎样运用高性能运动控制技术及现有的诊断工具为OEM厂商提高设备性能、降低成本。

目前，OEM厂商在下一代高性能电子束晶圆刻片检测设备应满足的核心需求方面达成以下共识：（1）高分辨率的位置反馈；（2）极小的静态位置和匀速抖动；（3）能够与Windows和Unix操作系统的PC机通讯。

由于受成本及zui小产品上市时间的限制，OEM厂商往往选择标准控制组件通过变换配置方案组成控制系统满足客户应用需求。

*分辨率的位置反馈对OEM厂商来说是非常重要的。先前的设备通常使用标准的直线编码器，但是这种编码器受限于位置分辨率的精度。例如：一个20微米线性刻度模拟量编码器经过12位分辨率的细分后仅仅能达到4.88纳米的精度。直线编码器也埋在位置平台的里面，这意味着当精确探测到待机位置时, 它们会导入一个误差当目标是想知道负载的位置.这部分误差对于多数应用可以忽略，但对于精度要求很高的OEM设备来说，它是很大的。

激光干涉反馈装置：

为了解决上述问题，OEM厂商决定在下一代设备上应用激光干涉仪。激光干涉仪凭借位置检测方面*的分辨率成为高精度的运动控制应用zui终的位置反馈装置。在这种应用中，一个波长为632nm，同样12位分辨率的氦氖激光器zui终的检测精度达到0.04纳米，而且直接测的是负载的位置，消除了直线编码器引入的误差。

ACS Fech80  SPiipc/spiiplus PCI Breakout BOX供应但是激光干涉仪不可避免具有一定的局限性。*个局限性就是激光干涉仪是严格的增量测量装置，没有回零参考位置，因此会在设备回零动作时出现一些问题；第二个局限性就是当为了提高精度测量负载的位置时就会减小伺服系统的带宽及稳定性，特别是刚性不足的台子，这是因为在反馈是电机时，机构共振具有相位超前的特点，此时系统比较容易被整定，当反馈是在负载时，机构共振具有相位滞后的特点，此时系统难以被整定。图1 显示一个实际系统的Bode图，描述了在激光干涉仪反馈下和编码器反馈下频率响应（以虚线和实线加以区分）。另外，电机换向的不精确也是因为这个原因。第三个局限性为激光干涉仪会花费很大的成本在反射镜片上，短小的反射镜片会降低成本但是也降低了整个测量范围，同时，它也容易阻挡激光束的传播而造成反馈丢失，这样带来的问题是当电机高速运动并且摩擦力很小时，系统会因误差超限使电机掉使能，从而导致电机硬件停止。

为了发挥激光干涉仪全部的优点且摆脱上述局限性，OEM厂商zui终决定用激光干涉仪和直线编码器的双反馈测量装置（如图2）。MC4U是一款专门为OEM厂家解决上述问题的控制器，它可以使设备运行在编码器反馈的单闭环系统、激光干涉仪反馈的单闭环系统、激光干涉仪提供位置反馈而编码器提供速度反馈的双闭环系统（所有模式使用直线编码器换向），而且即使电机在运行中也允许用户通过开关实时快速切换反馈模式。

此种模式并没有带来回零的问题，这是因为直线编码器的index为回零参考位置提供足够的精度和重复定位精度。MC4U具有高级调试工具可应对较复杂的

调试过程，同时能够实时快速改变调试参数以适应不同反馈模式的变换。由于总是根据直线编码器不断的刷新，因此没有电机换向的问题。激光束被阻挡导致的测量受限及电机安全的问题，可以通过快速切换反馈模式得以解决，如当电机移动至激光测量范围之外时可切换为直线编码器反馈的单闭环模式。

(0.27S以后，反馈从编码器切换为激光干涉仪，曲线为静态位置误差，Y轴刻度为10nm/division)

   编码器反馈与激光干涉仪反馈性能对比如图3所示，曲线为静态位置误差，Y轴刻度为10nm/division。在曲线的起始阶段为编码器反馈，它给出大概有±20nm的位置抖动，大概0.3s以后，通过快速开关把当前反馈模式切换为激光干涉仪反馈模式后，位置抖动明显减小为<±5nm。

OEM厂商可使用的调试工具有频率响应函数分析工具（FRF），可生成系统响应Bode图。这工具允许OEM厂商准确判定机电设备系统信号模型（也就是传递函数），这样可方便通过添加合适滤波器去控制系统响应的相位超前或滞后。

*的运动控制系统可通过使晶圆运送系统自动化来优化半导体制造商的生产和提高生产线的生产能力。通常系统会采用轻量化和短距离机器人加入生产流水线，直线移动从一台设备搬运晶圆至另一台。

设计此类控制解决方案zui主要挑战是：

（1）   实时的动力学模型数据计算。电机运动坐标系和晶圆运动坐标系是不同的，控制器需要实时计算复杂的动力学方程，使晶圆目标运动位移变换为各个电机轴的转动量。

（2）   机器人移动轴布线zui轻量化，使得自身重量zui小化。

（3）   可扩展性：在不影响基本性能的基础上添加外部轴和IO数量的能力。

对受上述限制的系统来说，全集成型控制器技术效果是不理想的，因为控制器、驱动和电机之间有太多、太重的线缆需要连接。太长的电机线缆容易遭受EMI噪音干扰，从而明显的降低综合控制性能。相反，一种快速EtherCAT现场总线技术能够很好解决这个问题（其他总线技术，像CANOPEN、DeviceNet不能够满足此通讯网络巨大的信息吞吐量），它有一个安装在主控制机柜小型Master控制器和一些安装在移动机器人上轻量化Slave驱动器组成。*的通讯线缆只需在Master控制器和Slave驱动器之间安装，这样能够减小EMI噪音的干扰和较少移动系统的重量。这种解决方案也具有可扩展性，能够方便的为外部运输设备模块添加外部轴驱动和IO。

结论：经济衰退导致集成电路生产工艺过程都在加强成本控制，OEM厂家肩负更大责任在提供性能更*的检测设备同时降低成本。因此，只有高性能的运动控制产品才有能力使OEM厂商实现集中化自动控制并且达到更高的性能。运动控制系统不仅为半导体OEM厂商提供更高性能，而且通过利用现有组件及更高的控制技术和诊断工具来降低成本。

ACS Fech80  SPiipc/spiiplus PCI Breakout BOX供应郭

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