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ACS運動控制在晶圓檢測運動平臺的應用！

集中化自動控制帶來的性能提升和成本降低

隨著半導體產業持續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廠商提供優質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及現有的診斷工具為OEM廠商提高設備性能、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備應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）極小的靜態位置和勻速抖動；（3）能夠與Windows和Unix操作系統的PC機通訊。

由于受成本及zui小產品上市時間的限制，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滿足客戶應用需求。

*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，這意味著當精確探測到待機位置時, 它們會導入一個誤差當目標是想知道負載的位置.這部分誤差對于多數應用可以忽略，但對于精度要求很高的OEM設備來說，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備上應用激光干涉儀。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用zui終的位置反饋裝置。在這種應用中，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，因此會在設備回零動作時出現一些問題；第二個局限性就是當為了提高精度測量負載的位置時就會減小伺服系統的帶寬及穩定性，特別是剛性不足的臺子，這是因為在反饋是電機時，機構共振具有相位超前的特點，此時系統比較容易被整定，當反饋是在負載時，機構共振具有相位滯后的特點，此時系統難以被整定。圖1 顯示一個實際系統的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（以虛線和實線加以區分）。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電機高速運動并且摩擦力很小時，系統會因誤差超限使電機掉使能，從而導致電機硬件停止。

為了發揮激光干涉儀全部的優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，它可以使設備運行在編碼器反饋的單閉環系統、激光干涉儀反饋的單閉環系統、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系統（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定位精度。MC4U具有高級調試工具可應對較復雜的

調試過程，同時能夠實時快速改變調試參數以適應不同反饋模式的變換。由于總是根據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，通過快速開關把當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廠商可使用的調試工具有頻率響應函數分析工具（FRF），可生成系統響應Bode圖。這工具允許OEM廠商準確判定機電設備系統信號模型（也就是傳遞函數），這樣可方便通過添加合適濾波器去控制系統響應的相位超前或滯后。

*的運動控制系統可通過使晶圓運送系統自動化來優化半導體制造商的生產和提高生產線的生產能力。通常系統會采用輕量化和短距離機器人加入生產流水線，直線移動從一臺設備搬運晶圓至另一臺。

設計此類控制解決方案zui主要挑戰是：

（1）   實時的動力學模型數據計算。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雜的動力學方程，使晶圓目標運動位移變換為各個電機軸的轉動量。

（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上添加外部軸和IO數量的能力。

對受上述限制的系統來說，全集成型控制器技術效果是不理想的，因為控制器、驅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現場總線技術能夠很好解決這個問題（其他總線技術，像CANOPEN、DeviceNet不能夠滿足此通訊網絡巨大的信息吞吐量），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驅動器組成。*的通訊線纜只需在Master控制器和Slave驅動器之間安裝，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備模塊添加外部軸驅動和IO。

結論：經濟衰退導致集成電路生產工藝過程都在加強成本控制，OEM廠家肩負更大責任在提供性能更*的檢測設備同時降低成本。因此，只有高性能的運動控制產品才有能力使OEM廠商實現集中化自動控制并且達到更高的性能。運動控制系統不僅為半導體OEM廠商提供更高性能，而且通過利用現有組件及更高的控制技術和診斷工具來降低成本。

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