探針測(cè)試臺(tái)X-Y工作臺(tái)電機(jī)控制

周 豪

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176；2.三河建華高科有限責(zé)任公司，河北 燕郊065201）

據(jù)SEMI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到52.2億美元，2021年將會(huì)達(dá)到56.1億美元。隨著國(guó)內(nèi)多家晶圓廠及實(shí)驗(yàn)室的建立，國(guó)內(nèi)探針臺(tái)市場(chǎng)規(guī)模2019年約為10.25億元，2022年將增長(zhǎng)到15.69億元。

半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展，使半導(dǎo)體產(chǎn)品的加工面積不斷縮小，復(fù)雜程度與日俱增，生產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)品所需的制造設(shè)備需要綜合運(yùn)用機(jī)械、光學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科技術(shù)，具有技術(shù)壁壘高、制造難度大及研發(fā)投入高等特點(diǎn)。探針臺(tái)屬于關(guān)鍵的半導(dǎo)體測(cè)試裝備，在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的多個(gè)環(huán)節(jié)起著重要作用，是晶圓廠和元器件封測(cè)企業(yè)的重要設(shè)備之一。隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)化探針臺(tái)搭配測(cè)試機(jī)能夠?qū)Τ鰪S晶圓的電氣參數(shù)、光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果評(píng)定上一道工序的工藝質(zhì)量，并指導(dǎo)下一道工序。

不論哪種類型的探針測(cè)試臺(tái)，X-Y工作臺(tái)都是其最核心的部件，工作臺(tái)步進(jìn)精度的高低直接關(guān)乎設(shè)備測(cè)試晶圓的種類及應(yīng)用場(chǎng)合，標(biāo)志著設(shè)備控制技術(shù)的優(yōu)劣。借助現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，X-Y工作臺(tái)控制技術(shù)也達(dá)到前所未有的水平，其中大尺寸晶圓300 mm（12英寸）探針臺(tái)X-Y工作臺(tái)X、Y軸定位精度及重復(fù)定位精度分別達(dá)到2μm和1.5μm確實(shí)令人振奮。本文主要介紹幾種常用探針臺(tái)X-Y工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及控制方法。

1 探針臺(tái)X-Y工作臺(tái)分類

探針臺(tái)X-Y工作臺(tái)結(jié)構(gòu)主要是3種，以美國(guó)EG公司為代表的平面電機(jī)型X-Y工作臺(tái)（又叫磁性氣浮工作臺(tái)）、日本及歐洲國(guó)家及國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的采用精密滾珠絲杠副和直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺(tái)及直線電機(jī)X-Y工作臺(tái)。

2 絲杠導(dǎo)軌型X-Y工作臺(tái)

探針臺(tái)常用的X-Y工作臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 X-Y工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

該工作臺(tái)由上層（X向）和下層（Y向）兩部分組成，工作臺(tái)由2個(gè)步進(jìn)（伺服）電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)X、Y向高剛性、高精密的導(dǎo)軌和絲桿副帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向部分采用精密直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。運(yùn)動(dòng)部分全部采用滾動(dòng)功能部件，具有傳動(dòng)效率高、摩擦力矩小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。工作臺(tái)底座采用鑄件為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性得到提升，同時(shí)在隔震性能方面也得到提高。其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目前多用運(yùn)動(dòng)控制卡與電機(jī)形成整個(gè)閉環(huán)的反饋檢測(cè)，以保證實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)作為最常用的控制執(zhí)行部件，是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的步進(jìn)角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。步進(jìn)電機(jī)需要使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。功率驅(qū)動(dòng)單元將脈沖發(fā)生控制單元生成的脈沖放大，與步進(jìn)電機(jī)直接耦合，屬于步進(jìn)電機(jī)與微控制器的功率接口?？刂浦噶顔卧?，接收脈沖與方向信號(hào)，對(duì)應(yīng)的脈沖發(fā)生控制單元對(duì)應(yīng)生成一組相應(yīng)相數(shù)的脈沖，經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)單元后送到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在對(duì)應(yīng)方向上轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。驅(qū)動(dòng)器的脈沖給定方式?jīng)Q定了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式，一般來說步距角越小，則電機(jī)初始啟動(dòng)頻率較高有利于電機(jī)加速性能的改善，所以運(yùn)行方式中強(qiáng)調(diào)了細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，該方式提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和分辨率，完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。由于目前對(duì)X-Y工作臺(tái)的定位精度要求越來越高，而步進(jìn)電機(jī)控制多為開環(huán)方式故無法滿足設(shè)計(jì)要求，而伺服電機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了步進(jìn)電機(jī)控制的不足。

伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)在控制精度、高低頻特性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。比如步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，一般采用阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象；步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，特別是高速時(shí)會(huì)急劇下降，伺服電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)為恒力矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)為恒功率輸出；過載能力方面，步進(jìn)電機(jī)不具備過載能力，伺服電機(jī)有較強(qiáng)的過載能力；運(yùn)行性能方面，步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。由于伺服電機(jī)自帶的編碼器只是檢測(cè)電機(jī)輸入的脈沖數(shù)，而不是嚴(yán)格意義上工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的位移，故稱為半閉環(huán)，如果絲桿有間隙和誤差，編碼器是不能補(bǔ)償?shù)?，所以就需要光柵尺來作為直線位移的補(bǔ)償，這種系統(tǒng)稱為全閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。由于光柵尺是直線運(yùn)動(dòng)的，它是隨著工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)位移，并不存在反向間隙，實(shí)時(shí)的反饋數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)誤差作出補(bǔ)償，這樣就能夠很精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確地定位。另外在速度響應(yīng)方面步進(jìn)電機(jī)從靜止到加速至工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，更加適合快速啟停的控制場(chǎng)合。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)中要根據(jù)X-Y工作臺(tái)的定位精度要求經(jīng)濟(jì)合理地選擇光柵尺的分辨率，做到經(jīng)濟(jì)適用。

3 平面電機(jī)X-Y步進(jìn)工作臺(tái)

平面電機(jī)由定子和動(dòng)子組成，它與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)相比，其特殊性就是將定子展開，定子是基礎(chǔ)平臺(tái)，動(dòng)子和定子間有一層氣墊，動(dòng)子浮于氣墊上，所以又叫磁性氣浮工作臺(tái)?？删幊坛衅_(tái)則安裝在動(dòng)子之上。這種結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺(tái)，由于動(dòng)子和定子間無相對(duì)摩擦故無磨損，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)有機(jī)械傳動(dòng)發(fā)出的噪音，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。美國(guó)EG公司系列探針臺(tái)基本采用這種結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺(tái)，其經(jīng)典機(jī)型EG2001X、EG4080、EG4090等在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線廣泛使用。其驅(qū)動(dòng)電路仍然是傳統(tǒng)的PC+I/O+驅(qū)動(dòng)板+電機(jī)的模式，集成的驅(qū)動(dòng)器非常少見。以EG2001X為例來介紹電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，其動(dòng)子由機(jī)械部件和電氣控制部分組成，機(jī)械部分主要是鑄件加工的動(dòng)子腔體及與定子X、Y向齒距匹配的齒槽組成，其控制部分由按一定規(guī)則排列的幾組線圈組成，將這些線圈按一定的頭尾順序連接后形成電機(jī)的ABCD四相繞組，然后和步進(jìn)電機(jī)的控制原理一樣，采取A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的順序給繞組依次通電實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)的控制，只是由于平面電機(jī)特殊的加工工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證其X-Y較好的定位精度需要做溫度補(bǔ)償和精度補(bǔ)償工作，這部分電路需要數(shù)模和模數(shù)電路的轉(zhuǎn)換和處理，就不在此贅述了。平面電機(jī)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，維修保養(yǎng)方便，但由于動(dòng)子氣浮在定子上帶載能力較弱，另外電機(jī)運(yùn)行頻率高時(shí)易出現(xiàn)失步現(xiàn)象。

圖3 平面電機(jī)X-Y步進(jìn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

4 直線電機(jī)x-y工作臺(tái)

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而無需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪聲低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。采用直線電機(jī)組成的X-Y工作臺(tái)如圖4所示，其主要特點(diǎn)是由于系統(tǒng)中直接取消了絲杠等響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件，使整個(gè)系統(tǒng)閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度大為提高，也避免了絲杠傳動(dòng)的累計(jì)誤差。

圖4 直線電機(jī)X-Y工作臺(tái)

步進(jìn)控制位移采用直線光柵尺反饋，全閉環(huán)控制，故定位精度高，穩(wěn)定性好，特別是在大行程、高速度、高精度要求的場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)絲杠結(jié)構(gòu)工作臺(tái)相比，優(yōu)勢(shì)更加明顯。直線電機(jī)的控制方法已非常的成熟，其驅(qū)動(dòng)原理與伺服電機(jī)的全閉環(huán)控制原理非常的相似，還有許多成熟的控制方案，如PC+運(yùn)動(dòng)控制卡+I/O+專用驅(qū)動(dòng)器的方式。

5 結(jié)束語

本文對(duì)探針臺(tái)x-y工作臺(tái)常見的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，指出了各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制方式，對(duì)測(cè)試臺(tái)X-Y控制的方案確定及選擇具有一定的借鑒作用。