本文介紹了半導(dǎo)體行業(yè)探針臺設(shè)備的基本工作原理和全閉環(huán)功能在半導(dǎo)體檢測 中的應(yīng)用，并分析了全閉環(huán)功能對提高探針臺設(shè)備性能的重要性。通過分析探針臺設(shè)備的關(guān)鍵性能指標，探討了全閉環(huán)功能在提高檢測效率和精度方面的優(yōu)勢。同時，本文還討論了雷賽L8系列伺服全閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，以及如何通過技術(shù)優(yōu)化實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)過程和更低的制造成本。

　　文/深圳市雷賽智能控制股份有限公司 黃浩煒

　　1 引言

　　隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，對晶圓檢測的精度和效率要求越來越高。探針臺作為檢 測過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到檢測結(jié)果的準確性和生產(chǎn)效率。本文旨在探討雷 賽L8系列伺服全閉環(huán)功能在半導(dǎo)體行業(yè)探針臺設(shè)備檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，并分析其技術(shù)優(yōu)勢。

　　2 探針臺設(shè)備概述

　　探針臺是一種用于半導(dǎo)體晶圓檢測的精密設(shè)備，其工作原理是將晶圓固定在平臺上，通過平臺的移動和視覺系統(tǒng)搜索定位每顆晶粒的位置。隨后，探針臺平臺移動晶粒至探針下方，探針下降并與晶粒建立物理連接，檢測其電氣性能，并將結(jié)果記錄在MAP地圖中。

　　(1)功能

　　·探針臺的主要功能是對半導(dǎo)體晶圓上的芯片進行電性能測試，包括參數(shù)測試、功能 測試等;

　　·它能夠檢測晶圓上的每一個芯片是否符合設(shè)計規(guī)范，確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

　　(2)組成

　　·晶圓夾持系統(tǒng)：用于固定晶圓，保證其在測試過程中的穩(wěn)定性;

　　·探針卡：裝有多個精密探針，用于與晶圓上的接觸點進行電氣連接;

　　·X-Y 移動平臺：使探針卡能夠在晶圓上方精確移動，實現(xiàn)對每個芯片的定位;

　　·視覺系統(tǒng)：用于識別晶圓上芯片的位置，指導(dǎo)X-Y平臺的移動;

　　·控制系統(tǒng)：控制整個探針臺的操作流程，包括晶圓的夾持、探針的下降、測試數(shù)據(jù)的采集等。

　　(3)工作原理：

　　l 圓被放置在晶圓夾持系統(tǒng)中固定;

　　l 通過視覺系統(tǒng)識別晶圓上芯片的位置，并計算出探針卡的移動路徑;

　　l X-Y 移動平臺根據(jù)計算結(jié)果移動探針卡至目標芯片上方;

　　l 控制系統(tǒng)控制探針下降，與芯片的接觸點進行電氣連接;

　　l 進行電性能測試，并將測試數(shù)據(jù)記錄下來。

　　(4)應(yīng)用領(lǐng)域

　　主要應(yīng)用于半導(dǎo)體制造過程中的晶圓檢測，包括集成電路、存儲器、微處理器等的測試。

圖1 探針臺設(shè)備X/Y工作臺

　　3 全閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

　　全閉環(huán)功能，就是使用外置的外部位移傳感器(類似光柵尺、磁柵尺)直接檢測出控 制對象的位置進行反饋并進行位置控制。這樣可以使控制不受絲桿的誤差以及溫度引起的位置變化影響。其控制原理框圖如圖2所示，位置環(huán)使用外部編碼反饋作為閉環(huán)控制來源，速度環(huán)仍使用內(nèi)部電機編碼反饋作為控制，以此確保外部位置控制精準的情況下，兼顧內(nèi)環(huán)速度控制的穩(wěn)定性。

圖2 伺服全閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖

　　4 雷賽L8伺服全閉環(huán)控制在探針臺設(shè)備中的應(yīng)用

　　雷賽L8系列伺服全閉環(huán)功能在半導(dǎo)體探針臺設(shè)備有廣泛的應(yīng)用，滿足設(shè)備定位精度要求的同時，兼顧快速響應(yīng)性需求。

　　4.1探針臺設(shè)備性能需求點

　　雷賽L8系列伺服全閉環(huán)功能在半導(dǎo)體探針臺設(shè)備有廣泛的應(yīng)用，設(shè)備需具備以下關(guān)鍵性能指標：

　　·設(shè)備UPH(單位時間內(nèi)處理的晶粒數(shù)量)：需達到30～60K，以保證高效率的生產(chǎn)過程;

　　·支持全閉環(huán)控制系統(tǒng)：外部光柵確保定位的精準性;

　　·整定時間：能夠在10毫秒內(nèi)完成整定，精度達到2微米，確保檢測的高精度;

　　·設(shè)備在運行過程中需支持電壓跌落測試;

　　·設(shè)備運行需平順，無異響，保證生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定性。

圖3 探針臺設(shè)備絲桿和光柵尺位置

　　4.2系統(tǒng)實現(xiàn)難點

　　該探針臺設(shè)備性能指標上，主要的難點在于：

　　(1)全閉環(huán)位置控制的精準性：外部光柵接入的全閉環(huán)控制算法，保證每次晶圓移動的位置精準;

　　(2)高響應(yīng)性：要求10ms內(nèi)定位到2μm精度。目前市面上，伺服系統(tǒng)往往在開啟全閉環(huán)功能后，其響應(yīng)性會受到較大影響，精度和快速響應(yīng)很難平衡。

　　4.3 雷賽L8系列伺服實現(xiàn)方案

　　針對以上關(guān)鍵性能指標，雷賽L8系列伺服與控制卡搭配，形成系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 探針臺設(shè)備雷賽控制系統(tǒng)方案

　　該控制系統(tǒng)解決了上述難點，可以做到：

　　(1)全閉環(huán)支持：L8系列伺服支持全閉環(huán)功能，位置環(huán)使用外部光柵尺閉環(huán)，開啟 PA0.30=1 全閉環(huán)功能(如圖5所示)，滿足定位2μm精度要求;

　　(2)高響應(yīng)性兼容：如圖5所示，探針臺X軸，示波器圖中可以看到位置指令速度(上位機下發(fā)指令)、位置誤差(指令位置-反饋位置，單位為外部光柵分辨率0.5μm)信息，通過示波器游標可以看出，該軸實際整定時間<9ms,精度達2μm。

圖5 探針臺X軸伺服整定時間波形

　　為了達到整定時間9ms以內(nèi)的響應(yīng)需求，伺服調(diào)試的關(guān)鍵參數(shù)在于：

　?、俑咴鲆妫豪踪惡唵我子玫膭傂员砟Ｊ?，簡單設(shè)置剛性參數(shù)即可將伺服三環(huán)響應(yīng) 性提高，L8系列3.5kHz速度環(huán)帶寬響應(yīng)頻率保證到位段快速且無超調(diào);

　?、谇梆伵c平滑的平衡：雷賽行業(yè)領(lǐng)先的模型控制跟隨功能(MFC)，兼顧前饋和平 滑作用，在保證到位快速的同時對指令平滑處理，抑制電機加減速段的加速電流，從而減少對機構(gòu)的沖擊力;

　?、坩槍θ]環(huán)應(yīng)用，雷賽先進的高階雙重位置反饋增益參數(shù)設(shè)置：該增益可以在 電機不同運行狀態(tài)下靈活切換全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制,從而使系統(tǒng)既有全閉環(huán)控制的精度又可保持半閉環(huán)控制響應(yīng)性，數(shù)值越大補償?shù)男Ч矫黠@。

　　(3)運行平順：雷賽伺服調(diào)試軟件機械特性分析波特圖模塊，識別機械共振點，輔助設(shè)置陷波參數(shù)，解決運行噪音問題。

　　5 結(jié)束語

　　本文主要介紹了探針臺設(shè)備的功能、應(yīng)用場景和關(guān)鍵性能指標，通過實際案例介紹雷賽 L8 系列全閉環(huán)功能在探針臺設(shè)備的應(yīng)用，及其“全功能、高響應(yīng)”的特點。通過本文的介紹，可以幫助探針臺設(shè)備工程技術(shù)人員更加熟練地設(shè)計使用雷賽 L8 伺服控制系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)可以顯著助力探針臺和其他半導(dǎo)體設(shè)備關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化，更有助于推進半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)替代的進程。