硅片检测半导体运动台控制器的设计

Posted 2022-12-23 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

虽然我国目前对于精密硅片检测运动平台的整机研发还比较空白，但是值得注意的是，对于 X 、 Y 两自由度运动平台，甚至多自由度运动平台、先进驱动方式和控制策略的研究已经积累了一定的经验，吸收这些经验并应用于本运动平台的研发对选择正确的机械结构、使用先进的驱动方式、正确的控制方法、加快项目的开展进度和保证项目的完成都有积极的意义。对比国外标准化的精密运动平台和国产精密平台如下。 日本在精密装备的制造上也已经有多年的积累，在国际上也占有十分领先的地位。日本精密装备厂商 THK ，提供的精密 XY 平台与本运动平台具有较多的相似之处，并具有种类丰富、多自由度行程和精度可以自由选择和组合的特点，典型结构如图 1-3 所示。 该平台导轨部分使用可靠性优异的 LM 滚动导轨，可长期保持高精度。进给丝杠使用精密滚珠丝杠，可实现无间隙的精确定位进给。可以选择的行程有 50mm 、 100mm 等等，最大可选行程可达 500mm ，最大载重可达 250kg 。可以选择的重复定位精度有 1um ， 2um和 3um 。并配有软式伸缩防尘罩可选。与之对比，虽然我国目前在超高精密装备的研究和开发上还存在比较多急需解决的 问题，与国外发达国家无论在理论研究还是工程实践上都还有较大的差距。但是，随着改革开放 30 年中国经济的高速发展、国内外学术交流的增多、先进零部件的引进以及电气控制等理论和学术领域研究的进步，国产精密运动装备也取得了长足的进步。例如，国内深圳大族电机科技有限公司生产的三自由度精密运动平台，重复定位精度也已经可以达到精密级别（±2μm ），如图 1-4 所示。 LMSU13 平台，采用无铁心式 LSMU 系列直线电机作为直线运动直接驱动元件， DDR系列旋转电机作为旋转运动直接驱动元件，使用增量式光学反馈系统，三维平台结构紧凑、无机械接触、低噪音、寿命长，无机械传动环节，高速响应，加减速时间短，可安装外罩，适用于高精度检测和定位应用场合。主要参数技术指标为： （1）最大行程 250mm*300mm*360 °； （2）重复定位精度：直线± 2μm ，旋转± 2 角秒； （3）三维尺寸约 516mm*650mm*356mm ； （4）直线电机峰值推力 308N ，旋转电机峰值扭矩 17NM 。

 

硅片检测运动平台总体设计 参考国外先进硅片检测运动装备的经验知：硅片检测过程必须使用到多自由度精密运动平台，且其自由度个数一般主要可分为三自由度和四自由度两种。三自由度一般是指：R 、 Z 和 theta ，四自由度一般是指： X 、 Y 、 Z 和 theta 。本章首先对硅片检测的基本原理和流程进行了介绍，分析了运动平台在多个自由度上的性能参数需求，然后在需求分析的基础上，提出了一种整机设计方案，并分别从机械机构设计和控制系统设计的角度对其进行了介绍。 2.1 设计要求和技术参数 2.1.1 硅片检测运动原理 多自由度精密硅片检测运动平台的主要应用场合是：硅片表面化学颗粒污染物的检测，其主要检测目标是直径为 30nm~100nm 的化学颗粒污染物 [17] 。其基本工作原理是： 使用光学镜头对硅片表面进行地毯式的扫描，在成像系统中观察和记录化学颗粒污染物 形貌和位置，并要求可以在控制系统的帮助下准确获知和记录该污染物在整个硅片上的 位置坐标，直至扫描完整个硅片表面。众所周知，要完成对一个圆平面的完整扫描可以使用逐行扫描的方式也可以使用螺旋扫描的方式。本文对比了这两种工作方式对运动平台提出的不同要求，三自由度运动平台相对具有以下优点：（1 ）三自由度比四自由度少一个自由度的运动要求，可以节约成本；（ 2 ）减少了一级直线运动，可以降低整个运动平台的高度，增加平台结构的紧凑性，更好的保证精度； （3）螺旋扫描可以比逐行扫描 有更高的工作效率。所以，本文根据三自由度螺旋扫描的工作方式对运动平台进行了设计。 三自由度精密硅片检测运动平台检测的基本工作原理：光学镜头以 50um 大小（也可为 100um 或 150um 等）的光斑沿着阿基米德螺线，如图 2-1，完成对整个硅片上表面指定大小范围内的化学颗粒污染物的扫描检测。其中，阿基米德螺线式扫描运动可以由沿硅片半径 R 方向的匀速直线进给运动和沿硅片圆心 Theta 轴的匀速旋转运动叠加形成。合成后的阿基米德螺线如图 2‐1。 以使用直径 50um 大小光斑进行扫描为例，匀速直线运动和匀速旋转运动叠加生成的阿基米德螺线运动可以覆盖到硅片的整个表面，同时硅片沿半径 R 方向的匀速直线进给运动的速度为硅片每旋转一圈直线进给量 50um （或对应其他检测光斑的直径）。由此 可得，这是硅片化学颗粒污染检测的一种典型的常用的基本方法，在这种工作方式下其旋转运动速度和直线运动速度之间有某种对应关系，即直线运动速度为 50um/ 圈。除此 之外，目前也有多个光斑同时检测的检测方式，它的基本工作原理与前文描述的单个光斑检测基本类似，不同之处就是使用多个光斑在硅片上同时进行检测，这种方法可以较好的提高硅片检测的效率。