模拟编码器减少预校准时间

如何将半导体晶圆吞吐量提高一倍，将晶圆预对准时间减少五倍(至600 ms)，并将位置可重复性提高五倍(至5 nm)，同时降低成本并提高可靠性?

半导体行业的竞争性质对当今半导体制造系统中使用的运动控制器的性能特征和集成便利性越来越重要。新工艺要求更精细的位置分辨率和更好的可重复性，同时提供更高的吞吐量。同时，不断增加的工艺复杂性要求为新机器项目选择的运动控制组件具有更高的集成灵活性。当半导体制造设备开发商Micro Precision Automation (MPA)开发了一种新的计量平台来应对这些趋势时，他们转向Agile Systems的microMAX R分布式运动控制系统，以帮助他们实现新平台的性能目标。

数字和模拟编码器波形。

该系统集成了一个完全集成的运动控制器、伺服放大器和高速网络，用于单轴运动。高速网络将多个独立的运动轴连接成一个功能齐全的高性能系统。

传统的正交或增量式编码器用两个拾取器监测两个编码器轨道来感知旋转。每个轨道由相同大小的段印着一个手段，以切换其拾音器的输出之间的高和低状态。运动注册为状态变化。

例如，当传感是光学的，轨道段在黑色和白色之间交替。拾音器是光学反射计(基本上是一个光源与光电探测器配对)。当拾音器从黑色段移动到白色段时，输出状态从低到高切换。当拾音器从白色段移动到下一个黑色段时，进一步移动一个段长度提供了另一个过渡。恒定的运动使输出成为一个方波，其频率与运动速度成正比。

然而，单个音轨/拾取通道不能指示运动方向。事实上，在一个段过渡上的来回振动看起来就像在任何方向上的恒定运动。

增加第二个通道安排切换90igh。每次负跃迁都会在B较低时发生。

在这种情况下，向左运动将使通道A的正跃迁与通道B的低状态配对，通道A的负跃迁与通道B的高状态配对。一个简单的逻辑电路可以将这些成对的编码器信号解码成上行/下行计数器信号，以增加/减少数字计数器，其值始终对应于被监测的位置。通过监控信道B的位置，并根据当前信道A的状态进行递增/递减，正交编码器系统可以获得等于一半编码器段长度的分辨率。

为了达到更高的精度，MPA采用了由伊利诺斯州Schaumburg的Heidenhain公司开发的模拟编码器，该编码器在两个拾取通道上使用正弦信号而不是方波。这使得电子插值可以获得比传统方波编码器更好的分辨率。

位置精度

然而，由于伺服放大器的电流控制分辨率有限，更高的编码器分辨率并不能保证同样更高的位置精度。伺服放大器的输出电流决定了所连接的伺服电机产生的转矩。大电流产生高电机转矩;低电流产生比例较低的电机转矩。

伺服系统通过改变驱动电流来控制伺服电机轴的运动。为了利用更高的编码器分辨率，伺服驱动系统必须以与更高的编码器分辨率相同的增量移动伺服电机轴。这需要比传统系统更高的有效电流分辨率。

传统的运动控制配置需要相对较大的电气外壳来容纳单独的电源，伺服放大器，运动控制器和信号转换器。

Agile Systems的运动控制器提供14位有效电流分辨率，当应用于适当设计的机构时，可以实现几纳米的位置分辨率。前几代半导体计量工具实现了25纳米的定位重复性。MPA的新平台具有5nm的位置重复性和两倍的吞吐量。

预校准过程占据了整个刀具周期时间的相当一部分。它定位300毫米晶圆的中心，并定位其外围的参考缺口。在大多数工具中，在高速旋转过程中发现缺口，并在精密重新扫描过程中精确定位。在传统的运动控制配置中，这个过程通常需要3秒。

MPA的新系统可以通过仔细收集基于激光的预对准信号将预对准时间缩短到0.6秒。该系统在一个底板上设计了三个运动控制器，与传统设计相比，这大大改善了信号。高速火线B网络将控制器相互连接，并连接到计量工具的中央过程控制器。轴编码器的实时轴位置以及数字化的模拟和数字信号可以通过高速网络直接传递到中央过程控制。这使得MPA能够收集干净的高速预对准数据，从而可以消除重新扫描步骤。

紧密集成

传统的运动控制配置需要相对较大的电气外壳来容纳单独的电源，伺服放大器，运动控制器和信号转换器。由于计量工具与其他半导体加工设备紧密集成，因此希望将运动控制硬件安装在工具本身内，并消除传统运动控制系统中发现的单独电气外壳。事实证明，在工具内部为这种控制配置寻找空间是极其困难的。

MPA选择了一种运动控制系统，将控制器、伺服放大器、信号转换和高速网络集成在一个紧凑的封装中，大约只有3英寸长，解决了这个空间问题

将运动控制器、伺服放大器、信号转换和高速网络结合在一个紧凑的封装中，减少了运动控制器的占地面积。

减少布线是支持运动控制组件和半导体工具紧密集成的另一个关键因素。将运动控制器和伺服放大器结合在一个完全集成的封装中，消除了大量的系统布线。将所有信号和接口连接通过紧凑的接口连接器连接到背板，进一步减少了布线和布线。

这些特点使MPA工具设计人员在制定运动控制安装方案时具有极大的灵活性。他们创建了一个定制的PCB板，其中包含所需的接口信号连接到运动控制器，其形状最适合给定的工具配置。

更精确和精细的电机电流控制是设计具有更高位置精度和可重复性的工具的先决条件。高速网络有助于减少晶圆预对准时间，从而提高工具用户的生产力。紧凑的结构和节省空间的背板设计也减轻了集成的复杂性。

作者信息

由C.G. Masi编辑，信息由Agile Systems提供。C.G. Masi是控制工程。与他联系:charlie.masi@reedbusiness.com．

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