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　　本文介紹了半導體行業探針臺設備的基本工作原理和全閉環功能在半導體檢測 中的應用，并分析了全閉環功能對提高探針臺設備性能的重要性。通過分析探針臺設備的關鍵性能指標，探討了全閉環功能在提高檢測效率和精度方面的優勢。同時，本文還討論了雷賽L8系列伺服全閉環控制系統的工作原理，以及如何通過技術優化實現更高效的生產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

　　隨著半導體行業的快速發展，對晶圓檢測的精度和效率要求越來越高。探針臺作為檢 測過程中的關鍵設備，其性能直接影響到檢測結果的準確性和生產效率。本文旨在探討雷 賽L8系列伺服全閉環功能在半導體行業探針臺設備檢測領域的應用，并分析其技術優勢。

　　2 探針臺設備概述

　　探針臺是一種用于半導體晶圓檢測的精密設備，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，并將結果記錄在MAP地圖中。

　　(1)功能

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

　　·它能夠檢測晶圓上的每一個芯片是否符合設計規范，確保最終產品的質量和性能。

　　(2)組成

　　·晶圓夾持系統：用于固定晶圓，保證其在測試過程中的穩定性;

　　·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，實現對每個芯片的定位;

　　·視覺系統：用于識別晶圓上芯片的位置，指導X-Y平臺的移動;

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

　　(3)工作原理：

　　l 圓被放置在晶圓夾持系統中固定;

　　l 通過視覺系統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 移動平臺根據計算結果移動探針卡至目標芯片上方;

　　l 控制系統控制探針下降，與芯片的接觸點進行電氣連接;

　　l 進行電性能測試，并將測試數據記錄下來。

　　(4)應用領域

　　主要應用于半導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 探針臺設備X/Y工作臺

　　3 全閉環控制系統原理

　　全閉環功能，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，位置環使用外部編碼反饋作為閉環控制來源，速度環仍使用內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，兼顧內環速度控制的穩定性。

圖2 伺服全閉環系統控制框圖

　　4 雷賽L8伺服全閉環控制在探針臺設備中的應用

　　雷賽L8系列伺服全閉環功能在半導體探針臺設備有廣泛的應用，滿足設備定位精度要求的同時，兼顧快速響應性需求。

　　4.1探針臺設備性能需求點

　　雷賽L8系列伺服全閉環功能在半導體探針臺設備有廣泛的應用，設備需具備以下關鍵性能指標：

　　·設備UPH(單位時間內處理的晶粒數量)：需達到30～60K，以保證高效率的生產過程;

　　·支持全閉環控制系統：外部光柵確保定位的精準性;

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

　　·設備在運行過程中需支持電壓跌落測試;

　　·設備運行需平順，無異響，保證生產環境的穩定性。

圖3 探針臺設備絲桿和光柵尺位置

　　4.2系統實現難點

　　該探針臺設備性能指標上，主要的難點在于：

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

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

　　4.3 雷賽L8系列伺服實現方案

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

圖4 探針臺設備雷賽控制系統方案

　　該控制系統解決了上述難點，可以做到：

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

　　(2)高響應性兼容：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以內的響應需求，伺服調試的關鍵參數在于：

　　①高增益：雷賽簡單易用的剛性表模式，簡單設置剛性參數即可將伺服三環響應 性提高，L8系列3.5kHz速度環帶寬響應頻率保證到位段快速且無超調;

　　②前饋與平滑的平衡：雷賽行業領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，從而減少對機構的沖擊力;

　　③針對全閉環應用，雷賽先進的高階雙重位置反饋增益參數設置：該增益可以在 電機不同運行狀態下靈活切換全閉環控制和半閉環控制,從而使系統既有全閉環控制的精度又可保持半閉環控制響應性，數值越大補償的效果越明顯。

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

　　5 結束語

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