CN115276497A

CN115276497A - 晶圆检测用运动系统及其控制方法

Info

Publication number: CN115276497A
Application number: CN202210926186.8A
Authority: CN
Inventors: 闫波; 刘志平
Original assignee: Meijie Photoelectric Technology Shanghai Co ltd
Current assignee: Meijie Photoelectric Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2042-08-03
Also published as: CN115276497B

Abstract

本申请提供一种晶圆检测用运动系统及其控制方法，晶圆检测用运动系统包括：伺服电机、驱动器、运动台和直线移动机构；伺服电机与直线移动机构连接；运动台设置于直线移动机构上；驱动器为伺服电机提供旋转控制信号；伺服电机根据驱动器的旋转控制信号进行转动并驱动直线移动机构进行直线移动，直线移动机构带动运动台进行相应地直线位移；其中旋转控制信号具有相应的控制曲线规律。本说明书实施例通过设置旋转电机结合直线移动机构来实现晶圆检测用运动台的高精度移动，相较现有技术的系统节省直流电机相应的能耗，但仍能实现运动台高效精准的移动控制，增加了广泛的使用性。

Description

晶圆检测用运动系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及半导体检测技术领域，具体涉及一种晶圆检测用运动系统及其控制方法。

背景技术

集成电路制造过程中，半导体晶圆检测是提高产品质量、保障良品率、提高生产效率的关键环节。其中晶圆检测运动台作为承载晶圆移动的重要平台，其运动特性和精度直接影响了晶圆检测的质量和效率。随着晶圆尺寸的不断缩小，检测设备的精度要求变高，例如对运动台的速度和精度提出更高的要求。

为了实现上述晶圆运动平台高精度的要求，需综合运动驱动系统、传动装置、运动控制系统和传感器感应系统等各系统之间的配合。其中运动台的驱动装置主要利用滚珠丝杠+旋转电机结合实现或者直接采用直线电机来实现。然而滚珠丝杠+旋转电机无法适用运动台高精度的控制要求。虽然直线电机作为一种高速度、高加速度的直接驱动平台，但相较于滚珠丝杠+旋转电机的方式，其能耗显著提高，例如能耗增加一倍，造成晶圆检测运动台能耗成本较高。

因此，需要一种新的晶圆检测用运动方案。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种晶圆检测用运动系统及其控制方法，用于晶圆检测中晶圆运动的过程。

本说明书实施例提供以下技术方案：

本说明书实施例提供一种晶圆检测用运动系统，所述晶圆检测用运动系统包括：

伺服电机、驱动器、运动台和直线移动机构；

所述伺服电机与所述直线移动机构连接；所述运动台设置于所述直线移动机构上；所述驱动器为所述伺服电机提供旋转控制信号；

所述伺服电机根据所述驱动器的旋转控制信号进行转动并驱动所述直线移动机构进行直线移动，所述直线移动机构带动所述运动台进行相应地直线位移；其中旋转控制信号具有相应的控制曲线规律。

本说明书实施例还提供一种晶圆检测用运动控制方法，应用本说明书实施例提供任一技术方案的晶圆检测用运动系统，晶圆检测用运动控制方法包括：

根据电机旋转角度，通过laplace变换得到运动台的空间状态方程；

根据所述空间状态方程结合控制律，得到与旋转控制信号相关的控制曲线。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

通过设置旋转电机结合直线移动机构来实现晶圆检测用运动台的高精度移动，相较于设置直流电机的系统节省了直流电机相应的能耗，但仍能实现运动台高效精准的移动控制，增加了广泛的使用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本说明书实施例提供的一种晶圆检测用运动系统的结构示意图一；

图2是本说明书实施例提供的一种晶圆检测用运动系统的结构示意图二；

图3是本说明书实施例提供的驱动器的电控柜示意图；

图4是本说明书实施例提供的驱动器中滑模控制响应曲线的示意图；

图5是本说明书实施例提供的一种晶圆检测用运动控制方法的流程图；

图6是本说明书实施例提供的一种晶圆检测用运动控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

随着半导体领域的发展，晶圆尺寸减小的要求，晶圆检测提出更高精度的要求，例如对晶圆检测用的运动台的速度和加速度等提出了更高的要求。现有技术中晶圆运动台主要利用滚珠丝杆+旋转电机实现对运动台的控制，但其无法满足运动台高精度的要求；或者通过直线电机来实现对运动台的控制，但其能耗较高，造成晶圆检测运动台的能耗成本较高，不利于半导体工艺中晶圆检测的广泛应用。

有鉴于此，发明人通过探究旋转电机的控制原理，发现只通过滚珠丝杆+旋转电机的方式就可以实现对晶圆运动台高速度、高加速度的控制。

基于此，本说明书实施例提出了一种如图1所示的晶圆检测用运动系统，通过设置旋转电机和滚珠丝杠即可达到晶圆检测用运动的高精度要求。相对地针对如图1所示的晶圆检测用运动系统，并提出晶圆检测用运动控制方法，不仅验证了该晶圆检测用运动系统实现更高要求的高精度控制，而且通过该晶圆检测用运动控制方法获得旋转电机的旋转控制信号具有特定的控制曲线规律，进一步验证了本说明书实施例提供的晶圆检测用运动系统可满足高精度要求的晶圆运动。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

如图1至图3所示，本说明书实施例提供的一种晶圆检测用运动系统，该晶圆检测用运动系统包括伺服电机1、驱动器2、运动台3和直线移动机构4。如图1和图2所示伺服电机1与直线移动机构4连接，运动台3设置于直线移动机构4上。具体地，伺服电机通过驱动器2控制运行，驱动器为伺服电机提供旋转控制信号，伺服电机根据旋转控制信号控制转动并通过机械连接驱动直线移动机构进行直线移动，相应地，直线移动机构带动运动台进行对应的直线移动。其中旋转控制信号具有相应的控制曲线规律，因此本说明书实施例的晶圆检测用运动系统实现了高精度、高效率、低能耗的晶圆检测用运动的控制。

本说明书实施例通过设置旋转电机结合直线移动机构实现晶圆检测用运动台的直线移动，相较设置直流电机的系统节省直流电机相应的能耗，但仍能实现运动台高效精准的移动控制，进一步为晶圆检测提供更加广泛的使用性。

在一些实施例中，旋转控制信号具有相应地控制曲线规律。具体地，本说明书实施例的驱动器采用特定算法实现旋转控制信号的线性控制规律，如图4所示，旋转电机在很短时间内趋于稳定转动，很好的抑制了抖动，进而实现晶圆检测用运动系统的高精度控制。其中旋转控制信号可以包括转动比，转动速率及时间等。

在一些实施例中，直线移动机构包括丝杠，伺服电机包括旋转电机。如图2所示，伺服电机1为旋转电机，直线移动机构包括丝杆41。本说明书实施例通过将旋转电机与直线移动机构进行机械连接，以实现将旋转控制信号转化为运动台的直线移动等信息。

在一些实施例中丝杠的两端分别设置有滚珠轴承。如图2所示，丝杠41的两端分别设置有滚珠轴承42，该滚珠轴承以滚动方式来降低丝杠传动过程中的摩擦力，以提高该晶圆检测用运动系统的机械传递效率，保证该晶圆检测用运动系统实现运动台所需的直线移动。

在一些实施例中伺服电机的输出轴与运动台轴通过联轴器连接。参见图1，伺服电机1的输出轴与运动台轴通过联轴器43连接，从而将运动台轴与伺服电机的输出轴对准，使两者转动过程中无需设置转动比或转动速率等信息的转换，即伺服电机的转动速率及转动比等即为运功台的转动速率或及转动比等，减少两者间的转换，进一步实现运动台直线移动的精准控制。另一些实施例中运动台轴与伺服电机输出轴通过输出转化等对准来实现运动台直线移动的精准控制。

在一些实施例中，伺服电机通过凸轮驱动运动台旋转。具体地，伺服电机通过联轴器将其输出轴与运动台轴连接，如图1所示，伺服电机通过设置的凸轮44结合联轴器驱动运动台旋转。不仅实现了运动台的旋转，而且将运动台轴与伺服电机的输出轴对准，使两者转动过程中无需设置转动比或转动速率等信息的转换，实现运动台直线移动的精准控制。

在一些实施例中，晶圆检测用运动系统包括光栅尺，该光栅尺设置于直线移动机构的上方。具体地，晶圆检测用运动系统将光栅尺靠近直线移动机构设置，如图2所示，光栅尺6设置于丝杠41的上方。该光栅尺用于测量伺服电机输出轴的直线位移，即运动台的直线位移，并向驱动器进行反馈。一些实施例中还设置有光栅尺的反馈信号输出口。

在一些实施例中，伺服电机与驱动器间设置有旋转编码器。如图2所示，该晶圆检测用运动系统设置有旋转编码器5，该旋转编码器5可将伺服电机1输出轴输出的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，并反馈给驱动器，以便驱动器根据运动台直线移动的要求，来调节伺服电机的旋转控制信号。

一些实施例中，如图1所述，该晶圆检测用运动系统还设置有拖链7，该拖链对该晶圆检测用运动系统中电缆起到牵引和保护的作用。

结合上述晶圆检测用运动系统，本说明书实施例提供一种晶圆检测用运动控制方法，如图5所示该方法包括步骤S210～步骤S220,其中步骤S210、根据电机旋转角度，通过laplace变换得到运动台的空间状态方程。步骤S220、根据所述空间状态方程结合控制律，得到旋转控制信号相关的控制曲线。

具体地，为采用旋转电机和直线移动机构实现晶圆检测用运动台的直线移动，需获得旋转电机的稳定设计等。一些实施例中，在低频段时，可用刚体动力学建模来表达滚珠丝杠等的直线移动机构。此时，可认为运动台轴位移和伺服电机输出轴的转角有一个固定的传动比。刚体动力学建模采用如下公式一。

x(t)＝R·θ(t) (公式一)

其中，x(t)为轴的直线位移，θ为伺服电机输出角度，R为转动比。

直线移动机构的动力学方程如下公式二。

其中，J为直线移动机构的等效转动惯量，B为等效阻尼系数，T_m是电机转动力矩，T_d为等效干扰力矩。

伺服电机转动力矩和控制电压u的关系如公式三。

T_m＝K_aK_tu (公式三)

其中，K_a为电流常数，K_t为扭矩常数。

采用上述公式通过laplace变换得到传递函数，如下公式四。

为与表示转动比的R进行区分；S是复频率，将时域中的t转化为复频域中的s。

进而得到运动台的空间状态方程，如下公式五。

其中，

x₁是丝杠系统的直线位移，x₂是x₁的求导，为速度值。

一些实施例中通过最小二乘法，辨识得到本系统的主要参数值，其中

J＝4.72×10^-3kg·m²；B＝5.35×10^-3kg·m²s^-1；r＝3.221×10^-3m·rad^-1；K_aK_t＝2.136Nm·V^-1由此可实现步骤S210根据电机旋转角度通过laplace变换得到运动台的空间状态方程。本说明书实施例通过采用laplace变换可以获得运动台的空间状态方程，进而根据最小二乘法获得更加精准的空间状态参数等，从而提高运动台的直线移动。

步骤S220、根据所述空间状态参数结合控制律，得到与旋转控制信号相关的控制曲线。进一步为克服晶圆检测用运动系统的不确定性，尤其抑制振颤等。将空间状态方程结合控制律，得到与旋转控制信号相关的控制曲线。具体地，根据所述空间状态方程结合跟踪误差，得到滑膜面的导函数；根据所述滑模面的导函数、控制律和所述空间状态方程，得到与旋转控制信号相关的控制曲线。

具体地进行滑模面设计，设计指令信号为r(即表示旋转控制信号)，并引入跟踪误差(即指令信号和实际位置的误差值)，跟踪误差信号采用如下公式六。

e＝r-x₁ (公式六)

可得到公式七的跟踪误差变化率。

进而设计一种非线性滑模面采用如下公式八。

其中f(e)为非线性函数，其具有“小误差放大，大误差饱和”的功能，即抑制滑模控制带来的抖动，它的表达式如下公式九，S是滑模面，e是指令信号和实际位置的误差值，K1,K2为自行给定的增益。

其中，α∈R⁺为所设计的参数。将公式八结合公式九得到滑模面的导函数如下公式十。

进而设计控制律，设计指数趋近律如下公式十一。

其中，ε＞0，k＞0。ε为常数，表示系统运动点趋近于切换面s＝0时的速率，当ε的取值越小时，趋近速率就越小。当ε取值较大时，运动点到达切换面的速率就越大，会导致被控对象产生较大的抖振。

结合公式六、公式七、公式十和公式十一得到如下公式十二

将该公式十二代入至上述公式五，为了抑制抖振现象的影响，可考虑用饱和函数来取代切换函数，即可得到控制律如下公式十三。

J＝4.72×10^-3kg·m²；B＝5.35×10^-3kg·m²·s^-1；r＝3.221×10^-3m·rad^-1；K_aK_t＝2.136Nm·V^-1

将上述参数值代入到控制律

中，即可得到本系统的控制律。

设定指令信号目标值为1，从而根据公式十三可以抑制抖振现象得到旋转控制信号相关的控制曲线，具体参见图4，图4的横坐标表示旋转控制信息中的时间，纵坐标表示旋转电机滑模控制的位移；图4表示对旋转电机结合滚珠丝杠的驱动控制具有较好的控制效果，很好的抑制旋转电机的抖动。根据控制曲线可知旋转控制信号很短时间内趋于稳定保证旋转电机良好的运行，进而如图6所示，实现晶圆检测用运动台的直线位移，输入值为设定的直线位移量，滑模控制输出控制电压，通过转动比等公式(例如公式一)将旋转电机的旋转转化为直线移动量。不仅满足晶圆检测用运动的高精度，相较于直流电机节省了大量的能耗，增强了旋转电机结合滚珠丝杠实现晶圆检测用运动控制的使用性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的产品实施例而言，由于其与方法是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种晶圆检测用运动系统，其特征在于，所述晶圆检测用运动系统包括：伺服电机、驱动器、运动台和直线移动机构；

2.根据权利要求1所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，所述直线移动机构包括丝杆，所述伺服电机包括旋转电机。

3.根据权利要求2所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，丝杠的两端分别设置有滚珠轴承。

4.根据权利要求1所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，伺服电机的输出轴与运动台轴通过联轴器连接。

5.根据权利要求4所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，所述伺服电机通过凸轮驱动所述运动台旋转。

6.根据权利要求1所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，所述晶圆检测用运动系统包括：光栅尺，所述光栅尺设置于所述直线移动机构的上方。

7.根据权利要求6所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，所述伺服电机与所述驱动器间设置有旋转编码器。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的晶圆检测用运动系统，其特征在于，所述晶圆检测用运动系统包括：拖链。

9.一种晶圆检测用运动控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的晶圆检测用运动系统，所述晶圆检测用运动控制方法包括：

10.根据权利要求9所述的晶圆检测用运动控制方法，其特征在于，所述根据所述空间状态方程结合控制律，得到与旋转控制信号相关的控制曲线，包括：

根据所述空间状态方程结合跟踪误差，得到滑模面的导函数；

根据所述滑模面的导函数、控制律和所述空间状态方程，得到与旋转控制信号相关的控制曲线。