周 豪

（1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；2.三河建華高科有限責任公司，河北 燕郊065201）

據(jù)SEMI數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年全球半導體測試設(shè)備市場規(guī)模達到52.2億美元，2021年將會達到56.1億美元。隨著國內(nèi)多家晶圓廠及實驗室的建立，國內(nèi)探針臺市場規(guī)模2019年約為10.25億元，2022年將增長到15.69億元。

半導體行業(yè)的迅速發(fā)展，使半導體產(chǎn)品的加工面積不斷縮小，復(fù)雜程度與日俱增，生產(chǎn)半導體產(chǎn)品所需的制造設(shè)備需要綜合運用機械、光學、物理、化學等學科技術(shù)，具有技術(shù)壁壘高、制造難度大及研發(fā)投入高等特點。探針臺屬于關(guān)鍵的半導體測試裝備，在整個半導體產(chǎn)業(yè)的多個環(huán)節(jié)起著重要作用，是晶圓廠和元器件封測企業(yè)的重要設(shè)備之一。隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化探針臺搭配測試機能夠?qū)Τ鰪S晶圓的電氣參數(shù)、光學參數(shù)進行測試，根據(jù)測試結(jié)果評定上一道工序的工藝質(zhì)量，并指導下一道工序。

不論哪種類型的探針測試臺，X-Y工作臺都是其最核心的部件，工作臺步進精度的高低直接關(guān)乎設(shè)備測試晶圓的種類及應(yīng)用場合，標志著設(shè)備控制技術(shù)的優(yōu)劣。借助現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，X-Y工作臺控制技術(shù)也達到前所未有的水平，其中大尺寸晶圓300 mm（12英寸）探針臺X-Y工作臺X、Y軸定位精度及重復(fù)定位精度分別達到2μm和1.5μm確實令人振奮。本文主要介紹幾種常用探針臺X-Y工作臺的結(jié)構(gòu)、特點及控制方法。

1 探針臺X-Y工作臺分類

探針臺X-Y工作臺結(jié)構(gòu)主要是3種，以美國EG公司為代表的平面電機型X-Y工作臺（又叫磁性氣浮工作臺）、日本及歐洲國家及國內(nèi)廠家生產(chǎn)的采用精密滾珠絲杠副和直線導軌結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺及直線電機X-Y工作臺。

2 絲杠導軌型X-Y工作臺

探針臺常用的X-Y工作臺，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 X-Y工作臺結(jié)構(gòu)

該工作臺由上層（X向）和下層（Y向）兩部分組成，工作臺由2個步進（伺服）電機分別驅(qū)動X、Y向高剛性、高精密的導軌和絲桿副帶動工作臺運動，導向部分采用精密直線滾動導軌。運動部分全部采用滾動功能部件，具有傳動效率高、摩擦力矩小、使用壽命長等特點。工作臺底座采用鑄件為基準進行設(shè)計，使運動的穩(wěn)定性得到提升，同時在隔震性能方面也得到提高。其運動控制系統(tǒng)目前多用運動控制卡與電機形成整個閉環(huán)的反饋檢測，以保證實現(xiàn)高精度運動系統(tǒng)。步進電機作為最常用的控制執(zhí)行部件，是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的步進角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。步進電機需要使用專用的步進電機驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。功率驅(qū)動單元將脈沖發(fā)生控制單元生成的脈沖放大，與步進電機直接耦合，屬于步進電機與微控制器的功率接口。控制指令單元，接收脈沖與方向信號，對應(yīng)的脈沖發(fā)生控制單元對應(yīng)生成一組相應(yīng)相數(shù)的脈沖，經(jīng)過功率驅(qū)動單元后送到步進電機，步進電機在對應(yīng)方向上轉(zhuǎn)過一個步距角。驅(qū)動器的脈沖給定方式?jīng)Q定了步進電機運行方式，一般來說步距角越小，則電機初始啟動頻率較高有利于電機加速性能的改善，所以運行方式中強調(diào)了細分驅(qū)動技術(shù)，該方式提高了步進電機的轉(zhuǎn)動力矩和分辨率，完全消除了電機的低頻振蕩。由于目前對X-Y工作臺的定位精度要求越來越高，而步進電機控制多為開環(huán)方式故無法滿足設(shè)計要求，而伺服電機控制的優(yōu)勢彌補了步進電機控制的不足。

伺服電機與步進電機相比，伺服電機在控制精度、高低頻特性等方面具有較大優(yōu)勢。比如步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象；步進電機輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，特別是高速時會急劇下降，伺服電機在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)為恒力矩輸出，在額定轉(zhuǎn)速時為恒功率輸出；過載能力方面，步進電機不具備過載能力，伺服電機有較強的過載能力；運行性能方面，步進電機的控制為開環(huán)控制，伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。由于伺服電機自帶的編碼器只是檢測電機輸入的脈沖數(shù)，而不是嚴格意義上工作臺實際運行的位移，故稱為半閉環(huán)，如果絲桿有間隙和誤差，編碼器是不能補償?shù)模跃托枰鈻懦邅碜鳛橹本€位移的補償，這種系統(tǒng)稱為全閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。由于光柵尺是直線運動的，它是隨著工作臺的運動而實現(xiàn)位移，并不存在反向間隙，實時的反饋數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)誤差作出補償，這樣就能夠很精確地控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確地定位。另外在速度響應(yīng)方面步進電機從靜止到加速至工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，更加適合快速啟停的控制場合。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)中要根據(jù)X-Y工作臺的定位精度要求經(jīng)濟合理地選擇光柵尺的分辨率，做到經(jīng)濟適用。

3 平面電機X-Y步進工作臺

平面電機由定子和動子組成，它與傳統(tǒng)的步進電機相比，其特殊性就是將定子展開，定子是基礎(chǔ)平臺，動子和定子間有一層氣墊，動子浮于氣墊上，所以又叫磁性氣浮工作臺。可編程承片臺則安裝在動子之上。這種結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺，由于動子和定子間無相對摩擦故無磨損，使用壽命長，運行平穩(wěn)，不會有機械傳動發(fā)出的噪音，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。美國EG公司系列探針臺基本采用這種結(jié)構(gòu)的X-Y工作臺，其經(jīng)典機型EG2001X、EG4080、EG4090等在國內(nèi)生產(chǎn)線廣泛使用。其驅(qū)動電路仍然是傳統(tǒng)的PC+I/O+驅(qū)動板+電機的模式，集成的驅(qū)動器非常少見。以EG2001X為例來介紹電機的驅(qū)動原理，其動子由機械部件和電氣控制部分組成，機械部分主要是鑄件加工的動子腔體及與定子X、Y向齒距匹配的齒槽組成，其控制部分由按一定規(guī)則排列的幾組線圈組成，將這些線圈按一定的頭尾順序連接后形成電機的ABCD四相繞組，然后和步進電機的控制原理一樣，采取A-AB-B-BC-C-CD-D-DA的順序給繞組依次通電實現(xiàn)平面電機的控制，只是由于平面電機特殊的加工工藝和結(jié)構(gòu)特點，為保證其X-Y較好的定位精度需要做溫度補償和精度補償工作，這部分電路需要數(shù)模和模數(shù)電路的轉(zhuǎn)換和處理，就不在此贅述了。平面電機工作臺結(jié)構(gòu)簡潔，維修保養(yǎng)方便，但由于動子氣浮在定子上帶載能力較弱，另外電機運行頻率高時易出現(xiàn)失步現(xiàn)象。

圖3 平面電機X-Y步進工作臺結(jié)構(gòu)

4 直線電機x-y工作臺

直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)直線運動機械能而無需通過中問任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪聲低、組合性強、維護方便等優(yōu)點。采用直線電機組成的X-Y工作臺如圖4所示，其主要特點是由于系統(tǒng)中直接取消了絲杠等響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件，使整個系統(tǒng)閉環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)速度大為提高，也避免了絲杠傳動的累計誤差。

圖4 直線電機X-Y工作臺

步進控制位移采用直線光柵尺反饋，全閉環(huán)控制，故定位精度高，穩(wěn)定性好，特別是在大行程、高速度、高精度要求的場合優(yōu)勢與傳統(tǒng)絲杠結(jié)構(gòu)工作臺相比，優(yōu)勢更加明顯。直線電機的控制方法已非常的成熟，其驅(qū)動原理與伺服電機的全閉環(huán)控制原理非常的相似，還有許多成熟的控制方案，如PC+運動控制卡+I/O+專用驅(qū)動器的方式。

5 結(jié)束語

本文對探針臺x-y工作臺常見的幾種結(jié)構(gòu)進行了簡要介紹，指出了各自的結(jié)構(gòu)特點及控制方式，對測試臺X-Y控制的方案確定及選擇具有一定的借鑒作用。