运动控制构建半导体，第二部分的第一部分

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当你想到半导体制造中的运动控制时，你可能会想到机器人手臂将晶片放置在真空卡盘或伺服电机上，移动步进扫描光刻机中的曝光区域。然而，现实远远超出了实际的工艺工具，包括从在晶圆厂周围移动晶圆荚体到使用拾取-放置操作组装电路板的一切。

在半导体制造领域，时间就是金钱，产量为王，这在其他任何地方都没有。该公司首席执行官兼首席技术官Ty Safreno表示:“所有事情的发展方向都是提高精度，更快地实现目标，并加大加速力度。自动化公司的信任。(加州圣路易斯奥比斯波)。运动控制的新趋势正在提供这样的工具。

晶圆传输
考虑到如今功能尺寸的不断缩小，污染控制对确保产量至关重要。虽然工厂地板通常保持在美国联邦标准100到1000级，但在加工工具的标准相当严格。为了保护300毫米的硅片不受污染，它们在前面开放的统一圆荚体(foup)中从一个工艺工具搅拌到另一个工艺工具。一个FOUP的容量为13到25片晶圆，重量超过19.8磅(9公斤)，可以容纳价值50万美元的产品。在设备前端模块(EFEM)到工艺工具的负载端口，晶圆片从FOUP进入刀具内部;在流程完成之后，它们被重新加载到FOUP中，并进行下一步。

foup通常在一个涉及多达1000辆汽车的自动空中运输系统中移动，每辆汽车在工厂内以10英里/小时的速度在不同的路线上行驶，然后停在给定的加工工具的装货港。根据Anthony Bonora的说法，该公司的副总裁兼首席技术官(Fremont, CA)，这款车包含多个伺服驱动系统轴。皮带或电缆在几秒钟内就能将集装箱降低到港口，在2到3米的落差下，其位置精度只有几毫米。”

这里出现了一个挑战——在不响或过响的情况下停止一个近20磅的FOUP。高度精细化的驱动硬件和控制算法提供了解决方案。使用皮带垂直定位似乎飞在面对传统智慧。毕竟，如果安全带断了，你就有可能在自由落体中承受50万美元的重量。另一方面，皮带是实现足够快的运动的唯一手段。Asyst使用包含嵌入式导体的带，监测带的完整性，并使电力和通信的机械夹持元件。

EFEMs在移动
运动控制和污染控制在EFEM加载端口都起着重要作用。对接FOUP和装载端口的组合使用了一个内部门和锁系统，以防止颗粒从fab地板进入工具。当FOUP靠近装载口时，工艺工具侧的背压将颗粒吹走。因此，负载端口本身通常包含三或四个轴的伺服驱动机制，带有编码器来打开、收回和降低门，并正确地定位FOUP。

EFEMs不仅包括处理晶圆的机器人，它们还集成了机器视觉功能，允许系统识别和对齐晶圆。Bonora说，EFEM是运动控制强度高的。例如，配备有四个负载端口的Asyst EFEM产品共有22个伺服轴:每个负载端口有4个，另外4个用于提取和移动晶圆的晶圆引擎，另外2个用于预对准。

他们是怎么处理这些斧头的?“我们使用一个集中的控制器，但我们的伺服驱动板是分布式的，”Bonora在描述基于synqnet的系统时说。“有了一个中央处理器，如果需要，我们可以协调所有负载端口的活动，以及晶圆引擎的所有活动。它是分布式驱动，但高度集中控制。”

分布式控制使他们最大限度地减少布线，从而减少颗粒物，这在洁净室环境中总是很重要的。“算上所有的限位开关和你可能有的其他类型的传感器，那可能有几十根电线，”博诺拉说。“这些都是我们在控制架构中消除的东西。它还使我们能够利用非常强大的教学和诊断工具。”

这是网络和智能组件的一个常见好处，但Bonora强调它们的控制架构也提供了必要的灵活性。“维修人员可以访问所有不同种类的伺服电机，使用一个通用的诊断和教学平台，但它允许我们使用多种电机，无论是无刷电机，直线电机或刷类型，在使用点的要求。”

运动为计量
不仅仅是同步来加载端口需要快速的设置时间。在今天的工艺中使用的纳米尺度的计量方法需要更好的精确度。在Trust Automation, Safreno和他的团队使用AB类线性伺服驱动器或放大器来实现这一性能，而不是使用更传统的带脉宽调制(PWM)的数字伺服驱动器。

带有PWM的数字伺服驱动器由方波驱动——在10分钟内走10米，例如，系统在一跳中走1米，等待系统时钟在下一分钟计数，再走1米，以此类推。使用滤波技术和千赫兹或更高的调制率，基本的步进运动可以平滑到类似模拟输出，但只到一点。

“在计量应用中，它们不能忍受振动，”Safreno说。“在PWM驱动上，你可能看不到你的编码器计数滴滴作响，因为你已经解决到少于一个计数-你在零或跳跃在零和一个非常微妙的之间，你没有振动足够带你到下一个计数。”

PWM驱动器在编码器信号插补过程中也会产生噪声。他指出:“你会因为机械、电子和机械的东西而产生振动，但你也会产生振动，因为编码器中的敏感电子元件认为物体在运动，而实际上它们没有运动。”

压电致动器为精细定位提供一种选择。它们有很多优点——例如，它们不产生热量，也不产生磁场。然而，与现实世界中的所有工程一样，压电驱动器也需要权衡。

“Piezos并不是精细运动控制的世界答案，”Safreno说。“它们有一些很酷的应用，但通常没有很大的支撑力。他们并没有很长的生命周期。由于压电马达执行摩擦拖曳式运动，因此会产生微粒，而如果需要高力或高加速度，则无法实现。”

进入AB类线性伺服驱动器。与脉宽调制数字伺服驱动器不同，AB线性伺服驱动器输出可变电压以产生匀速运动，而不是离散步骤运动。这种平滑的运动可以提供纳米尺度计量应用所需的精度水平和沉降时间。

不过，Safreno指出，还是有权衡的余地。“你得到稳定直流电压的原因是，你知道(你需要)多少电压，这等于进入电机的电流。剩下的能量，作为热量扔掉。这使它成为一种非常精确的驱动，但也使它成为一种低效的驱动。”但是，在某些应用程序中，对性能的需求超过了对效率的关注。

本文的第二部分将讨论运动控制在拾取和放置电子装配中的应用。不要错过它!

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