半导体测试职位的成功

精确的反馈，非线性控制算法，精密材料聚焦成像仪和位置探头用于半导体测试应用

谈到半导体制造时，时间可能是金钱，但产量胜过所有人。如果它们不起作用，则制造步骤发生的速度或者在给定批处理中出现多少次并不重要，这并不重要。结果，虽然流程步骤必须具有经济上可行的吞吐量的时钟，但测试是每一位重要。具有目前在横跨晶片的数十纳米的临界尺寸大至450毫米的尺寸，有效和可重复定位晶片，光学和测量设备的能力对于捕获准确数据至关重要。这使得运动控制半导体工业的必要支持技术。

我们可以松散地将半导体制造分为前端和后端处理。两者之间的分离不太少于灰色区域，而是出于本文的目的，我们将定义前端处理，作为图案化晶片的一切涉及的一切，然后以后涉及一切的后端处理，从切割开始并转移包装。前端测试过程包括晶圆检测和过程控制计量，在处理步骤等蚀刻和植入之间进行。后端测试过程包括在切割晶片和检查封装设备之前测试单个模具。

晶片检测技术范围从全晶片光学成像到局部光学显微镜，扫描探头和电子成像。这里的挑战涉及维持在焦点检查下的区域，这变得越来越困难，因为晶片尺寸增加。同时，随着临界尺寸的缩小尺寸，可能会影响芯片性能的缺陷的大小超出了光学技术的分辨率，强迫制造商转向原子力显微镜等替代品。

为了成功检查，需要将晶片定位在系统的焦平面中，并转换，使得所有晶片可以以最高速度映射。这需要在X-Y平面中的毫米级运动的组合，与Z轴沿Z轴和沿X轴和Y轴相结合，以及沿亚微米或甚至纳米级运动。

一旦晶圆成型，就需要测试骰子。随着利润空间收紧，制造商已经将检测范围从过程控制的少量样品扩大到往往是100%的检查。为了保持产量，450毫米晶圆上的探针测试片必须以10- 100µm为单位在测试点之间以毫秒为单位移动。

在许多方面，前端和后端测试的运动问题是相同的：以快速，小增量移动。当然，问题是，运动的速度越快，过冲或振铃的可能性就越大，这增加了稳定时间。“如果你看待解决的物理学，这是一个指数过程，”Physik Intrumente（PI）的纳米幻想技术总监Scott Jordan说。“较细的公差，事情落入位置越长。如果你在一个像半导体制造这样的领域，分辨率非常重要，所以是时候了。这些是难以同时满足的挑战。“

为了说明规格，制造商使用诸如观察者控制，其中数据和建模产生复杂的运动轮廓，其允许系统尽可能快地减速，同时最小化振铃和过冲。

职位反馈
半导体测试常用的两种定位方案是线性马达-基本上是一个旋转伺服马达伸展平坦和压电定位器，由堆叠的陶瓷材料构成，在施加电压下膨胀。直线电机可以实现亚微米分辨率，行程长度在理论上仅受磁铁轨道的长度限制。压电堆叠定位器提供亚纳米分辨率，行程最长可达2毫米，这取决于设计。通常,两种技术结合形成阶段与粗,fine-positioning功能(参见图1)。与高分辨率编码器设备控制,这样一个系统可以提供纳米重复性在数百毫米,允许系统扫描一个薄片,然后准确地返回到一个已知的缺陷。

上面给出的数字只是大致数字——最终，准确性、可重复性和分辨率取决于反馈的质量。一种越来越常见的方法是使用多个编码器，一个在电机上，一个在负载上。系统设计者也在转向更新的技术，如同步串行接口(SSI)协议。Galil运动控制公司技术支持组主任Kaushal Shah说:“在过去的五到七年里，我们看到了很多SSI编码器。“在过去三年左右的时间里，我们看到了很多bis编码器用于绝对定位。它们提供了解决方案和高更新速率，使我们能够在系统中实现高带宽。“

定位边缘生成（PEG）等技术，其中系统在达到所请求位置时产生脉冲或边缘，允许控制器确认负载已达到所需的点。“我们使用高速位置闩锁和输出比较，我们在硬件中非常快速地比较，因此当该信号进入时，我们几乎瞬间捕获了位置，”加利利尔动作控制的销售和营销副总裁Lisa Wade说。

压电定位器更常用的电容传感器，该电容传感器由相对的金刚石加工板组成。随着压电材料的膨胀或收缩，它移动其中一个板。改变分离改变了装置的电容。可以处理信号以从高带宽，环境稳定的来源产生纳米级绝对位移数据。

在以保持焦点为关键参数的晶片检测系统中，光学技术提供了另一种反馈。Jordan说:“系统需要真正快速、可重复、精确的对焦——与其说是对位置传感器，不如说是对焦传感器。”一种方法是使用专用的光学传感器，理想情况下通过成像光学传感焦平面，以避免偏移问题。这种方法提供了速度优势，同时也允许自动聚焦非图形区域，这在涂层计量中是重要的。将这些传感器实时集成到压电聚焦系统中是一个最近取得重大进展的领域。

晶圆片图像的傅里叶分析提供了另一种确定焦点的方法。一个有图案的晶圆片的内焦点图像将有许多尖锐的边缘，因此，有大量的高空间频率内容。失焦图像会包含大量的低频内容。该定位器可以快速地进行分析，并将晶圆片驱动到理想位置。

当然，这就引出了控制的问题。

保持控制
半导体测试的挑战之一是，应用不仅需要高分辨率、高精度和可重复性，还需要多个高同步轴的性能。一个系统包含的轴线越多，它的布线就越多，这就引入了故障点，更不用说成本了，而且在污染敏感的半导体环境中这一点很重要微粒的来源．减少布线的一种选择是使用分布式控制，但它在此应用程序中可能不像您想象的那么流行。

在延伸超过数百英尺的食品包装线的情况下，由菊花链电机驱动器组成的分布式架构提供了良好的长线运行替代方案。相比之下，半导体测试设备的特征在米或更小的顺序上运行。虽然轴数可能低于该高速包装线的轴数，但性能要求更严格。结果，系统通常利用具有高速处理器的集中控制，例如还原指令集计算机（RISC）芯片。“动作很短，轴如此紧密耦合，你需要专用的处理器，”韦德说。“你不是试图使用一堆独立的单轴控制器和智能硬盘通过软件通过主机进行协调。”

系统通常利用大约一百瓦的速度利用电机。电气部件和散热的改进使电动机驱动器的尺寸降低到其以前散装的一部分。十年前，八个500 W电机的控制器/驱动器包可能已经占据了一个大鞋盒的空间。如今，同一八轴的控制器/驱动器包是关于硬通新颖的大小（见图2）。

他们不仅使得更紧凑，它们也变得更经济。“驱动元件已经如此之多地下来，因此，您可以获得超过每根轴100美元的四轴500W驱动器可以获得的热效率更为热效率，”韦德说。"That's why we’re still seeing a lot of centralized control because if you can figure out how to get the motion controllers and the drives all in one package in a small space, then you can solve that wiring problem. Especially if you're at eight axes or even 16 axes, it's going to be more cost effective than it will be with separate single-axis controller and drive packages."

这并不是说设计有时不会利用以太网的多种风格之一来将反馈连接到控制器，甚至将不相关的轴连接到一组高度同步的轴上。例如，考虑一个八轴控制器。在切片之前，定位探针来测试晶圆上的单个骰子可能需要6个紧密耦合的运动轴。这六个轴通过一个中央橱柜的集中式架构进行操作。将控制器与驱动器放置在一个外壳中，所有这些驱动器都尽可能靠近探头，从而减少电缆的运行，以及电缆的弯曲可能产生粒子。同时，控制器处理的其他两个轴可能在机器的另一端，通过以太网连接连接。

控制呈现其他挑战。在与电容反馈一起使用的压电定位器的情况下，控制器需要能够处理子纳米级传感所需的专用模拟反馈。同样，驱动要求是不同的。压电器件可以要求多达100或120 V DC。也许更重要的是他们响应驱动电压的方式。“压电装置的位置或多或少地与施加的电压成比例，而在电动机上，通常，速度或力与施加的电压成比例，因此它是一个完全不同的物理域，”乔丹说所需的性能，设备需要选择正确的控制器。

最终，无论组件有多好，系统都需要进行适当的调整和设计。大多数测试平台需要x、y、z和?x、?y和?z的运动。重要的是要考虑多轴系统的规范，而不是将六个单独轴的规范堆积起来。同样重要的是要记住，改变方向可能会引入误差，无论是来自材料滞后，如电气，或来自电机/齿轮箱组合的反弹。

一个系统可能在纸上看起来很好，但当运动在实际的物理结构中发生时，可能会出现共振，振动可能会被放大。韦德说:“当你谈论那些非常精确的应用时，一切都有影响。”“即使你有一个控制器可以补偿很多，你仍然需要做系统调整，以确保系统中的非线性问题得到解决。”使用机电原则在设计阶段可以消除许多这些问题;控制器中的可调调谐参数和调谐软件可以处理其余的工作。“使用时域调谐软件，我可以在系统中设置一个干扰，看看我得到了多少超调，找出我的上升时间，是否有铃声，”韦德说。“在频域，我可以找出我是否有共振。如果我有一个特定频率的共振把陷波滤波器放进控制器，我就能知道它会是什么样子。我认为这很大程度上取决于工具和在那个水平上进行测量。”

另一种日益相关的方法是使用平行运动学，即工件由多个促动器同时驱动，而不是采用堆叠方式。乔丹指出:“解决堆叠问题，就可以消除质量、正交性、材料偏斜、电缆混乱和体积过大等问题。”并行运动设计出现在性能最高的压电级和电动六足定位器。

可能有关于摩尔定律是否会继续持有长期持有的问题，但有一件事是肯定的：半导体行业将继续走向较小的特征尺寸。努力的成功将符合准确，可重复，实惠的定位的可用性。已经洪水已经进入了过去几年的市场，而且该领域的创新率仅延续。