本文介绍了半导体行业探针台设备的基本工作原理和全闭环功能在半导体检测 中的应用，并分析了全闭环功能对提高探针台设备性能的重要性。通过分析探针台设备的关键性能指标，探讨了全闭环功能在提高检测效率和精度方面的优势。同时，本文还讨论了雷赛L8系列伺服全闭环控制系统的工作原理，以及如何通过技术优化实现更高效的生产过程和更低的制造成本。

　　文/深圳市雷赛智能控制股份有限公司 黄浩炜

　　1 引言

　　随着半导体行业的快速发展，对晶圆检测的精度和效率要求越来越高。探针台作为检 测过程中的关键设备，其性能直接影响到检测结果的准确性和生产效率。本文旨在探讨雷 赛L8系列伺服全闭环功能在半导体行业探针台设备检测领域的应用，并分析其技术优势。

　　2 探针台设备概述

　　探针台是一种用于半导体晶圆检测的精密设备，其工作原理是将晶圆固定在平台上，通过平台的移动和视觉系统搜索定位每颗晶粒的位置。随后，探针台平台移动晶粒至探针下方，探针下降并与晶粒建立物理连接，检测其电气性能，并将结果记录在MAP地图中。

　　(1)功能

　　·探针台的主要功能是对半导体晶圆上的芯片进行电性能测试，包括参数测试、功能 测试等;

　　·它能够检测晶圆上的每一个芯片是否符合设计规范，确保最终产品的质量和性能。

　　(2)组成

　　·晶圆夹持系统：用于固定晶圆，保证其在测试过程中的稳定性;

　　·探针卡：装有多个精密探针，用于与晶圆上的接触点进行电气连接;

　　·X-Y 移动平台：使探针卡能够在晶圆上方精确移动，实现对每个芯片的定位;

　　·视觉系统：用于识别晶圆上芯片的位置，指导X-Y平台的移动;

　　·控制系统：控制整个探针台的操作流程，包括晶圆的夹持、探针的下降、测试数据的采集等。

　　(3)工作原理：

　　l 圆被放置在晶圆夹持系统中固定;

　　l 通过视觉系统识别晶圆上芯片的位置，并计算出探针卡的移动路径;

　　l X-Y 移动平台根据计算结果移动探针卡至目标芯片上方;

　　l 控制系统控制探针下降，与芯片的接触点进行电气连接;

　　l 进行电性能测试，并将测试数据记录下来。

　　(4)应用领域

　　主要应用于半导体制造过程中的晶圆检测，包括集成电路、存储器、微处理器等的测试。

图1 探针台设备X/Y工作台

　　3 全闭环控制系统原理

　　全闭环功能，就是使用外置的外部位移传感器(类似光栅尺、磁栅尺)直接检测出控 制对象的位置进行反馈并进行位置控制。这样可以使控制不受丝杆的误差以及温度引起的位置变化影响。其控制原理框图如图2所示，位置环使用外部编码反馈作为闭环控制来源，速度环仍使用内部电机编码反馈作为控制，以此确保外部位置控制精准的情况下，兼顾内环速度控制的稳定性。

图2 伺服全闭环系统控制框图

　　4 雷赛L8伺服全闭环控制在探针台设备中的应用

　　雷赛L8系列伺服全闭环功能在半导体探针台设备有广泛的应用，满足设备定位精度要求的同时，兼顾快速响应性需求。

　　4.1探针台设备性能需求点

　　雷赛L8系列伺服全闭环功能在半导体探针台设备有广泛的应用，设备需具备以下关键性能指标：

　　·设备UPH(单位时间内处理的晶粒数量)：需达到30～60K，以保证高效率的生产过程;

　　·支持全闭环控制系统：外部光栅确保定位的精准性;

　　·整定时间：能够在10毫秒内完成整定，精度达到2微米，确保检测的高精度;

　　·设备在运行过程中需支持电压跌落测试;

　　·设备运行需平顺，无异响，保证生产环境的稳定性。

图3 探针台设备丝杆和光栅尺位置

　　4.2系统实现难点

　　该探针台设备性能指标上，主要的难点在于：

　　(1)全闭环位置控制的精准性：外部光栅接入的全闭环控制算法，保证每次晶圆移动的位置精准;

　　(2)高响应性：要求10ms内定位到2μm精度。目前市面上，伺服系统往往在开启全闭环功能后，其响应性会受到较大影响，精度和快速响应很难平衡。

　　4.3 雷赛L8系列伺服实现方案

　　针对以上关键性能指标，雷赛L8系列伺服与控制卡搭配，形成系统如图4所示。

图4 探针台设备雷赛控制系统方案

　　该控制系统解决了上述难点，可以做到：

　　(1)全闭环支持：L8系列伺服支持全闭环功能，位置环使用外部光栅尺闭环，开启 PA0.30=1 全闭环功能(如图5所示)，满足定位2μm精度要求;

　　(2)高响应性兼容：如图5所示，探针台X轴，示波器图中可以看到位置指令速度(上位机下发指令)、位置误差(指令位置-反馈位置，单位为外部光栅分辨率0.5μm)信息，通过示波器游标可以看出，该轴实际整定时间<9ms,精度达2μm。

图5 探针台X轴伺服整定时间波形

　　为了达到整定时间9ms以内的响应需求，伺服调试的关键参数在于：

　　①高增益：雷赛简单易用的刚性表模式，简单设置刚性参数即可将伺服三环响应 性提高，L8系列3.5kHz速度环带宽响应频率保证到位段快速且无超调;

　　②前馈与平滑的平衡：雷赛行业领先的模型控制跟随功能(MFC)，兼顾前馈和平 滑作用，在保证到位快速的同时对指令平滑处理，抑制电机加减速段的加速电流，从而减少对机构的冲击力;

　　③针对全闭环应用，雷赛先进的高阶双重位置反馈增益参数设置：该增益可以在 电机不同运行状态下灵活切换全闭环控制和半闭环控制,从而使系统既有全闭环控制的精度又可保持半闭环控制响应性，数值越大补偿的效果越明显。

　　(3)运行平顺：雷赛伺服调试软件机械特性分析波特图模块，识别机械共振点，辅助设置陷波参数，解决运行噪音问题。

　　5 结束语

　　本文主要介绍了探针台设备的功能、应用场景和关键性能指标，通过实际案例介绍雷赛 L8 系列全闭环功能在探针台设备的应用，及其“全功能、高响应”的特点。通过本文的介绍，可以帮助探针台设备工程技术人员更加熟练地设计使用雷赛 L8 伺服控制系统。该伺服系统可以显著助力探针台和其他半导体设备关键零部件国产化，更有助于推进半导体生产设备国产替代的进程。