双盘独立控制磨抛机

[align=center][size=16px][img=气囊抛光中接触力和接触面积同时控制的解决方案,500,322]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303091521433641_8767_3221506_3.jpg!w690x445.jpg[/img][/size][/align][size=16px][color=#339999]摘要：针对目前气囊抛光设备中只能进行恒定加载力和在线调节气囊充气压力的局限性，本文提出了加载力和充气压力两个参数同时在线控制的解决方案，由此可实现气囊抛光过程中接触力和接触面积的实时控制，进一步提高气囊抛光的质量。[/color][/size][align=center][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px]气囊抛光作为一种新兴的抛光工艺常用于自由曲面的抛光，气囊抛光主要通过控制柔性气囊内的气体压力（压强）使气囊能够与各种曲面稳定接触，当接触时间一定时即可实现材料去除量的可预测性，因此可以通过调节压力控制抛光效率和被抛光工件的表面质量。[/size][size=16px]在实际应用中，气囊抛光技术要真正成为一种主动柔顺性抛光工具，不但要控制气囊内部压力来改变抛光过程中的接触面积，还需控制气囊抛光过程中的接触力。因此，气囊抛光技术中的两个重要控制参数分别是气囊内部气体压力和接触力大小。[/size][size=16px]现有的各种气囊抛光设备中，一般是通过控制气囊内部压力来调节接触面积，并采用弹簧或其他柔性材料来使抛光过程中的接触力尽可能保持在一定范围内，很难对接触力进行在线控制。为此，基于气囊内部压力控制的同时，本文提出了一种接触力也能同时控制的解决方案，由此增强气囊抛光过程的在线控制，更能保证气囊抛光过程的平稳性和均匀性。[/size][b][size=18px][color=#339999]2. 解决方案[/color][/size][/b][size=16px]针对上述TEC温控装置具备的功能和相关指标，本文给出的具体实施方案如图1所示。[/size][align=center][b][color=#339999][img=气囊抛光工具接触力和气体压力控制系统结构示意图,500,503]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303091523407373_5680_3221506_3.jpg!w690x695.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 接触力和气体压力控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px]解决方案的目的是实现对球囊抛光过程中的接触面积和接触力两个参量同时进行在线控制，即一是通过调节球囊内部气体压力来在线控制接触面积，二是通过调节气囊抛光工具的上下位移和伸缩来在线控制接触力。[/size][size=16px]气体压力控制回路由压力传感器、电气比例阀和高压气源构成，位移控制回路由位移或接触力传感器和致动器构成，这两个独立回路由VPC2021-2双通道PID控制器进行控制。此双通道PID控制器具有很高的采集和控制精度，指标为24位AD、16位DA和最小输出百分比为0.01%，带通讯功能的PID控制器与上位机连接，自带软件也可用于独立调试运行。[/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align]

[color=#990000]摘要：为大幅度提高现有CMP工艺设备中压力控制的稳定性，在现有电气比例阀这种单回路PID压力调节技术的基础上，本文提出了升级改造方案，即采用串级控制法（双回路PID控制，也称级联控制），通过在现有电气比例阀回路中增加更高精度的压力传感器和PID控制器，可以将研磨抛光压力的稳定性提高一个数量级，从1~2%的稳定性提升到0.1~0.2%。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000][b]一、问题的提出[/b][/color][/size]在半导体制造过程中，化学机械抛光（CMP）是在半导体晶片上产生光滑、平坦表面的关键工艺。CMP工艺中的压力控制是决定最终产品质量的关键因素。如果压力过高，会损坏半导体材料；如果压力太低，会导致表面不平整。CMP系统中需要配置专用的压力调节装置，以确保压力保持在安全范围内。通过将压力保持在安全范围内，压力调节装置有助于确保半导体晶片在CMP过程中不被损坏。目前的CMP系统中普遍采用电气比例阀作为压力调节器，其典型结构如图1所示。在CMP中采用比例阀来控制抛光过程中施加在晶圆上的压力。由于比例阀是电子控制和压力值的模拟信号输出，因此可以通过控制系统（如PLC）对其进行动态编程和压力监控，这意味可以根据被抛光的特定晶片准确改变施加的压力。此外，由于电气比例阀作为压力调节器是一个闭环控制，即使在下游压力发生变化期间，施加在抛光垫上的压力也会保持不变，由此实现压力的自动调节。[align=center][img=常规研磨机电气比例阀压力控制系统结构,600,280]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209150917534790_1434_3221506_3.png!w690x322.jpg[/img][/align][align=center]图1 常规CMP系统中电气比例阀压力控制装置结构示意图[/align]在一些CMP工艺的实际应用中，要求抛光压力具有很高的稳定性，图1所示的常规压力调节装置则无法满足使用要求，这主要体现在以下几方面的不足：（1）电气比例阀的整体控制精度明显不足，其整体精度（包含线性度、迟滞和重复性）往往在1~2%范围内。这种精度水平主要受集成在比例阀内的压力传感器、高速电磁阀和PID控制器性能和体积等因素制约，而且进一步提高的空间非常有限。（2）电气比例阀安装位置与气缸有一定的距离，由此造成比例阀所检测到的压力值并不是气缸的真实压力，而且比例阀处压力与气缸压力之间有一定的时间滞后。为解决上述存在的问题，进一步提高现有CMP工艺设备中压力控制的稳定性，在现有电气比例阀这种单回路PID压力调节技术的基础上，本文将提出升级改造方案，即采用串级控制法（双回路PID控制，也称级联控制），通过在电气比例阀回路中增加更高精度的压力传感器和PID控制器，可以将研磨抛光压力的稳定性提高一个数量级，从1~2%的稳定性提升到0.1~0.2%。[size=18px][color=#990000][b]二、CMP设备压力控制的串级PID控制方案[/b][/color][/size]在传统的CMP设备压力调节过程中，采用电气比例阀进行压力调节的稳定性完全受集成在比例阀内的压力传感器、高速电磁阀和PID控制器性能和体积等因素制约。为了提高压力控制的稳定性，并充分发挥电气比例阀的自身优势，我们采用了一种串级控制技术，即在作为第一回路的电气比例阀中增加第二控制回路，其中第二控制回路由更高精度的压力传感器和PID控制器构成。串级PID控制方案的整体结构如图2所示。[align=center][img=03.超高精密研磨机电气比例阀压力串级控制系统结构,600,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209150918245058_1534_3221506_3.png!w690x384.jpg[/img][/align][align=center]图2 串级控制法CMP系统压力控制装置结构示意图[/align]在图2所示的串级控制法压力调节装置中，安装了一个外置压力传感器用于直接监测气缸内的气压，压力传感器检测到的气缸压力信号传输给外置的PID控制器，外置PID控制器根据设定值或设定程序将控制信号传送给电气比例阀，比例阀根据此控制信号再经其内部PID控制器来调节高速电磁阀的动作，使得电气比例阀输出到气缸的气体气压与设定值始终保持一致。从上述串级控制过程可以看出，串级控制是一个双控制回路，是两个独立的PID控制回路，电气比例阀起到的是一个执行器的作用。串级控制法（也称级联控制法）是一种有效提升控制精度的传统方法，但在具体实施过程中，需要满足的条件是：[color=#990000]第二回路的传感器和PID控制器（这里是外置压力传感器和PID控制器）精度一般要比第一回路的传感器（这里是电气比例阀内置的压力传感器和PID控制器）要高。[/color]为了实现更高稳定性的CMP系统压力控制，我们推荐的实施方案是采用0.05%精度的外置压力传感器和超高精度PID控制器（技术指标为24位ADC、16位DAC和双浮点运算的0.01%最小输出百分比）。此实施方案我们已经进行过大量考核试验，压力稳定性可以轻松达到0.1%。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]