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[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]
分离式光电液位传感器是一种创新的液位控制技术,通过独特的设计和应用方式,实现了对水位的精准监测和控制。这种传感器采用了传统光学传感器的基础,但在设计上有了重大改进。传统光学传感器需要直接置于水箱内部,而分离式液位传感器则将菱镜部分设计成一体化,并置于水箱外部,通过光学组件分离感应水位,解决了水箱移动加水的难题。分离式液位传感器的工作原理十分巧妙。其内部集成了光学电子元件,通过外置的感应方式,实现了无接触、无机械运动的水位检测。这种设计不仅使传感器寿命更长,而且具有高精度、快速反应的特点,同时还支持个性化定制,满足不同用户的需求。[align=center][img=非接触式液位检测,660,440]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/03/202403191530008680_3779_4008598_3.jpg!w660x440.jpg[/img][/align]安装分离式[url=https://www.eptsz.com]光电液位传感器[/url]非常简便,只需在水箱上设计菱镜结构,即可从外部实现水位感应,无需直接接触水箱内部。这种安装方式不仅方便快捷,而且避免了外部结构件对水位传感器的干扰,也更容易清洁,有效地避免了细菌滋生的问题。这种先进的技术已经在多个领域得到了广泛的应用,如加湿器、冲奶机、净水器、热水器、咖啡机、洗碗机、电蒸锅、冷气扇、家电宠物饮水机、水泵、鱼缸、智能机器人、洗地机等工业设备中都可以看到它的身影。通过分离式光电液位传感器,这些设备可以实现更精确、更可靠的水位控制,提升了整体的使用体验和效率,为用户带来了诸多便利。
[font=宋体][back=white]光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的传感器,广泛应用于工业自动化领域。常用的光电传感器主要包括一体式光电传感器、分离式光电传感器和管道光电传感器。[/back][/font][font=宋体][back=white]一体式光电传感器具有结构简单、安装方便的特点,采用的是光电原理,需要在水箱上开孔安装,适合水箱不需要移动的设备。[/back][/font][back=white] [/back][font=宋体][back=white]分离式光电传感器是在传统结构上,将棱镜部位与电子元件分离,棱镜涉及到水箱上,外置感应无接触式,无机械运动寿命长,从而可以移动水箱,随时加水,不容易藏污纳垢,容易清洁。[/back][/font][align=center][img=光电液位传感器,600,324]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309091352378805_6810_4008598_3.jpg!w600x324.jpg[/img][/align][font=宋体][back=white]管道光电传感器是一种专门用于检测管道内缺水的的传感器。管道光电传感器具有结构紧凑、安装方便、响应速度快的特点,适用于管道缺水检测的场景。[/back][/font][font=宋体]光电管道传感器有效解决了浮球式光电传感器低精度卡死的问题。也解决了电容式的感度衰减导致的不可控性失效。[/font][font=宋体][back=white][url=https://www.eptsz.com]光电传感器[/url]在小家电领域起着重要的作用,可以随时检测液位的变化,从而提醒用户,给我们的生活带来了很大的便利。根据不同的应用需求,可以选择适合的光电传感器类型,以实现精确、可靠的检测。[/back][/font]