手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

　　ST-103A型手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)是一種半導(dǎo)體制作工藝的中間測(cè)試設(shè)備， 是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制生產(chǎn)的。主要由工作臺(tái)、顯微鏡、測(cè)試探頭、打點(diǎn)器和電源等組成。工作臺(tái)是探針臺(tái)的主體， 由承片臺(tái)、臺(tái)板和X、Y、Z移動(dòng)平臺(tái)等部分組成。

　　但是由于ST-103A 型測(cè)試臺(tái)是手動(dòng)控制的， 給測(cè)量帶來了很多不便， 控制起來也不精確， 尤其在測(cè)量多點(diǎn)的時(shí)候， 會(huì)帶來很大的誤差。而且每次測(cè)完都要手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)， 使得測(cè)量過程非常麻煩。鑒于以上原因， 對(duì)ST-103A 型手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了改造， 實(shí)現(xiàn)了其全自動(dòng)化控制。給半導(dǎo)體材料的測(cè)試帶來了極大的幫助。

　　1 總體框架

　　ST-103A型手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)為接觸式測(cè)試探針臺(tái)， 即在探針接觸樣品時(shí)才能測(cè)量， 然而在移動(dòng)時(shí)探針是不能接觸樣品的。該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 來帶動(dòng)絲桿和滾珠的轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)探針臺(tái)的自動(dòng)化控制。測(cè)試臺(tái)上的顯微鏡對(duì)探針臺(tái)進(jìn)行放大， 然后經(jīng)過攝像頭和視頻采集卡對(duì)放大后的探針臺(tái)視頻信息進(jìn)行圖像采集， 采集到的圖像信息再送到上位機(jī)VC + + 界面顯示。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)探針臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控， 并且根據(jù)當(dāng)前的視頻圖像就可以做相應(yīng)的控制?？傮w控制框架圖如圖1所示。

圖1 總體控制框架圖

　　2 測(cè)試臺(tái)控制

　　根據(jù)ST-103A型手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)， 要實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)的自動(dòng)化控制， 首先要對(duì)X、Y、Z移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械改造， 采用步進(jìn)電機(jī)代替原來的手輪。X、Y 移動(dòng)平臺(tái)的傳動(dòng)和導(dǎo)向均采用絲桿與直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)， Z軸方向采用滾珠與直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)， 兩者都具有導(dǎo)向精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好， 對(duì)溫度變化的敏感性小等特點(diǎn)。但是步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)軌是不能直接連接的。為了實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)械耦合， 帶來更好的實(shí)驗(yàn)效果， 系統(tǒng)中使用了柔性連軸器作為電機(jī)與導(dǎo)軌的中間紐帶。再加工相應(yīng)的機(jī)械零件將電機(jī)固定于測(cè)試臺(tái)上。

　　采用MSP430F449單片機(jī)作為下位機(jī)的主控芯片， MSP430 系列單片機(jī)具有與眾不同的功能和特點(diǎn)， 超低功耗設(shè)計(jì)可以提高電源的效率， 節(jié)省電能， 眾多的片內(nèi)外圍設(shè)備可以減少成本的投入， 方便的開發(fā)平臺(tái)和Flash型現(xiàn)場(chǎng)更新功能可以有效加速產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。

　　單片機(jī)先通過串口接收上位機(jī)界面的命令信息， 再根據(jù)相應(yīng)的命令通過相應(yīng)的算法之后控制三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)與否， 正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)， 以及轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)和速度。因?yàn)镾T-103A型手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)是接觸式測(cè)試探針臺(tái)， 所以在測(cè)量時(shí)先對(duì)X、Y 軸電機(jī)進(jìn)行控制， 移動(dòng)到測(cè)量位置之后再對(duì)Z 軸電機(jī)進(jìn)行控制。

　　具體控制流程圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)的控制流程圖

　　對(duì)于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)， 該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的L297和L298芯片組和作為驅(qū)動(dòng)?；赬、Y、Z軸三維控制， 因此三套L297和L298芯片。L297的核心是脈沖分配器。它產(chǎn)生三種相序， 對(duì)應(yīng)三種不同的工作方式， 即半步方式(HALFSTEP); 基本步距( FULLSTEP， 整步)一相激勵(lì)方式; 基本步距兩相激勵(lì)方式。L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器， 其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的。為了控制更加精確，系統(tǒng)采用L297的半步方式， 這樣電機(jī)轉(zhuǎn)完一整圈需要400步， 即需要給L297輸入400個(gè)脈沖。

　　3 視頻采集系統(tǒng)

　　視頻采集系統(tǒng)的功能是把顯微鏡里放大的測(cè)試臺(tái)圖像信息采集下來并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)VC+ + 界面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)采用CCD攝像頭與視頻采集卡相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)視頻采集。攝像頭固定在顯微鏡目鏡的位置， 即取代目鏡。視頻卡裝置在上位機(jī)主機(jī)一個(gè)空置的PC I插槽內(nèi)。再用一根視頻信號(hào)傳輸線將攝像頭的輸出口和視頻卡的視頻輸入口連接起來。

　　CCD 攝像頭選用柯士公司生產(chǎn)的CAM-640C型攝像頭。視頻采集卡則是選用圖碼公司開發(fā)的天敏SDK 2000高清圖像采集卡。SDK-2000是一款高品質(zhì)PC I視頻卡， 支持兩路復(fù)合視頻輸入和一路SV ideo 輸入。其工作原理圖如圖3所示。