手動探針測試臺的自動化設(shè)計

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

　　但是由于ST-103A 型測試臺是手動控制的， 給測量帶來了很多不便， 控制起來也不精確， 尤其在測量多點的時候， 會帶來很大的誤差。而且每次測完都要手動記錄數(shù)據(jù)， 使得測量過程非常麻煩。鑒于以上原因， 對ST-103A 型手動探針測試臺進行了改造， 實現(xiàn)了其全自動化控制。給半導(dǎo)體材料的測試帶來了極大的幫助。

　　1 總體框架

　　ST-103A型手動探針測試臺為接觸式測試探針臺， 即在探針接觸樣品時才能測量， 然而在移動時探針是不能接觸樣品的。該系統(tǒng)采用單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)動 來帶動絲桿和滾珠的轉(zhuǎn)動， 從而實現(xiàn)探針臺的自動化控制。測試臺上的顯微鏡對探針臺進行放大， 然后經(jīng)過攝像頭和視頻采集卡對放大后的探針臺視頻信息進行圖像采集， 采集到的圖像信息再送到上位機VC + + 界面顯示。從而實現(xiàn)了對探針臺的實時監(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 測試臺控制

　　根據(jù)ST-103A型手動探針測試臺的結(jié)構(gòu)， 要實現(xiàn)測試臺的自動化控制， 首先要對X、Y、Z移動平臺進行機械改造， 采用步進電機代替原來的手輪。X、Y 移動平臺的傳動和導(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， 對溫度變化的敏感性小等特點。但是步進電機與導(dǎo)軌是不能直接連接的。為了實現(xiàn)更好的機械耦合， 帶來更好的實驗效果， 系統(tǒng)中使用了柔性連軸器作為電機與導(dǎo)軌的中間紐帶。再加工相應(yīng)的機械零件將電機固定于測試臺上。

　　采用MSP430F449單片機作為下位機的主控芯片， MSP430 系列單片機具有與眾不同的功能和特點， 超低功耗設(shè)計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)平臺和Flash型現(xiàn)場更新功能可以有效加速產(chǎn)品的開發(fā)進程。

　　單片機先通過串口接收上位機界面的命令信息， 再根據(jù)相應(yīng)的命令通過相應(yīng)的算法之后控制三個電機的轉(zhuǎn)與否， 正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)， 以及轉(zhuǎn)動的步數(shù)和速度。因為ST-103A型手動探針測試臺是接觸式測試探針臺， 所以在測量時先對X、Y 軸電機進行控制， 移動到測量位置之后再對Z 軸電機進行控制。

　　具體控制流程圖如圖2所示。

圖2 下位機的控制流程圖

　　對于電機的驅(qū)動， 該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的L297和L298芯片組和作為驅(qū)動?；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)一相激勵方式; 基本步距兩相激勵方式。L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器， 其設(shè)計是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的。為了控制更加精確，系統(tǒng)采用L297的半步方式， 這樣電機轉(zhuǎn)完一整圈需要400步， 即需要給L297輸入400個脈沖。

　　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試臺圖像信息采集下來并傳輸?shù)缴衔粰CVC+ + 界面，從而實現(xiàn)對測試臺的實時監(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主機一個空置的PC I插槽內(nèi)。再用一根視頻信號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。