手動(dòng)探針測試臺的自動(dòng)化設計

　　ST-103A型手動(dòng)探針測試臺是一種半導體制作工藝的中間測試設備， 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(diǎn)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(dòng)平臺等部分組成。

　　但是由于ST-103A 型測試臺是手動(dòng)控制的， 給測量帶來(lái)了很多不便， 控制起來(lái)也不精確， 尤其在測量多點(diǎn)的時(shí)候， 會(huì )帶來(lái)很大的誤差。而且每次測完都要手動(dòng)記錄數據， 使得測量過(guò)程非常麻煩。鑒于以上原因， 對ST-103A 型手動(dòng)探針測試臺進(jìn)行了改造， 實(shí)現了其全自動(dòng)化控制。給半導體材料的測試帶來(lái)了極大的幫助。

　　1 總體框架

　　ST-103A型手動(dòng)探針測試臺為接觸式測試探針臺， 即在探針接觸樣品時(shí)才能測量， 然而在移動(dòng)時(shí)探針是不能接觸樣品的。該系統采用單片機控制步進(jìn)電機的轉動(dòng) 來(lái)帶動(dòng)絲桿和滾珠的轉動(dòng)， 從而實(shí)現探針臺的自動(dòng)化控制。測試臺上的顯微鏡對探針臺進(jìn)行放大， 然后經(jīng)過(guò)攝像頭和視頻采集卡對放大后的探針臺視頻信息進(jìn)行圖像采集， 采集到的圖像信息再送到上位機VC + + 界面顯示。從而實(shí)現了對探針臺的實(shí)時(shí)監控， 并且根據當前的視頻圖像就可以做相應的控制?？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ST-103A型手動(dòng)探針測試臺的結構， 要實(shí)現測試臺的自動(dòng)化控制， 首先要對X、Y、Z移動(dòng)平臺進(jìn)行機械改造， 采用步進(jìn)電機代替原來(lái)的手輪。X、Y 移動(dòng)平臺的傳動(dòng)和導向均采用絲桿與直線(xiàn)導軌結構， Z軸方向采用滾珠與直線(xiàn)導軌結構， 兩者都具有導向精度高、靈敏度高、穩定性好， 對溫度變化的敏感性小等特點(diǎn)。但是步進(jìn)電機與導軌是不能直接連接的。為了實(shí)現更好的機械耦合， 帶來(lái)更好的實(shí)驗效果， 系統中使用了柔性連軸器作為電機與導軌的中間紐帶。再加工相應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(diǎn)， 超低功耗設計可以提高電源的效率， 節省電能， 眾多的片內外圍設備可以減少成本的投入， 方便的開(kāi)發(fā)平臺和Flash型現場(chǎng)更新功能可以有效加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

　　單片機先通過(guò)串口接收上位機界面的命令信息， 再根據相應的命令通過(guò)相應的算法之后控制三個(gè)電機的轉與否， 正轉或者反轉， 以及轉動(dòng)的步數和速度。因為ST-103A型手動(dòng)探針測試臺是接觸式測試探針臺， 所以在測量時(shí)先對X、Y 軸電機進(jìn)行控制， 移動(dòng)到測量位置之后再對Z 軸電機進(jìn)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

　　對于電機的驅動(dòng)， 該系統采用傳統的L297和L298芯片組和作為驅動(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， 對應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、大電流雙全橋式驅動(dòng)器， 其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動(dòng)電感負載的。為了控制更加精確，系統采用L297的半步方式， 這樣電機轉完一整圈需要400步， 即需要給L297輸入400個(gè)脈沖。

　　3 視頻采集系統

　　視頻采集系統的功能是把顯微鏡里放大的測試臺圖像信息采集下來(lái)并傳輸到上位機VC+ + 界面，從而實(shí)現對測試臺的實(shí)時(shí)監控。該系統采用CCD攝像頭與視頻采集卡相結合的方式實(shí)現視頻采集。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(gè)空置的PC I插槽內。再用一根視頻信號傳輸線(xiàn)將攝像頭的輸出口和視頻卡的視頻輸入口連接起來(lái)。

　　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(kāi)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， 支持兩路復合視頻輸入和一路SV ideo 輸入。其工作原理圖如圖3所示。