具有冗餘加速度計的加速傳感器的製作方法

2023-04-28 04:20:11

專利名稱：具有冗餘加速度計的加速傳感器的製作方法
技術領域：
背景技術：
半導體加工系統的特徵在於極為清潔的環境以及極為精確的半 導體晶片移動。工業高度依賴高精度的機器人系統，從而採用必要的 精度在半導體加工系統內各種加工站附近移動襯底(如半導體晶片)。
這種機器人系統的可靠並且高效的操作依賴於精確的定位、對
準、和/或組件的平行(parallelism)。精確的晶片位置可以最小化晶片 意外刮擦晶片加工系統的系統壁的機率。為了最佳化所述工藝的成品 率，可能需要晶片在工藝室(chamber)中的工藝基座(process pedestal) 上的精確定位。為了確保在從機器人末端執行器(end effector)向晶 片7承載支架(carrier shelves)、預對準器(pre-aligner)真空吸盤(vacuum chuck)、負載鎖定升降器支架、工藝室轉移針(transfer pin)和/或基 座轉移期間出現最小的滑動(slide)或移動，半導體加工系統內襯底 之間的精確平行是十分重要的。當晶片緊貼支撐滑動時，可能會刮掉 微粒(particle),這導致成品率降低。即使以不到一毫米的程度錯誤 地放置或對偏組件，都能夠對半導體加工系統內各種組件的協作造成 影響，導致產品成品率和/或質量的降低。
必須在最初的製造中實現這種精確定位，並且必須在系統使用期 間保持這種精確定位。部件定位可能因正常磨損或由於維護、修理、 改變、或替換發生改變。因此，對半導體加工系統的各種部件的相對 微小位置上的變化進行自動測量和補償變得非常重要。
過去，曾試圖提供襯底形式的類似襯底的(substrate-like)傳感 器，如，能夠在半導體加工系統中移動，以便無線地傳送諸如半導體 系統內的襯底傾角(inclination)和加速度(acceleration)之類的信息 的晶片。在授予Reginald Hunter的美國專利6,266,121中示出了這樣的系統的一個特定示例。該系統包括傾斜儀(inclinometer),所述傾斜 儀具有空腔和探針陣列，所述空腔部分地填充有諸如水銀之類的導電 流體，所述探針被垂直地設置在空腔內導電流體中。此外6,266,121專 利的系統提供了加速度計，該加速度計被安裝到支撐平臺，對傳感器 設備的加速度進行感測。
用於水平感測的高精度加速度計往往相對昂貴和龐大，在z軸上 尤為明顯，這是因為它們包含大的移動部分。使用大加速度計(如， 大電解加速度計、或大微機電系統(MEMS)加速度計)可以提供高 信噪比(S/N)，然而需要較大的垂直z軸空間。此外，這些加速度計通 常成本相對較高，因而提高了類似襯底的傳感器的總成本。
如果類似襯底的傳感器根據其設計必須能夠採用與襯底相同的方 式在半導體加工系統中移動，則類似襯底的傳感器必須不超過襯底所 允許的物理封裝(envelope)。在以下規範中可以找到常見晶片尺寸和 特性SEMI Ml-0302，"Specification for Polished Monochrystoline Silicon Wafers",Semiconductor Equipment and Materials International, www.semi.grg。對於與類似襯底的傳感器一起使用的加速度計的選擇 受成本問題以及整個加速度計高度的限制。提供一種低成本並且極為 低矮(low-profile)的加速度計系統將為無線類似襯底的感測技術提 供顯著優勢。

發明內容
提供了一種加速度測量系統。該系統包括至少第一和第二加速度 計。第一加速度計具有隨第一軸上的加速度而變化的電特性。第二加 速度計也具有隨相同的第一軸上的加速度而變化的電特性。控制器可 操作地耦合至第一和第二加速度計，並且提供以第一和第二加速度計 的電特性為基礎的加速度輸出。在一方面，加速度系統是類似襯底的 傳感器形式的。


圖l是無線類似襯底的傳感器的透視圖，採用該無線類似襯底的傳感器本發明的實施例極為有用。
圖2是根據本發明實施例的無線類似襯底的傳感器的方框圖。 圖3是多個獨立加速度計的圖示。
圖4是四個獨立加速度計的示意圖，所述四個加速度計被電耦合 為使得它們的以電子方式合併後的輸出更為精確。
具體實施例方式
本發明的實施例一般地提供了多個成本相對較低、高度相對較低 的加速度計，所述加速度計被設置為，至少兩個加速度計對相同軸上 的加速度予以響應。這種配置使多個低成本加速度計能夠以比可以從 各獨立傳感器獲得的信噪比高的信噪比提供更精確的信號。此外，相 信對於無線類似襯底的傳感器而言，多個低成本傳感器的總成本以及
容納(house)它們所需要的高度將會受益。
圖l是無線類似襯底的傳感器的透視圖，採用該無線類似襯底的 傳感器本發明的實施例尤其有用。傳感器100包括類似襯底的部分102， 優選地將類似襯底的部分102製成具有與標準襯底尺寸的直徑相等的 直徑。示例性尺寸包括200毫米的直徑或300毫米的直徑。然而，隨著 不同標準的開發和應用，該尺寸可以變化。傳感器100包括設置在類似 襯底的部分102上的電子外殼(housing)或機殼(enclosure) 104。為 了增強總體傳感器100的硬度，裝配多個鰭狀物(fm)或支柱(strut) 106，所述鰭狀物(fm)或支柱(strut) 106將電子機殼104的側壁108 耦合至類似襯底的部分102的表面110。為了便於地通過密封的半導體 加工室，類似襯底的傳感器102有必要具有包括總體高度在內的形狀因 子(form factor),如果所述形狀因子與實際襯底不同，那麼與實際襯 底極為近似。
圖2是根據本發明實施例的無線類似襯底的傳感器的方框圖。傳 感器200包括電子機殼104，機殼104容納有電池204、電源管理模塊 206、以及控制器208、射頻模塊212、以及存儲器210。
儘管圖2中在機殼104內示出了加速度傳感器220，然而這些加速 度傳感器220可以構成機殼104的一部分，或者可以在機殼104附近但在機殼104外部設置這些加速度傳感器220。
如圖2所示，優選地，電池204被設置在機殼104內，並且經由電 源管理模塊206耦合至控制器208。優選地，電源管理模塊206是在交易 指定(trade designation) LTC3443時可以從線性技術公司(Linear Technology Corporation)獲得的電源管理集成電路。優選地，控制器 208是在交易指定MSC1211Y5時可以從德州儀器(Texas Instruments) 獲得的微處理器。控制器208與存儲器模塊210耦合，存儲器模塊210 可以採用任何類型的存儲器，包括位於控制器208內部的存儲器以及位 於控制器208外部的存儲器。優選的控制器包括內部SRAM、閃速 RAM、以及引導(boot) ROM。存儲器模塊210還優選地包括大小為 64kx8的外部快閃記憶體。快閃記憶體用於根據需要存儲諸如程序、校準數據 (calibration data)、和/或不變的(non-changing)數據等非易失性數 據。內部隨機存取存儲器用於存儲與程序操作有關的易失性數據。
控制器208經由合適的埠 (如串行埠)耦合至射頻通信模塊 212，以便與外部設備進行通信。在一實施例中，射頻模塊212根據可 以從藍牙SIG( www.bluethooth.com)獲得的公知的藍牙標準(Blue tooth core specification version 1.1 (2001年2月22日))工作。模塊212的一個 示例可以在交易指定WMLC40時從Mitsumi獲得。此外，除了模塊212 以外可以使用其他形式的無線通信，或者使用其他形式的無線通信來 取代模塊212。這種無線通信的合適示例包括任何其他形式的射頻通 信、聲通信(acoustic communication)、紅夕卜通信、或甚至採用磁感應 的通信。
控制器208耦合至加速度傳感器220，並且對無線類似襯底的傳感 器經歷的加速度進行感測。這樣的機速度可以包括由無線類似襯底 的傳感器的物理移動、重力的大小和方向(force and orientation)、或 其組合而引起的加速度。
加速度傳感器模塊220包括多個獨立的加速度計，其中至少兩個
加速度計被配置為對相同方向上的加速度予以響應。採用這樣的方式， 至少兩個加速度計被認為是冗餘的。優選地，這些獨立加速度計中的 每個加速度計都是成本相對較低、高度相對較低的加速度計。通過並行地使用多個這樣的傳感器，可以得到不需要較大Z軸空間的更精確的 加速度計。優選地，每個這樣的加速度計是MEMS加速度計。理論上，
認為低成本MEMS加速度計的內部噪聲近似為高斯函數分布，並且通 過並聯使用N個這樣的設備，傳感器的總信噪比得到N的平方根的改 善。例如，並行布置的16個冗餘加速度計的陣列將得到4倍的信噪比改 善。此外，如果噪聲分布不是高斯的，而在幅度上更為受限，則改進 將更大。
圖3是包括模塊220在內的多個獨立加速度計的圖示。具體地，模 塊220包括3個加速度計222、 224、 226，三者被配置為對實質上相同方 向上的加速度予以響應。此外，模塊220包括多個傳感器228、 230，用 於對另一正交方向上的加速度進行感測。圖3所示的獨立MEMS傳感器 的數目是任意的，並且旨在說明對配置用於感測相同方向上的加速度 的多個加速度計的使用。各加速度計222、 224、 226、 228、 230中的每 個加速度計與控制器208耦合。控制器208通過電路或計算能夠使用來 自各加速度計222、 224、 226、 228、 230的獨立信號並且提供更精確的、 具有比每個加速度計單獨產生的信噪比更大的信噪比的加速度輸出。
圖4是四個獨立加速度計的示意圖，所述四個加速度計被電耦合 為使得它們的以電子方式合併後的輸出更為精確。圖4示出了對應圖3 而示出的三個加速度計222、 224、 226以及附加加速度計250 (圖3中未 示出)。加速度計222、 224、 226以及250中的每個加速度計對相同方向
上的加速度予以響應。這些加速度計中的每個加速度計與電阻器串聯， 並且可操作地耦合至運算放大器252的輸入。為放大器252的另一輸入 提供基準電壓254。此外，將電容與電阻(R2)並聯，並且並聯在運 算放大器252的輸出256與輸入258之間。線路256上的冗餘輸出實質上 是平均後的輸出，其噪聲大約減小了1/2。如上所述，增加獨立加速度 計的數目將進一步減小輸出256上的噪聲。然後，輸出256可以直接耦 合至控制器208，或耦合至合適的測量電路(如模數轉換器)，後者將 繼而被耦合至控制器208。優選地，根據本發明實施例的、所使用的所 有加速度計是由相同材料構成的。這樣，任何溫度變化將等效地影響 所有加速度計。儘管參考優選實施例對本發明進行了描述，但本領域技術人員將 認識到，可以在不背離本發明精神和範圍的前提下，進行形式和細節 上的改變。
權利要求
1、一種加速度測量系統，包括第一加速度計，具有隨第一軸上的加速度而變化的電特性；第二加速度計，具有隨所述第一軸上的加速度而變化的電特性；以及控制器，可操作地耦合至所述第一和第二加速度計，所述控制器提供以第一和第二加速度計的電特性為基礎的加速度輸出。
2、 根據權利要求l所述的加速度系統，還包括第三加速度計，具有隨第二軸上的加速度而變化的電特性。
3、 根據權利要求2所述的系統，其中，所述第二軸與所述第一軸正交。
4、 根據權利要求2所述的系統，還包括第四加速度計，具有隨所述第二軸上的加速度而變化的電特性。
5、 根據權利要求4所述的系統，其中，所有加速度計都是由相同材料構成的。
6、 根據權利要求l所述的系統，其中，所述第一和第二加速度計是MEMS設備。
7、 一種類似襯底的傳感器，包括類似襯底的部分，尺寸與襯底相類似；電子機殼，耦合至所述類似襯底的部分；第一加速度計，具有隨第一軸上的加速度而變化的電特性；第二加速度計，具有隨所述第一軸上的加速度而變化的電特性；以及控制器，被設置在所述電子機殼內，所述控制器可操作地耦合至所述第一和第二加速度計，所述控制器提供以第一和第二加速度計的電特性為基礎的加速度輸出。
8、 根據權利要求7所述的類似襯底的傳感器，還包括電池，被設置在電子機殼內並且可操作地耦合至所述控制器。
9、 根據權利要求8所述的類似襯底的傳感器，還包括電源管理模塊，被設置於所述電子機殼內並且介於所述控制器與所述電池之間。
10、 根據權利要求7所述的類似襯底的傳感器，還包括無線通信模塊，被設置於所述電子機殼內並且耦合至所述控制器。
11、 根據權利要求io所述的類似襯底的傳感器，其中，所述無線通信模塊被配置為根據至少一種藍牙規範進行通信。
12、 根據權利要求l所述的類似襯底的傳感器，其中，所述第一和第二加速度計中的每個加速度計可操作地耦合至運算放大器的輸入。
13、 根據權利要求12所述的類似襯底的傳感器，其中，所述運算放大器耦合至基準電壓。
14、 根據權利要求12所述的類似襯底的傳感器，其中，每個加速度計被配置為與電阻器串聯。
15、 根據權利要求12所述的類似襯底的傳感器，其中，所述運算放大器可操作地耦合至所述控制器。
全文摘要
提供了一種加速度測量系統(200)。該系統(200)包括至少第一和第二加速度計(222，224，225，228，230)。第一加速度計(222)具有隨第一軸上的加速度而變化的電特性。第二加速度計(224)也具有隨相同的第一軸上的加速度而變化的電特性。控制器(208)可操作地耦合至第一和第二加速度計(222，224，225，228，230)，並且提供以第一和第二加速度計(222，224，225，228，230)的電特性為基礎的加速度輸出(256)。在一方面，加速度系統是類似襯底的傳感器(100)形式的。通過從並聯的多個冗餘加速度計讀取信號，可以降低信噪比。
文檔編號G01M99/00GK101517419SQ200780034280
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月27日 優先權日2006年10月2日
發明者丹尼斯·J·伯恩西奧裡尼, 伯納德·J·雷特, 安迪·K·利姆 申請人:賽博光學半導體公司