在半导体制造业中使用主动隔振系统

主动系统实际上可以采取几种不同的形式，尽管“位置”和“加速度”伺服也被提及。此外，使用前馈可以提高伺服的基本性能。本文将在以下部分描述最常见的配置及其相对优点。

惯性反馈

惯性反馈系统是最流行的活动取消系统类型（图1）。气动隔离器被设计为简单的弹簧。忽略地面运动传感器和前馈输入，反馈路径包括过滤器，地震仪和力致动器（例如扬声器“音圈”）。

该地震仪能够测量其测试质量和孤立的有效载荷之间的位移，过滤信号，然后对有效载荷施加一个力，使位移(X₁- X₂)变为常数，从而使地震仪的输出变为负值。

作用于测试质量的唯一力量来自其弹簧的压缩，并且压缩伺服常量（x₁- X₂ 0)，因此该测试是主动隔离的。类似地，隔离的有效载荷也必须与振动隔离，因为它被迫跟踪测试质量。这种形式的伺服的细节可在几个参考资料

图1所示。基本的惯性反馈回路使用一个有效载荷传感器和一个力执行器，比如一个扬声器的“音圈”，来影响反馈。前馈可以在几个点添加到循环中。

伺服带宽总是限制这类系统的性能。由于隔离有效载荷中的结构共振，实际系统的带宽限制在10 - 40hz(通常接近这个范围的低端)。这种系统也是“交流耦合”的，因为地震仪没有“直流”响应。

因此，伺服具有两个单位增益频率-通常在0.1和20赫兹。因此，伺服在~ 2hz时达到最大增益约20 - 40db，这是系统的被动弹簧座的固有频率。在~0.1和~20 Hz单位增益频率下，系统的闭环响应有两个新的谐振。

由于这些系统有一个小的带宽(大约20年的频率)，增益不是非常高，除了在自然(开环)谐振频率的有效载荷。高增益抑制了共振。

因此，可以将这些系统视为惯性阻尼系统，在不影响隔振性能的情况下阻尼系统的主共振特性。(这种共振也可以通过被动阻尼来抑制，但这大大增加了来自地面的振动馈通。)

基于PZT的系统

图2展示了“安静墩”隔离器的概念，如TMC的主动隔离器系列(专利号5,660 255和5,823307)。它包含一个中间质量，通过压电传感器(PZT)硬安装在地板上。

地理声音安装在此处，并且在宽带伺服循环中，它的信号被反馈到PZT。这为支持孤立的有效载荷创造了一个“安静的码头”。20 Hz弹性体安装座提供在伺服活动带宽高于伺服的频率下的隔离。

此外，这种弹性体还可以防止桥墩通过有效载荷相互“交谈”(重要的是，有效载荷依赖于几个独立的安静的桥墩)。这个系统有其独特的优点和缺点。

斯泰西^®系统具有出色的振动隔离性能。实际上，它是0.6 - 20 Hz频率范围中最好的，受某些限制。与惯性反馈系统相比，Stacis^®系统不需要太多的调整和弹性体安装使它几乎完全免疫在有效载荷的结构共振。

由于系统是通过20赫兹弹性体“硬安装”到地板上，有效载荷与外部设备对齐(对接)不是一个主要问题。app亚博体育由于系统对外力(一个移动阶段)的响应是20赫兹弹性体安装件的响应，因此沉降时间非常好。这类似于最好的惯性反馈系统。

而且，由于弹性体安装的刚度，STACIS^®系统几乎不受外力的影响，包括空间气流，这些外力直接作用于有效载荷，并允许它支持极高的重心有效载荷。

斯泰西^®系统可以支持并兼容集成所有类型的内置主动或被动气动隔振系统的工具。

遗憾的是，PZT的活动范围受到限制(约20 - 25µm)。因此，当底部运动穿过峰值振幅时，伺服系统饱和并“解锁”。幸运的是，在大多数环境中，地板运动从来没有超过这个幅度。

为了获得良好的隔振特性，PZT伺服系统的主动带宽为~0.6 ~ 200hz。这种高带宽只能实现时，隔振器是由一个非常刚性的地板支持。这是隔离器所需要的，因为它依赖于中间质量的移动量，与PZT电压成比例，高达几百赫兹。如果地板在活动带宽内有共振，这可能不是真的。

共振在大多数楼层都低于200hz，但这是可以接受的，只要地板是足够大的，其共振不是相当大的驱动伺服。地板规格的正确形式是地板顺应性，inin/lbf(或µm/N)。

斯泰西^®系统一般必须直接安装在混凝土地板上，只有当支撑框架非常刚性时，它才会在焊接钢框架或架空地板上工作。“建筑物摇摆”是另一个由风引起的建筑物顶部运动的问题。通常，在上层，这超过25毫米，允许系统饱和，如果在上层使用(基于长宽比和建筑结构)。

图2。这种方法包括用一个高带宽的伺服装置使一个小的“中间质量”安静下来，然后用一个被动的20赫兹橡胶支座将主要有效载荷安装在“安静墩”上。

振动关键应用程序

振动关键应用实际上是少数群体。要简单地说出，需要比无源系统提供更好的振动隔离的应用程序数量非常小。

TMC的被动隔振系统可以有效地抑制频率在几赫兹以上的地面噪声。在被动隔振器的隔振性能有问题的情况下，只有两种应用程序可用。

首先，地面噪声水平可能很高，以至于在大多数环境中工作的仪器对地面噪声变得敏感。这种情况只发生在高层建筑中，因为在高层建筑中，建筑物的摇摆成为一个关键问题，或者建筑物的地板非常脆弱。这是一种独特的情况，因为大多数设备(例如半导体检测机器)通常都带有供应商通常不会忽app亚博体育略的“地板规格”。

第二类应用程序具有最高的内在灵敏度。原子力和扫描隧道显微镜(AFMs和STMs)是一些关键的例子。这些应用程序对最小的有效载荷振动非常敏感，具有原子尺度的分辨率。

在这两种情况下，被动支架的隔离性能通常是足够的，除非在约0.7 Hz到3hz的频率范围内，被动支架放大了地震动。这是一个方便的巧合，因为主动系统，如惯性反馈方案可以有效地消除谐振放大。

除非用户确定他们的应用存在被动隔振器无法解决的隔振问题，否则应避免使用主动减振系统。目前大多数半导体设备的稳定时间是另一个问题。app亚博体育

惯性反馈的问题

虽然惯性反馈系统可以减少沉降时间和提高隔振性能，但它们有几个显著的缺点。水平惯性反馈系统的实现在很大程度上受到倾斜到水平耦合问题的限制。此外，除了pzt系统外，这些系统的位置稳定时间相对较差。

载荷对外部干扰的响应如图3所示。在一个理想化的单自由度系统模型的基础上，有效载荷的响应仅仅是为了定性地显示多自由度系统的性能。

除了第一条曲线描绘位移与作用力的比值，第二条曲线描绘加速度与作用力的比值外，两条曲线都用频率表示同一个主动系统。唯一的变化是，第一个图形被频率的2次幂乘以，产生了第二个图形。

曲线分别示出了加速度计和位置传感器将在该系统受到干扰时测量。必须注意，这些图中的幅度缩放具有随机原点，并且仅用于参考目的。

图3。曲线表明，位置响应以低频共振为主，加速度响应以高频峰值为主。注意开环响应的峰值是相同的。

曲线表明，低频共振主导位置响应，而高频峰值主导加速度响应。这个结果是反直觉的，因为开环(纯被动)响应的峰值在两种情况下的频率是相同的。

这提供了两个好处。首先，该系统有效地抑制了系统中的开环谐振。它甚至在0.5 - 5hz的频率范围内提供了相当多的额外隔离。第二个好处是一个阻尼良好的共振主导加速度曲线在20赫兹左右。假设加速度的振幅衰减为:

振幅=₀x e -^{t /τ}

一个₀表示初始振幅，τ = Q/(πv)。如果质量因子Q约为2，则τ≈32 ms为较优值。对于对加速度敏感的有效载荷(大多数都是)，系统的稳定时间将由这个伺服系统提高一个数量级。

与此系统相关的问题在第一组曲线中显示，表明位置响应由~0.1 Hz的峰值主导。假设Q和上面一样，这意味着衰减常数t大约是6.5秒。尽管伺服已经设计了一个大的相位裕度来将Q降至2，但峰值的低频率意味着它需要很长时间来稳定位置。

虽然有效载荷对加速度高度敏感，但有两个不同的情况，其中长位置稳定时间提出了一个主要问题。

在有效载荷的俯仰或滚转自由度中较长的位置沉降时间可以表现为水平加速度。这是由于爱因斯坦的等效原理:当有效载荷倾斜时，重力作用于有效载荷的方向会从完全垂直变为偏离垂直的一个小角度。

通过原理，这与具有等于尖端角度（以弧度）xg的量加速的电平有效载荷相同。要简单地说，倾斜的每个Mrad都变成了MG的水平加速度。电子显微镜和许多仪器对此敏感。

对接有效载荷是另一个主要问题。这是一个常见的过程，其中有效载荷必须相对于外部精度定期定位，以极高的精度 - 通常是20到200 mm。惯性反馈系统将足够长时间才能定位到此级别。可以使用两种可能的解决方案。

第一种方法是在较低的增益设置下运行伺服系统，以降低一些隔离性能(这可能不是必需的)，以提高位置稳定时间。第二种方法是关闭伺服系统进行对接。然而，伺服不喜欢被迅速打开和关闭-特别是当他们的名义增益是高如这里所示。

你什么时候需要一个活跃的系统？

确定有效隔离系统的需求可以根据您是否具有稳定时间或振动关键应用而变化。两者都可以复杂，在任何一种情况下，系统都需要将系统对振动噪声的敏感性。

当涉及到关键的振动应用时，仅仅问系统是否能工作是不够的。如果性能不足或系统不能与被动系统一起工作，则必须确定问题的根源。

这对于AFM/STM类型的应用是显而易见的。触控笔的原始输出是由1.5 Hz的噪声主导的，这反过来又与有效载荷运动相关，你知道你的隔离器在这个频率上有共振。在其他时候可能就不那么清楚了。

例如，你可能在你的仪器中看到20赫兹的峰值，这与有效载荷上的噪音有关——但不清楚它是否来自地面。

在建筑中，许多HVAC系统使用巨大的风扇，在这个频率范围内发挥作用。如果它们这样做，它们会产生地面噪声以及与有效载荷相关的声学噪声。那么问题的根源是什么呢?声学还是地面噪声?这可能很难判断。

然而，它必须记住，如果你的问题是在20赫兹，那么惯性反馈主动系统将是无用的，因为他们缺乏环路增益在那个频率。staci^®和其他类似的pz基隔离器可能是这个频率范围内的唯一解决方案。

确定时间关键的应用程序要简单得多。有三个步骤来确定你是否需要一个主动系统(我们假设它只是前馈):

• 第一步:确定过程的临界加速级别。这可以简单地通过移动舞台并在进行测量之前等待不同的时间来完成。如果在阶段停止后等待持续时间和有效载荷的加速级别，则可以导出此数量。对于最新仪器，可能需要非常困难地确定临界加速度水平，并且可能需要依赖计算，估计和建模。
• 第二步:通过将级加速度乘以级质量与总孤立有效载荷质量的比值来估计有效载荷的初始加速度水平。
• 第三步:应该比较步骤一和步骤二的数字。如果临界加速度水平高于初始载荷反应，任何TMC被动系统都应该工作。然而，如果临界加速度水平低于初始载荷反应，则必须将初始加速度水平与临界加速度水平的比值进行比较，利用式1来确定系统是否能够足够快地稳定下来。
  • 如果允许的沉降时间不足以得到所需的衰减，则可以使用具有较高被动阻尼的系统。的MaxDamp^®TMC提供的隔离器的衰减速度比传统的气动隔离器快5倍(q系数低5倍)。虽然这牺牲了一些振动隔离，这通常是一个很好的权衡。
  • 如果是maxdamp.^®隔离器不工作，则可以使用主动系统(被动隔离系统已用尽自由参数来解决问题)。

某些极端的例子可以迅速确定需求。例如，如果临界水平低于初始有效载荷加速度，并且需要一个“零”稳定时间，则需要一个主动系统。然而，如果初始值与临界值的比值大于10(即“零”时间)，则需要重新设计该仪器或使其具有非零沉淀时间。主动系统不是最终的解决方案，也不能解决所有的问题。

结论

摩尔定律创造了一个挑战，要求系统工程师、半导体工具制造商、舞台制造商和集成商之间更好的合作。对这一问题的认识也需要大幅度提高。这是过去发现系统“盲目集成”是足够的遗留问题。

鉴于与振动隔离系统和高系统吞吐量的冲突是关键的，系统工程师必须转移其设计目标。此外，活动系统只能通过一定因素提高系统的性能。如果设计方法没有改变，即使是活动系统也不会在不久的将来工作。

这将是非常不幸的，因为没有一个人可以转向的先进技术。即使有关于主动系统性能的最乐观假设，也无法满足TMC的规范。

主动系统相当昂贵。这些系统的成本是由PZT或磁性执行器和其他类似的组件推动的。材料的成本导致其价格高(压电陶瓷、稀亚博网站下载土或钕铁硼磁体)。功率放大器可能很贵。

如果考虑成本，那么必须记住，不存在增量主动解决方案。主动系统，如果需要，必须能够匹配的力量产生的舞台运动。一个能力较弱的系统将根本不起作用。

TMC继续改善主动隔离系统。该公司旨在使这些系统更加可靠，更易于配置，安装和维护，并使它们可以在尽可能自配置。这将降低工程时间，系统成本，并加快生产系统的生产。

*参见例如，P.G. Nelson, Rev. Sci。Instrum。62年,p.2069(1991)。

**英特尔公司(Intel Corp.)联合创始人戈登•摩尔(Gordon Moore)曾指出，自最早的商业半导体制造(甚至是1960年或更早的时候!)以来，半导体的密度(以晶体管/面积计算)平均每18个月就会翻一番。

这些信息已经从TMC提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载

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