專利名稱：具有冗余加速度計的加速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體加工系統(tǒng)的特征在于極為清潔的環(huán)境以及極為精確的半 導(dǎo)體晶片移動。工業(yè)高度依賴高精度的機(jī)器人系統(tǒng)，從而采用必要的 精度在半導(dǎo)體加工系統(tǒng)內(nèi)各種加工站附近移動襯底(如半導(dǎo)體晶片)。
這種機(jī)器人系統(tǒng)的可靠并且高效的操作依賴于精確的定位、對
準(zhǔn)、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(tǒng)的系統(tǒng)壁的幾率。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(jī)器人末端執(zhí)行器(end effector)向晶 片7承載支架(carrier shelves)、預(yù)對準(zhǔn)器(pre-aligner)真空吸盤(vacuum chuck)、負(fù)載鎖定升降器支架、工藝室轉(zhuǎn)移針(transfer pin)和/或基 座轉(zhuǎn)移期間出現(xiàn)最小的滑動(slide)或移動，半導(dǎo)體加工系統(tǒng)內(nèi)襯底 之間的精確平行是十分重要的。當(dāng)晶片緊貼支撐滑動時，可能會刮掉 微粒(particle),這導(dǎo)致成品率降低。即使以不到一毫米的程度錯誤 地放置或?qū)ζM件，都能夠?qū)Π雽?dǎo)體加工系統(tǒng)內(nèi)各種組件的協(xié)作造成 影響，導(dǎo)致產(chǎn)品成品率和/或質(zhì)量的降低。
必須在最初的制造中實現(xiàn)這種精確定位，并且必須在系統(tǒng)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于維護(hù)、修理、 改變、或替換發(fā)生改變。因此，對半導(dǎo)體加工系統(tǒng)的各種部件的相對 微小位置上的變化進(jìn)行自動測量和補(bǔ)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(dǎo)體加工系統(tǒng)中移動，以便無線地傳送諸如半導(dǎo)體 系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的一個特定示例。該系統(tǒng)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(dǎo)電 流體，所述探針被垂直地設(shè)置在空腔內(nèi)導(dǎo)電流體中。此外6,266,121專 利的系統(tǒng)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(shè)備的加速度進(jìn)行感測。
用于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(jī)電系統(tǒng)(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(jù)其設(shè)計必須能夠采用與襯底相同的方 式在半導(dǎo)體加工系統(tǒng)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(guī)范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。對于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。提供一種低成本并且極為 低矮(low-profile)的加速度計系統(tǒng)將為無線類似襯底的感測技術(shù)提 供顯著優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種加速度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)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?？刂破骺?操作地耦合至第一和第二加速度計，并且提供以第一和第二加速度計 的電特性為基礎(chǔ)的加速度輸出。在一方面，加速度系統(tǒng)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，采用該無線類似襯底的傳感器本發(fā)明的實施例極為有用。
圖2是根據(jù)本發(fā)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(dú)立加速度計的圖示。
圖4是四個獨(dú)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并后的輸出更為精確。
具體實施例方式
本發(fā)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(shè)置為，至少兩個加速度計對相同軸上 的加速度予以響應(yīng)。這種配置使多個低成本加速度計能夠以比可以從 各獨(dú)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 信對于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，采用該無線類似襯底的 傳感器本發(fā)明的實施例尤其有用。傳感器100包括類似襯底的部分102， 優(yōu)選地將類似襯底的部分102制成具有與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和應(yīng)用，該尺寸可以變化。傳感器100包括設(shè)置在類似 襯底的部分102上的電子外殼(housing)或機(jī)殼(enclosure) 104。為 了增強(qiáng)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(jī)殼104的側(cè)壁108 耦合至類似襯底的部分102的表面110。為了便于地通過密封的半導(dǎo)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(nèi)的形狀因 子(form factor),如果所述形狀因子與實際襯底不同，那么與實際襯 底極為近似。
圖2是根據(jù)本發(fā)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(jī)殼104，機(jī)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。
盡管圖2中在機(jī)殼104內(nèi)示出了加速度傳感器220，然而這些加速 度傳感器220可以構(gòu)成機(jī)殼104的一部分，或者可以在機(jī)殼104附近但在機(jī)殼104外部設(shè)置這些加速度傳感器220。
如圖2所示，優(yōu)選地，電池204被設(shè)置在機(jī)殼104內(nèi)，并且經(jīng)由電 源管理模塊206耦合至控制器208。優(yōu)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(shù)公司(Linear Technology Corporation)獲得的電源管理集成電路。優(yōu)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 可以采用任何類型的存儲器，包括位于控制器208內(nèi)部的存儲器以及位 于控制器208外部的存儲器。優(yōu)選的控制器包括內(nèi)部SRAM、閃速 RAM、以及引導(dǎo)(boot) ROM。存儲器模塊210還優(yōu)選地包括大小為 64kx8的外部閃存。閃存用于根據(jù)需要存儲諸如程序、校準(zhǔn)數(shù)據(jù) (calibration data)、和/或不變的(non-changing)數(shù)據(jù)等非易失性數(shù) 據(jù)。內(nèi)部隨機(jī)存取存儲器用于存儲與程序操作有關(guān)的易失性數(shù)據(jù)。
控制器208經(jīng)由合適的端口 (如串行端口)耦合至射頻通信模塊 212，以便與外部設(shè)備進(jìn)行通信。在一實施例中，射頻模塊212根據(jù)可 以從藍(lán)牙SIG( www.bluethooth.com)獲得的公知的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)(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、或甚至采用磁感應(yīng) 的通信。
控制器208耦合至加速度傳感器220，并且對無線類似襯底的傳感 器經(jīng)歷的加速度進(jìn)行感測。這樣的機(jī)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(dú)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(yīng)。采用這樣的方式， 至少兩個加速度計被認(rèn)為是冗余的。優(yōu)選地，這些獨(dú)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。通過并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(yōu)選地，每個這樣的加速度計是MEMS加速度計。理論上，
認(rèn)為低成本MEMS加速度計的內(nèi)部噪聲近似為高斯函數(shù)分布，并且通 過并聯(lián)使用N個這樣的設(shè)備，傳感器的總信噪比得到N的平方根的改 善。例如，并行布置的16個冗余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(jìn) 將更大。
圖3是包括模塊220在內(nèi)的多個獨(dú)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(zhì)上相同方 向上的加速度予以響應(yīng)。此外，模塊220包括多個傳感器228、 230，用 于對另一正交方向上的加速度進(jìn)行感測。圖3所示的獨(dú)立MEMS傳感器 的數(shù)目是任意的，并且旨在說明對配置用于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?？刂破?08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(dú)立信號并且提供更精確的、 具有比每個加速度計單獨(dú)產(chǎn)生的信噪比更大的信噪比的加速度輸出。
圖4是四個獨(dú)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并后的輸出更為精確。圖4示出了對應(yīng)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(yīng)。這些加速度計中的每個加速度計與電阻器串聯(lián)， 并且可操作地耦合至運(yùn)算放大器252的輸入。為放大器252的另一輸入 提供基準(zhǔn)電壓254。此外，將電容與電阻(R2)并聯(lián)，并且并聯(lián)在運(yùn) 算放大器252的輸出256與輸入258之間。線路256上的冗余輸出實質(zhì)上 是平均后的輸出，其噪聲大約減小了1/2。如上所述，增加獨(dú)立加速度 計的數(shù)目將進(jìn)一步減小輸出256上的噪聲。然后，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(shù)轉(zhuǎn)換器)，后者將 繼而被耦合至控制器208。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明實施例的、所使用的所 有加速度計是由相同材料構(gòu)成的。這樣，任何溫度變化將等效地影響 所有加速度計。盡管參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將 認(rèn)識到，可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié) 上的改變。
權(quán)利要求
1、一種加速度測量系統(tǒng)，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(chǔ)的加速度輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的加速度系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述第二軸與所述第一軸正交。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所有加速度計都是由相同材料構(gòu)成的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，所述第一和第二加速度計是MEMS設(shè)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(jī)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(shè)置在所述電子機(jī)殼內(nèi)，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(chǔ)的加速度輸出。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的類似襯底的傳感器，還包括電池，被設(shè)置在電子機(jī)殼內(nèi)并且可操作地耦合至所述控制器。
9、 根據(jù)權(quán)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(shè)置于所述電子機(jī)殼內(nèi)并且介于所述控制器與所述電池之間。
10、 根據(jù)權(quán)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(shè)置于所述電子機(jī)殼內(nèi)并且耦合至所述控制器。
11、 根據(jù)權(quán)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(jù)至少一種藍(lán)牙規(guī)范進(jìn)行通信。
12、 根據(jù)權(quán)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(yùn)算放大器的輸入。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的類似襯底的傳感器，其中，所述運(yùn)算放大器耦合至基準(zhǔn)電壓。
14、 根據(jù)權(quán)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(lián)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的類似襯底的傳感器，其中，所述運(yùn)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(tǒng)(200)。該系統(tǒng)(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?？刂破?208)可操作地耦合至第一和第二加速度計(222，224，225，228，230)，并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(chǔ)的加速度輸出(256)。在一方面，加速度系統(tǒng)是類似襯底的傳感器(100)形式的。通過從并聯(lián)的多個冗余加速度計讀取信號，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(yōu)先權(quán)日2006年10月2日
發(fā)明者丹尼斯·J·伯恩西奧里尼, 伯納德·J·雷特, 安迪·K·利姆 申請人:賽博光學(xué)半導(dǎo)體公司