CN106597841A - 化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，将所述修整器电机的一个运行周期划分为n个等长的时间间隔Tn，各所述时间间隔Tn所对应的位移区间为Zn，修整器电机的运行轨迹为预设的时间位移函数所表征的曲线。本发明电机运动轨迹与预设的拟合度提高，电机实际运行周期与设置的周期更吻合，运行的光滑度也得到提升，同时将实际时间比例与预设时间比例的偏差控制在百分之一以内。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法。
背景技术
化学机械平坦化设备的抛光部分需要修整器进行摆动，从而对抛光垫进行修整。修整器具体的摆动轨迹需要遵循修整器电机跟踪扫描人机交互界面(简称Sweep界面)设置好的时间位移曲线，而主流的跟踪扫描(Sweep)算法优先控制时间比例，容许摆动区间存在一定偏差，对实际电机运行轨迹与Sweep界面预设轨迹的拟合度不作考虑。
在修整器电机人机交互界面需要设置修整器电机的运行模式、起始点，终止点，运行频率，位移区间的个数等参数。其中运行模式即为电机运行过程中所跟踪扫描的函数曲线，分为：No Sweep(电机在固定位置静止不动)、Sin Sweep(正弦曲线跟踪扫描)、CustomSweep(自定义曲线跟踪扫描)等，分述如下：
(1)No Sweep模式：电机运行到指定位置后停止不动。
(2)Sin Sweep模式：则电机运行的时间位移曲线是sin(正弦)曲线，例如起始点设置为25inches，终止点设置为36inches，位移区间(zone)设置为10，频率设置为10，则sweep界面设置如图7所示，其中图7a为曲线轨迹，图7b为等位移时间间隔比例。
(3)Custom Sweep模式：电机运行的时间位移曲线是Custom(自定义)曲线，例如起始点设置为25inches，终止点设置为36inches，zone设置为10，频率设置为10，则sweep界面设置如图8所示，其中图8a为曲线轨迹，图8b为8时间间隔比例。
修整器人机交互扫描界面也可修改zone相应位移区间的时间间隔比例，使得修整器能在设置的zone内修整的时间比例进行调整。例如将sin曲线第四个zone的时间间隔设置为5，如图9所示，其中图9a为曲线轨迹，图9b为时间间隔比例。
将custom sweep曲线第四个zone的时间间隔比例设置为5，如图10所示，其中图10a为曲线轨迹，图10b为时间间隔比例。
为了使得修整器电机的运行轨迹符合预设轨迹的时间位移曲线，需要根据人机交互界面预设数据设计一种跟踪扫描电机运行算法。传统的算法是以每个位移区间zone的起始点作为分界点，在相应的位移区间zone内做匀速运动。设第n个位移区间zone内电机的位移为Yn，第n个位移区间zone的时间间隔为Tn，则电机在第n个位移区间zone的速度为：
Vn＝Yn/Tn
即修整器先运行到起始点，当收到起始信号后，以一个较大的加速度加速到第一个位移区间zone内的匀速度大小，当到达第一个位移区间zone的终止点时加速到第二个位移区间zone的匀速度大小，以此速度运行到第二个位移区间zone的终止位置，以此类推。
上述传统算法的缺点是：
(1)存在运行周期时间累积误差：在预设轨迹界面设置中，通过设置修整器电机的频率确定修整器的运行周期。传统技术是在每个Zone的起始点加速到匀速度大小，但电机从当前速度加速到匀速度大小需要一定的时间，因此存在时间误差。每个位移区间zone都有时间累积误差，则运行一个周期必然经历2×N(zones)个时间累积误差，其中N(zones)表示位移区间zone的个数。
(2)光滑度不够：传统算法中每个位移区间zone的起始点处都是一个瞬间加速的过程，所以在实际电机运行中每个位移区间zone的起始点处轨迹曲率很大，而前一个时间间隔的曲率为0，在位移区间zone分界点左右两边曲率相差较大，故相邻两个位移区间zone连接处运行的光滑度较差。
(3)与预设轨迹的拟合度差：传统技术以位移区间zone作为分界点，在位移区间zone内匀速运动，位移关于时间是一次函数，而界面中位移区间zone内是位移关于时间的三次函数，故传统sweep算法并没有充分利用界面提供的时间位移信息，每个位移区间zone内位移关于时间的三次函数信息并未在实际的电机运行中体现，故传统算法电机的运行轨迹与界面的拟合度较差。
发明内容
本发明的目的是解决目前修整器存在运行周期时间累积误差、光滑度较差及与预设运行曲线的拟合度差的技术问题。
为实现以上发明目的，本发明提供一种化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，将所述修整器电机的一个运行周期划分为n个等长的时间间隔Tn，各所述时间间隔Tn所对应的电机运行位移为Zn，修整器电机的运行轨迹为预设的时间位移函数所表征的曲线，所述跟踪扫描算法包括如下步骤：
(1)将所述曲线在一个运行周期内所有的时间位移函数系数预存于四个数
组A[n]、B[n]、C[n]、D[n]中，A[n],B[n],C[n],D[n]分别代表在第n个位移区间内时间位移函数中各次项的系数，其中A[n]是三次项的系数，B[n]是二次项的系数，C[n]是一次项的系数，D[n]是常数项的系数，t是第n个位移区间内的时间点，Yn是第n个位移区间的位移；
(2)确定时间间隔数n，n大于预设的阈值；
(3)将时间间隔Tn分为Tn1和Tn2，S1为在时间Tn1内电机运行的位移，S2为在时间Tn2内时间运行的位移，Sn为电机在Tn时间内电机运行的总位移，需满足以下条件；
Tn1+Tn2＝Tn (1)
S1+S2＝Sn (2)
(4)选择所述修整器电机的运行模式为Jog点动模式，在Tn1时间段内所述修整器电机以加速度a(n)进行匀加速直线运动；在Tn2时间段内所述修整器电机以速度Vn进行匀速直线运动。
进一步地，所述步骤(1)中，在第n个位移区间内的时间位移函数为：
Yn＝A[n]*(t-tn-1)3+B[n]*(t-tn-1)2+C[n]*(t-tn-1)+D[n] (3)
进一步地，将时间间隔Tn的运行均分为两部分Tn1和Tn2，且通过以下方式求出速度Vn和加速度a(n)：
由式(1)得到时间间隔Tn起始点的位移Yns为：
Yns＝A[n]*(ts-tn-1)3+B[n]*(ts-tn-1)2+C[n]*(ts-tn-1)+D[n](4)
时间间隔Tn终止点的位移Yne为：
Yne＝A[n]*(te-tn-1)3+B[n]*(te-tn-1)2+C[n]*(te-tn-1)+D[n](5)
设第n-1个时间间隔Tn-1内的匀速度大小为Vn-1，则在Tn2时间段内的匀速度大小为：
(6)
在Tn1时间段内的加速度大小为：
a(n)＝(Vn-Vn-1)/(Tn/2)
(7)
进一步地，步骤(2)中所述阈值为电机运行一个周期内所述时间位移函数所表征曲线的段数。
进一步地，所述电机以Jog点动模式运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决的问题：
(1)消除了运行周期时间累积误差：
本发明并非以位移区间作为分界线，而是将时间作为分界线。修整器在每个时间间隔内一半时间用于匀加速运动，一半时间用于匀速运动。故本发明在一个时间间隔内的运行时间与实际界面的时间间隔吻合，电机运行一周并不存在时间累积误差。
(2)提升了光滑度：
本发明提高了曲线的光滑度，采用的算法是在时间间隔内前一半的时间用于匀加速运动，后一半的时间用于匀速运动。在加速过程中位移关于时间是二次曲线，但为了电机运行的稳定性，一半的时间需要匀速运动。故在两个时间间隔间前一个间隔末的曲率为0，后一个时间间隔起始曲率为a(n),间隔点前后曲率变化大大较低。故本发明将曲线的光滑度大大提升。
(3)提高了与预设轨迹的拟合度：
本发明采用的算法是在一个周期内以等时间间隔作为分界点，将时间间隔点的个数设置为n。而时间间隔数的大小可以根据输入信息进行确定，如果电机的运行周期较长，可以采用较大的时间间隔数，若电机的运行周期较短，可采用较小的时间间隔数。采用此方式可以充分利用显示界面提供的时间位移信息，从而能更好的拟合。在每个时间间隔内根据其时间间隔点所在区间的时间位移函数，求出时间间隔起始点的位移Ys，终止点的位移Ye，在时间间隔的前一半时间做匀加速运动，后一半做匀速直线运动，故在每个时间间隔内前一半位移关于时间是二次函数，后半段位移关于时间是一次函数。而且充分利用了每个位移区间内位移关于时间的三次函数信息，信息得到了最大化利用，故预设曲线的拟合度也得到提升。
附图说明
图1是本发明一个实施例的预设曲线；
图2是采用现有技术对图1的预设曲线进行拟合的结果；
图3是本发明一个实施例对图1的预设曲线进行拟合的结果；
图4是本发明另一个实施例的预设曲线；
图5是采用现有技术对图4的预设曲线进行拟合的结果；
图6是本发明另一个实施例对图4的预设曲线进行拟合的结果；
图7-10为现有修整器电机几种运行模式的曲线轨迹和时间间隔比例。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
以起始点3.5inch，终止点5inch，频率为10Hz，位移等分区间Zone为10(预设的阈值)，现当选择标准sin曲线时，将预设曲线(图1)、现有技术方案的拟合曲线(图2)与本发明(图3)的拟合曲线进行比较。
图3是电机按照本发明提供的算法运行的，将一个时间周期等分为20段，以第一小段等时间内电机运行参数为例，电机运行每一小段的时间设置为150ms：
(1)第一小段的起始点为0，第一小段三次曲线A[0]＝0.149，B[0]＝0.306,C[0]＝0,D[0]＝3.5,
故第一小段起始位移Y[0]和末位移Y[1]分别为：
Y[0]＝3.5mm
Y[1]＝A[0]×(0.15-0)3+B[0]×(0.15-0)2+C[0]×(0.15-0)
+D[0]
＝3.507mm
(2)第一小段的后半段处于匀速运动
a(0)＝(Vn-Vn-1)/(Tn/2)＝0.827mm/s2
故电机运行于Jog点动模式的加速度为0.827mm/s2；匀速度为0.062mm/s，其他小段以此类推。
实施例2
以起始点3.5inch，终止点5inch，频率为10Hz，位移等分区间Zone为10(预设的阈值)，第五个位移区间的时间间隔比例修改为5,将预设曲线(图4)、现有技术方案的拟合曲线(图5)与本发明的拟合曲线(图6)进行比较。
图6是电机按照本发明提供的算法运行的，将一个时间周期等分为20段，以第一小段等时间内电机运行参数为例，电机运行每一小段的时间设置为150ms
(1)第六小段的起始点为0，第六小段三次曲线A[6]＝-1.280，B[6]＝0.960,C[6]＝0.548,D[6]＝3.65,
故第一小段起始位移Y[0]和末位移Y[1]分别为：
Y[0]＝A[6]×(0.75-0.489)3+B[6]×(0.75-0.489)2
+C[6]×(0.75-0.489)+D[6]＝3.835mm
Y[1]＝A[6]×(1.05-0.489)3+B[6]×(1.05-0.489)2
+C[6]×(1.05-0.489)+D[6]
＝4.033mm
(2)第一小段的后半段处于匀速运动
a(6)＝(Vn-Vn-1)/(Tn/2)＝1.560mm/s2
故电机运行于Jog点动模式的加速度为1.560mm/s2；匀速度为0.914mm/s，其他小段以此类推。
通过以上两个实施例的结果对比可以看出，现有的技术方案并不能按照预设曲线的轨迹运行，在位移区间的交接处不光滑，在位移区间内也没有按照预设曲线提供的位移运行，而本发明的电机运行到位移区间的交接处也能平滑地过渡，在位移区间内也尽可能地接近了预设曲线提供的位移信息，所以本发明使得电机实际运行轨迹更大程度地接近于预设曲线提供的时间位移信息。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，其特征在于，将所述修整器电机的一个运行周期划分为n个等长的时间间隔Tn，各所述时间间隔Tn所对应的电机运行位移为Zn，修整器电机的运行轨迹为预设的时间位移函数所表征的曲线，所述跟踪扫描算法包括如下步骤：
(1)将所述曲线在一个运行周期内所有的时间位移函数系数预存于四个数组A[n]、B[n]、C[n]、D[n]中，A[n],B[n],C[n],D[n]分别代表在第n个位移区间内时间位移函数中各次项的系数，其中A[n]是三次项的系数，B[n]是二次项的系数，C[n]是一次项的系数，D[n]是常数项的系数，t是第n个位移区间内的时间点，Yn是第n个位移区间的位移；
(2)确定时间间隔数n，n大于预设的阈值；
(3)将时间间隔Tn分为Tn1和Tn2，S1为在时间Tn1内电机运行的位移，S2为在时间Tn2内时间运行的位移，Sn为电机在Tn时间内电机运行的总位移，需满足以下条件；
Tn1+Tn2＝Tn (1)；
S1+S2＝Sn (2)；
(4)选择所述修整器电机的运行模式，在Tn1时间段内所述修整器电机以加速度a(n)进行匀加速直线运动；在Tn2时间段内所述修整器电机以速度Vn进行匀速直线运动。
2.如权利要求1所述的化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，其特征在于，所述步骤(1)中，在第n个位移区间内的时间位移函数为：
Yn＝A[n]*(t-tn-1)3+B[n]*(t-tn-1)2+C[n]*(t-tn-1)+D[n] (3)。
3.如权利要求2所述的化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，其特征在于，将时间间隔Tn的运行均分为两部分Tn1和Tn2，且通过以下方式求出速度Vn和加速度a(n)：
由式(1)得到时间间隔Tn起始点的位移Yns为：
Yns＝A[n]*(ts-tn-1)3+B[n]*(ts-tn-1)2+C[n]*(ts-tn-1)+D[n](4)
时间间隔Tn终止点的位移Yne为：
Yne＝A[n]*(te-tn-1)3+B[n]*(te-tn-1)2+C[n]*(te-tn-1)+D[n](5)
设第n-1个时间间隔Tn-1内的匀速度大小为Vn-1，则在Tn2时间段内的匀速度大小为：
在Tn1时间段内的加速度大小为：
a(n)＝(Vn-Vn-1)/(Tn/2) (7)。
4.如权利要求1-3任一项所述的化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，其特征在于，步骤(2)中所述阈值为电机运行一个周期内所述时间位移函数所表征曲线的段数。
5.如权利要求4所述的化学机械平坦化中修整器电机的跟踪扫描算法，其特征在于，所述电机以Jog点动模式运行。
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