一种采用柔性簧片导向的多自由度对准平台 |
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| 申请号 | CN202210914979.8 | 申请日 | 2022-07-29 | 公开(公告)号 | CN115206414B | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 无锡地心科技有限公司; | 发明人 | 许云飞; 薛鹏飞; 黄孝山; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种采用柔性 簧片 导向的多 自由度 对准平台，包括 基座 、转动设于基座上的用于承载 工件 的Chuck盘；还包括用于调平Chuck盘的z－tip－tilt运动机构以及为z－tip－tilt运动机构导向的导向机构；z－tip－tilt运动机构包括若干个设于基座上的调平部、设于调平部另一端的运动台，运动台设于Chuck盘的下表面用于承载Chuck盘，调平部用于校正Chuck盘的平行度；导向机构包括导向簧片；还包括theta－z运动组件，驱动Chuck盘对准Mark点。本发明用一体式柔性解耦的z－tip－tilt运动台，解耦 刚度 高，tip，tilt两轴解耦刚度一致，由于无摩擦，无回差，低发热，有极高的运动 精度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种采用柔性簧片导向的多自由度对准平台，其特征在于：包括基座(1)、转动设于所述基座(1)上的用于承载工件的Chuck盘(3)； |
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| 说明书全文 | 一种采用柔性簧片导向的多自由度对准平台技术领域[0001] 本发明涉及工作平台，具体是一种采用柔性簧片导向的多自由度对准平台。 背景技术[0002] 在半导体产业晶圆加工制作工艺中，如掩膜，键合，纳米压印；通常使用z－tip－tilt以及theta z运动台进行晶圆对准；使用顶升机构进行晶圆交接；随着半导体产业的发 展，对运动台对准紧精度，响应速度，稳定性，产率，洁净，集成尺寸的要求不断提高。 [0003] 现状： [0004] 1)现有z－tip－tilt运动台、theta z运动平台、顶升机构，多采用单一运动台进行叠加集成；这会导致Z向尺寸高，驱动反馈位置与工件台距离远，造成阿贝误差大，系统模 态低，响应速度慢，同时集成复杂，装配误差难以保证，导向精度低； [0005] 2)z－tip－tilt运动台采用球铰解耦机构；由于机械加工精度有上限，按照现有加工技术，采用球铰解耦运动台精度最高稳定在百纳米级，精度上很难继续向上突破。同时 采用球铰解耦方式，由于摩擦产生热量和脱落的颗粒，会严重影响如真空，无尘车间应用的 要求； 发明内容[0007] 为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种采用柔性簧片导向的多自由度对准平台，本发明用一体式柔性解耦的z－tip－tilt运动台，运动台刚度高，tip，tilt两轴解耦 刚度一致，由于无摩擦，无回差，低发热，有极高的运动精度。 [0009] 还包括用于调平所述Chuck盘的z－tip－tilt运动机构以及为所述z－tip－tilt运动机构导向的导向机构； [0010] 所述z－tip－tilt运动机构包括若干个设于所述基座上的调平部、设于所述调平部另一端的运动台，所述运动台设于所述Chuck盘的下表面用于承载所述Chuck盘，所述调 平部用于所述Chuck盘的对准； [0011] 所述导向机构包括导向簧片，所述导向簧片设置有固定部、移动部，所述固定部连接于所述基座，所述移动部连接于所述运动台且与所述运动台做同步调平运动，使得所述 移动部能够相对于所述固定部有tip－tilt位移，所述tip－tilt位移用于为所述运动台导 向； [0012] 还包括theta－z运动组件，所述theta－z运动组件用于驱动所述Chuck盘沿z轴转动使得所述Chuck盘对准Mark点。 [0013] 进一步地，所述调平部包括若干个音圈电机，所述音圈电机的固定端设置在所述基座上，驱动端设置在所述运动台上；所述若干个音圈电机驱动伸出的距离不等使得所述 运动台由第一状态调整为第二状态，所述第一状态为与所述基座不平行的状态，所述第二 状态为与所述基座平行的状态。 [0014] 进一步地，所述运动台设置有相互交错的若干个电机连接板和若干个缓冲连接板，所述若干个电机连接板和所述若干个缓冲连接板之间形成有通孔，所述基座设置有支 座，所述通孔套设在所述支座的外侧；所述导向簧片的所述固定部固定连接于所述支座，所 述导向簧片的所述移动部固定连接于所述通孔的边缘。 [0015] 进一步地，所述缓冲连接板内侧的两端均设置有延伸向对应所述电机连接板的联结板，其中一个所述联结板与另一个相邻所述缓冲连接板的所述联结板相靠近设置，该相 靠近的两个所述联结板之间形成有位于所述通孔边缘的第二容置空间，所述移动部位于所 述第二容置空间内且固定在该相靠近的两个所述联结板上；同一个所述缓冲连接板的两个 所述联结板之间形成有位于所述通孔边缘的第一容置空间，所述固定部位于所述第一容置 空间内。 [0016] 进一步地，所述导向簧片的中心开设有中心孔，所述固定部和所述移动部均设于所述中心孔的边缘，且所述固定部和所述移动部均为多个且相互交错设置；所述导向簧片 沿径向开设有若干条切线槽，所述切线槽的内端连通于所述中心孔，且每一条所述切线槽 均位于相邻的所述固定部和所述移动部之间，使得所述导向簧片能够有tip－tilt位移。 [0017] 进一步地，所述移动部采用固定在所述中心孔外周的第一凸块，所述第一凸块的外径侧两端设置有固定凸起，所述固定凸起固定连接所述联结板上的连接孔内，所述固定 部采用固定在所述中心孔外周的第二凸块，所述第二凸块固定连接所述支座。 [0018] 进一步地，所述支座采用中空形式，且中空腔设置有轴承，所述轴承连接于所述Chuck盘中心以使得所述Chuck盘能够转动。 [0019] 进一步地，还包括顶升组件，所述顶升组件的固定端设于所述支座的中空腔内，驱动端伸出到所述Chuck盘的外部用于顶升工件。 [0020] 进一步地，所述顶升组件包括容置于所述支座中空腔内的pin脚安装座、连接于所述pin脚安装座的微型气缸、连接于所述微型气缸的气缸座、连接于所述pin脚安装座的多 个pin脚柱，所述pin脚柱穿过所述导向簧片、所述运动台、所述Chuck盘后用于顶升工件。 [0021] 综上所述，本发明取得了以下技术效果： [0022] 1、本发明采用一体式柔性解耦的z－tip－tilt运动台解耦刚度高，tip，tilt两轴解耦刚度一致，由于无摩擦，无回差，低发热，所以簧片解耦有极高的运动精度，z－tip－ tilt运动台采用音圈电机驱动，高性能光栅反馈，采用弹簧平衡负载，机械结构响应快； [0023] 2、Theta－z组件嵌合在z－tip－tilt运动台上方，采用弧形音圈电机驱动，以及高精密轴承导向，配合光栅反馈，使得该种导向方式无摩擦，无回差，低发热，导向精度高； [0024] 3、z－tip－tilt采用簧片导向，导向簧片采用一体加工，集成难度小，成本低，非运动方向刚度高，无间隙，调整过程中抗外界干扰能力强；整体式簧片解耦，无轴间误差，调 整速度快，运动精度高； [0025] 4、顶升机构使用微型气缸驱动，弹簧导向，独立安装在运动台基座上，不跟随theta z运动，减小运动负载；整机高度低，扁平设计，驱动性能好，满足半导体设备对空间 使用的要求 [0027] 图1是本发明实施例提供的平台外部示意图； [0028] 图2是图1中隐藏掉Chuck盘的示意图； [0029] 图3是显示Chuck盘与运动台、基座关系的示意图； [0030] 图4是z－tip－tilt运动机构和基座的关系示意图； [0031] 图5是运动台的示意图； [0032] 图6是导向簧片、基座、支座的示意图； [0033] 图7导向簧片的局部示意图； [0034] 图8是运动台、导向簧片、基座之间示意图； [0035] 图9是顶升组件示意图。 具体实施方式[0036] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 [0037] 本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本 发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。 [0038] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0039] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。 [0040] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连 接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情 况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0041] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在 第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0042] 实施例： [0043] 如图1所示，一种采用柔性簧片导向的多自由度对准平台，包括基座1、转动设于基座1上的用于承载工件的Chuck盘3，以及外置的罩壳2。 [0044] 还包括用于调平Chuck盘3的z－tip－tilt运动机构以及为z－tip－tilt运动机构导向的导向机构；其中，工作时本装置是水平放置的，从而Chuck盘3是水平工作的，Chuck 盘3在运动中可能会出现绕x轴、y轴倾斜角度，因此需要z－tip－tilt运动机构将x轴、y轴 对准，而z－tip－tilt运动机构是一般采用刚性导向，由于传统机械导向(导轨，导柱，万向 节等)有摩擦，无回差热等问题，影响对准精度，因此本装置设置导向机构用于给z－tip－ tilt运动机构提供一个导向，提高运动的精准性。 [0045] z－tip－tilt运动机构包括若干个设于基座1上的调平部、设于调平部另一端的运动台5，运动台5设于Chuck盘3的下表面用于承载Chuck盘3，调平部用于Chuck盘3的对准， 即调整Chuck盘3与基座1之间的平行度。 [0046] 其中，如图2所示是图1中隐藏掉Chuck盘3的示意图，如图3所示是显示Chuck盘3与运动台5、基座1关系的示意图，如图4所示是z－tip－tilt运动机构和基座1的关系示意图。 [0047] 具体的，如图4所示，调平部包括若干个音圈电机6，音圈电机6的固定端设置在基座1上，驱动端设置在运动台5上；若干个音圈电机6驱动伸出的距离不等使得运动台5由第 一状态调整为第二状态，第一状态为与基座1不平行的状态，第二状态为与基座1平行的状 态。 [0048] 进一步地，如图4所示，基座1开设第一安装槽101，运动台5设置若干个电机连接板506，电机连接板506开设第二安装槽501，音圈电机6的固定端固定在第一安装槽101内，驱 动端设置有第一连接板601固定在第二安装槽501内。 [0049] 若干个音圈电机6绕着设备中心均布，本实施例中采用3个，当Chuck盘3倾斜时，控制多个音圈电机6的伸出距离，将Chuck盘3最低点处的音圈电机6伸出最长，使得Chuck盘3 该点处上顶的距离长，将Chuck盘3最高点出的音圈电机6伸出距离最短或者控制为0，将其 余音圈电机6的伸出长度逐渐由最长变为最短，以使得Chuck盘3的各个点共处于同一水平 面上，实现调平效果。本实施例中是设置3个音圈电机6，利用三点的顶升距离不同来调平运 动台5的平行度，从而调平Chuck盘3的平行度。 [0050] 同时，基座1还开设第三安装槽102，运动台5设置若干个缓冲连接板507，缓冲连接板507上设置有第四安装槽502，还包括弹簧7，弹簧7的下端固定在第三安装槽102中，另一 端设置第二连接板固定在第四安装槽502内，配合音圈电机实现调平导向。 [0051] 本实施例中，z－tip－tilt运动台采用音圈电机6驱动，高性能光栅反馈，弹簧7配合自身弹簧平衡负载。 [0052] 如图5所示是运动台5的示意图，其中，运动台5设置有相互交错的若干个电机连接板506和若干个缓冲连接板507，若干个电机连接板506和若干个缓冲连接板507之间形成有 通孔509，基座1设置有支座103，通孔509套设在支座103的外侧，不会影响运动台5的调平工 作。 [0053] 进一步地，如图5所示，缓冲连接板507内侧的两端均设置有延伸向对应电机连接板506的联结板508，其中一个联结板508与另一个相邻缓冲连接板507的联结板508相靠近 设，以A1、A2、A3联结板为例，该相靠近的两个联结板508(A1和A2)之间形成有位于通孔509 边缘的第二容置空间505，以使得导向簧片9的移动部(即本实施例的第一凸块905)位于第 二容置空间505内且固定在该相靠近的两个联结板508(A1和A2)上的连接孔503内，连接状 态可以从图8看出；同一个缓冲连接板507的两个联结板508(A1和A3)之间形成有位于通孔 509边缘的第一容置空间504，以使得导向簧片9的固定部(即本实施例的第二凸块906)位于 第一容置空间504内且固定在支座103上，连接状态可以从图6看出。将固定部和移动部设置 在两个容置空间内，既能够使得运动台5与导向机构的导向簧片9之间稳固连接，便于导向 机构提供一定的导向位移，也便于运动台5能够随着导向机构的导向而运动，实现相互牵 制、相互配合，达到精准导向的目的，保证Chuck盘3的调平精准。同时，将固定部和移动部设 置在两个容置空间内，能够将基座1的支座103、导向机构、z－tip－tilt运动机构三者相互 连接，使得结构紧凑，减小零部件占用的空间，满足精准设备的小体积要求。 [0055] 其中，如图6所示是导向簧片9、基座1、支座103的示意图，导向簧片9的中心开设有中心孔，固定部和移动部均设于中心孔的边缘，且固定部和移动部均为多个且相互交错设 置，提供tip－tilt位移；如图7所示是导向簧片9的局部示意图，导向簧片9沿径向开设有若 干条切线槽903，切线槽903的内端连通于中心孔，且每一条切线槽903均位于相邻的固定部 和移动部之间，使得导向簧片9能够有tip－tilt位移。切线槽903将导向簧片9分割为多个 单片部分，相邻单片部分之间利用切线槽903形成间隙且在整个簧片的外缘处一体式连接， 当簧片内环处的固定部固定在支座103、移动部固定在运动台5时，移动部随着运动台5升降 用以调平，此时，与移动部连接的单片部分可以利用簧片的柔性进而随着运动台5顶升运 动，簧片在具备柔性的同时还具备一定的刚性，这就导致单片部分的运动只能沿着一定的 轨迹，该一定的轨迹即是指单片部分在x和y方向的运动，使得移动部随着运动台5运动的同 时，移动部即单片部分也限制了运动台5的运动方向，也即导向簧片9提供了x和y方向的 tip－tilt位移，为运动台5的运动提供导向，保证运动台5运动精准、不会跑偏，同时保证 tip，tilt两轴解耦刚度一致。 [0056] 本实施例中，切线槽903呈直线型，还可以设置为异形，比如曲线，按照所需参数设置。 [0057] 切割后簧片可以实现z－tip－tilt方向上的解耦，同时保持X、Y、theta－z方向的高刚度。采用簧片导向，非运动方向刚度高，即x、y、theta－z方向的刚度高，且能够利用切 线槽的设置提供z方向的柔性，导向无间隙，且在调整过程中抗外界干扰能力强。 [0058] 簧片通过切割柔性槽实现z、tip、tilt方向的解耦，通过簧片解耦实现一定角度的tip和tilt，簧片厚度为0.2mm－2mm适用，可以是一片加工而成，也可以是多片通过粘接叠 加而成，可以在粘接过程加入阻尼材料(橡胶等)提升运动精度。本实施例中采用整体式簧 片解耦，无轴间误差，调整速度快，运动精度高。 [0059] 如图6所示，移动部采用固定在中心孔外周的第一凸块905，第一凸块905的外径侧两端设置有固定凸起907，固定凸起907固定连接联结板508上的连接孔503内，固定部采用 固定在中心孔外周的第二凸块906，第二凸块906固定连接支座103。本实施例中第一凸块 905、第二凸块906均采用扇形块，数量各位3个，且交错设置，提供导向的同时也保持稳定。 [0060] 本实施例中导向簧片9的固定部(即本实施例的第二凸块906)固定连接于支座103，导向簧片9的移动部(即本实施例的第一凸块905)固定连接于通孔509的边缘，一方面 提供导向，另一方面将支座103、导向簧片9、运动台5之间连接起来，减小占用空间，减小设 备的体积。 [0061] 如图7所示，为了安装音圈电机6、弹簧7，在导向簧片9上开设第一通槽901、第二通槽902，音圈电机6穿过第一通槽901后固定在运动台5上，弹簧7穿过第二通槽902后固定在 运动台5上。第一通槽901、第二通槽902均设置在单片部分的中心位置，形成对称的结构，加 强稳定性。 [0062] 还包括theta－z运动组件4，theta－z运动组件4用于驱动Chuck盘3沿z轴转动使得Chuck盘3对准Mark点。如图4所示，包括电机动子401、电机定子402、转接板403，电机动子 通过转接板将转动运动传递到Chuck盘3上，电机定子通过塞打螺丝固定到z－tip－tilt运 动部件的运动台5上，进而实现一定角度转动。 [0063] 如图4所示，支座103采用中空形式，且中空腔设置有轴承10(图2示出)，轴承10连接于Chuck盘3中心以使得Chuck盘3能够转动，在theta－z运动组件4的驱动下可以沿着z轴 转动以对准mark点。 [0064] 如图9所示，还包括顶升组件8，结合图2，顶升组件8的固定端设于支座103的中空腔内，驱动端伸出到Chuck盘3的外部用于顶升工件。顶升机构安装在运动台内部，在不扩展 周向尺寸的前提下，最大可能降低轴向尺寸。 [0065] 进一步地，如图9所示，顶升组件8包括容置于支座103中空腔内的pin脚安装座801、连接于pin脚安装座801的微型气缸805、连接于微型气缸805的气缸座806、连接于pin 脚安装座801上支架802的多个pin脚柱803，pin脚柱803穿过导向簧片9、运动台5、Chuck盘3 后用于顶升工件，由图1可以看出，pin脚柱803穿设在Chuck盘3内，Chuck盘内部有气路结构 以及气路接口13，可以将晶圆吸附在盘的上表面。pin脚三点布置，内有气路可以将晶圆(工 件)稳定吸附在pin脚上，顶升行程约10mm，最低位置位于Chuck上表面下方，顶升时超出上 表面。独立安装在运动台基座上，不跟随theta z运动，减小运动负载。 [0066] 轴承10通过螺栓一面安装在Chuck盘3下表面，一面安装在气缸座806上表面，气缸座806通过支座固定在运动台基座上保持固定状态，保证Chuck盘3的转动运动以及pin脚的 伸出升降运动。 [0067] 导向簧片9开设第一穿槽904、第一连接板601开设第二穿槽用于穿过pin脚柱803。 [0068] 音圈电机6、簧片的单片部分、pin脚柱803均为上下对应设置，保持运动的稳定。 [0069] 还包括读数头11(图3示出)、光栅尺12(图4示出)，读数头固定在z－tip－tilt运动部件上，栅尺粘贴在Chuck盘侧表面。 [0070] 工作原理： [0071] 准备：顶升组件8的pin脚柱803伸出接住晶圆(即工件)，顶升组件8控制pin脚柱803下降使得晶圆落在Chuck盘3上； [0072] Mark对准：在本设备的上方设置有Mark点，theta－z运动组件4驱动Chuck盘3沿着z轴转动，Chuck盘3在轴承10作用下转动，使得Chuck盘3上的晶圆的Mark点对准上方的Mark 点； [0073] 调平：控制每一个音圈电机6伸出的长度，将运动台5倾斜后的最低点处的音圈电机伸出的距离长一些，使得该最低点顶高，或者同时将运动台5倾斜后的最高点处的音圈电 机伸出的距离短一些，使得该最低点调低，最终使得整个运动台5保持水平状态即与基座1 平行的状态，使得Chuck盘3保持水平状态，最终使得晶圆保持水平状态，音圈电机6直接控 制运动台5的平行度，从而间接控制Chuck盘3的平行度，配合弹簧的平衡重力作用实现最终 的调平； [0074] 导向：在调平的过程中，音圈电机6控制运动台5的某一个位置升高或者下降以保持整个水平时，该音圈电机6处的导向簧片9的单片部分随着音圈电机6的升降而升降，由于 导向簧片9自身的刚度，在该运动中可以保证x、y、theta－z这三个方向的高度从而保证这 三个方向不会产生位移，同时在z方向提供柔性，从而保证导向簧片9只能沿着z方向运动， 也即只能提供z方向的位移，保证运动台5只能沿着z方向运动，保证运动方向的精准； [0075] 调平结束后，顶升组件8的pin脚柱803伸出将晶圆顶升，使得晶圆与上方的Mark点对接：调平之后开始进行具体工艺内容，内容完成后，lift pin抬升晶圆至交接位，机械手 移走晶圆，机械手移动晶圆至交接位，lift pin抬升承接晶圆后下降，将晶圆放在CHUCK上 方，开始进行工艺处理。 [0076] 以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属 于本发明技术方案的范围内。 |
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