CN103176366B - 一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台，包括Y向滑台，Y向导轨和五连杆机构，所述Y向滑台通过气浮轴承设置在所述Y向导轨上，所述五连杆机构一端连接于所述Y向滑台，另一端通过线缆设施连接于硅片台，其中，所述Y向滑台由电机驱动在Y向与硅片台保持同步运动，所述线缆设施经由所述Y向滑台沿所述五连杆机构输送到所述硅片台上，所述五连杆机构具有主动驱动关节，用于驱动所述五连杆机构沿X向运动，从而带动所述线缆设施沿X向运动。本发明提出的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，实现对线缆台的主动控制和线缆台对硅片台在X-Y平面的跟随运动。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光刻设备领域，且特别涉及一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台。
背景技术
在半导体光刻设备中，硅片台精密工件台运动系统是极其重要的关键部件，其定位精度直接影响光刻设备的性能，其运行速度直接影响光刻设备的生产效率。随着超大规模集成电路器件集成度的不断提高，光刻分辨率的不断增强，对光刻机的特征线宽指标要求也在不断提升，对应的工件台的运行速度、加速度以及精度要求也不断提高。
光刻机工件台系统典型的结构形式为粗、微动相结合的结构，由于平面电机具有出力密度高，高速度、高可靠性等特点，并且易于将其集成到被控对象中，具有响应速度快、控制灵敏度高、机械结构简单等优点，目前已经被应用于半导体光刻设备中，实现硅片台的长行程粗动。但由于采用平面电机来实现长行程粗动的硅片台无X、Y向导轨，而用于给硅片台配套的各种通信线缆、功率线缆以及气管、水管等管线设施需要跟随硅片台在XY平面内运动，因此需要设置线缆支撑导向装置。常见的硅片台线缆设施是被动跟随硅片台在XY平面内运动，在硅片台进行高速运动和纳米级精确定位时，拖动的管线设施对硅片台产生的扰动将不可忽略。
现有技术公布的一种采用平面电机驱动硅片台实现长行程粗动的工件台系统，其线缆支撑导向装置主要包括一组通过一个转动副连接在一起的V型连杆组件，连杆组件的一端通过转动副安装在滑台上，另一端通过转动副安装在硅片台上，硅片台线缆设施从滑台沿连杆组件传送到硅片台上，并与连杆组件一起在Y向被动跟随硅片台运动。该方案管线设施在垂向有支撑，避免了下垂与工作台面摩擦，但在Y向被动跟随硅片台运动，会影响硅片台运动定位精度。
再如现有技术公布的一种采用多关节机械手的光刻机硅片台的线缆台，该线缆台包含一个控制装置和至少一个多关节机械手，硅片台管线设施通过多关节机械手走到硅片台上，通过控制各关节驱动器的转角来保证管线设施主动跟随硅片台在XY平面内运动，避免了管线设施对硅片台运动定位精度的影响，但该线缆台结构复杂，机械手关节数较多导致使用的驱动器数量较多，同时冗余自由度机械手控制系统设计比较复杂，开发成本相对较高。
发明内容
本发明提出一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台，实现对线缆台的主动控制和线缆台对硅片台在X-Y平面的跟随运动。
为了达到上述目的，本发明提出一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台，包括Y向滑台，Y向导轨和五连杆机构，所述Y向滑台通过气浮轴承设置在所述Y向导轨上，所述五连杆机构一端连接于所述Y向滑台，另一端通过线缆设施连接于硅片台，其中，所述Y向滑台由电机驱动在Y向与硅片台保持同步运动，所述线缆设施经由所述Y向滑台沿所述五连杆机构输送到所述硅片台上，所述五连杆机构具有主动驱动关节，用于驱动所述五连杆机构沿X向运动，从而带动所述线缆设施沿X向运动。
进一步的，所述五连杆机构包括五根连杆，形成A字形连接，其中靠近所述Y向滑台的两根连杆的端点分别固定于所述Y向滑台的两点，单独的中间连杆连接于上述两根连杆的中间段，靠近所述硅片台的两根连杆的一端分别与靠近所述Y向滑台的两根连杆相连，另一端彼此相连形成尖端并通过所述线缆设施与所述硅片台柔性连接。
进一步的，所述五根连杆的端点都设有旋转轴枢和轴承，使得所述五连杆机构向正Y方向或负Y方向折弯，从而带动靠近所述硅片台的所述五连杆机构的尖端沿X方向水平运动。
进一步的，在靠近所述Y向滑台的两根连杆其中之一的末端设置有限位销或角度限位装置，用以限定所述五连杆机构仅在单向设计角度的范围内偏转，所述连杆末端同时设置有复位弹簧。
进一步的，所述五根连杆内侧面和/或外侧面设置有用于线缆设施走线的卡扣。
进一步的，靠近所述硅片台的两根连杆设置有用来测量连杆相对于硅片台空间位置的平面三自由度位移传感器。
进一步的，所述五连杆机构为悬臂结构，所述五根连杆选用铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、陶瓷或者其他无磁性材料来加工制造。
进一步的，所述主动驱动关节由旋转电机驱动，所述旋转电机采用直流伺服电机，电机轴上设置有旋转编码器或者圆光栅，用来测量和控制电机转角。
进一步的，所述五连杆机构和硅片台之间通过所述线缆设施的线缆柔性连接。
进一步的，所述线缆的长度为10mm～20mm。
进一步的，所述硅片台为平面气浮单硅片台、平面气浮多硅片台、平面磁浮单硅片台或者平面磁浮多硅片台。
进一步的，所述线缆设施包括通信线缆、功率线缆、气管、水管。
本发明提出一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台，提出了一种五连杆机构装置作为机械手臂，用于实现从线缆台跟随工件台在X方向的一维自由运动，以线缆台布置在Y向水平导轨上，用于实现线缆台在Y方向的一维自由运动；整套线缆台装置具备在X-Y平面的二维自由度。
在五连杆机构装置机构中仅设置一个主动控制的伺服电机，用于实现机构头部线缆在X向的自由度的主动控制和跟随微动台运动。其余枢纽采用被动自由度的轴承连接，机构转动灵活，摩擦损耗低，对微动台的干扰小；以此实现对线缆台的主动控制和线缆台对微动台在X-Y平面的跟随运动。
降低系统主动控制单元的个数(伺服电机)，增加被动控制单元(轴承枢纽和连杆)，以此来提高系统的可靠性和稳定性。
通过机械五连杆机构的方式对系统有效解耦，系统一个输入对应一个输出，降低系统设计和控制策略的难度，降低线缆台装置的成本，便于主动跟随的线缆台控制的实现。
线缆模块装配在五连杆机构上，整套系统具备柔性特点，符合线缆柔性设计的需求。
一种线缆支架装置，它既能实现主动线缆控制又能作为被动拖动装置，其中被动装置和主动装置的区别在于将伺服电机安装处改为轴承。
本发明的有益效果为：
1)降低系统主动控制单元个数，增加被动控制单元，提高系统的可靠性和稳定性。
2)降低系统设计和控制策略的难度，降低装置的设计成本。便于主动跟随的线缆台控制的实现。
3)线缆台垂向尺寸小，占用空间少、质量轻，装置适用于高速运动。
4)减少线缆台对微动台的扰动，缩短工件台的稳定时间，提高光刻机整机效率。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的光刻机硅片台的主动驱动线缆台结构示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的五连杆机构向负Y方向折弯的工作示意图。
图3所示为本发明较佳实施例的五连杆机构向正Y方向折弯的工作示意图。
图4所示为本发明较佳实施例的Y向滑台和五连杆机构配合的结构示意图。
图5所示为本发明较佳实施例的五连杆机构的连杆结构示意图。
图6所示为本发明另一较佳实施例的光刻机硅片台的主动驱动线缆台结构示意图。
图7所示为本发明另一较佳实施例的Y向滑台和五连杆机构配合的结构示意图。
图8所示为本发明较佳实施例的被动驱动线缆台结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
本发明提出的一种应用于光刻机硅片台的主动驱动线缆台，尤其适用于采用平面电机来实现硅片台长行程粗动的工件台运动系统，对采用传统的H型架构的双工件台系统也适用。本发明以平面电机作为实现硅片台长行程粗动系统进行介绍。
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的光刻机硅片台的主动驱动线缆台结构示意图。硅片台11、12各自对应有一个独立的线缆台410、420，线缆台410、420的结构完全一致。现以上半部分的线缆台410为例详述其结构：
本发明提出一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台410，包括Y向滑台41，Y向导轨51和五连杆机构21，所述Y向滑台41通过气浮轴承设置在所述Y向导轨51上，所述五连杆机构21一端连接于所述Y向滑台41，另一端通过线缆设施连接于硅片台11，其中，所述Y向滑台41由电机驱动在Y向与硅片台11保持同步运动，所述线缆设施23经由所述Y向滑台41沿所述五连杆机构21输送到所述硅片台11上，所述线缆设施23包括通信线缆、功率线缆、气管、水管等管线，所述五连杆机构21具有主动驱动关节31，用于驱动所述五连杆机构21沿X向运动，从而带动所述线缆设施沿X向运动。
当硅片台11沿X向运动时，五连杆机构21既能够对线缆设施23起支撑导向作用，又能够在主动驱动关节31的驱动下带动线缆设施23沿X向运动，同时控制整个驱动主动驱动线缆台410在XY平面内主动跟随硅片台11运动，避免线缆设施23在X向和Y向运动所产生的扰动传递到硅片台11，影响硅片台11的运动精度。
再请参考图2和图3，图2所示为本发明较佳实施例的五连杆机构向负Y方向折弯的工作示意图，图3所示为本发明较佳实施例的五连杆机构向正Y方向折弯的工作示意图。整套五连杆机构可以向正Y方向折弯，以使得前端点C准确的沿X方向水平运动。同时，五连杆机构也可以对称的向负Y方向折弯，以使得前端点C准确的沿X方向水平运动。其线缆支架折弯的方向选择原则上任意，实际中取决于工件台空间的布局，以工件台空间布局合适为宜。
所述五连杆机构包括五根连杆，形成“A”字形连接，分别是AB杆、BC杆、CD杆、DE杆和GF杆。AB杆和DE杆是一对对称的连杆，BC杆和CD杆也是一对对称的连杆，中间连杆GF单独搭接在连杆AB和DE中间段。在其端点A、B、C、D、E、F和G，都设有可以提供旋转的轴枢和轴承，选取其中某一端点(例如A或B)作为主动转动关节的安装点。该五连杆机构的A点和E点固定在Y向滑台上(或底座上)，AB杆和DE杆能够在一定的角度范围内偏转，以GF杆作为主要自由度约束，控制五连杆机构、收缩和延展，确保C点能够沿OC水平直线的方向做往复运动，即C点的运动轨迹在沿OA直线上做往复运动，其中OC于AE垂直。
所述五连杆机构2和硅片台1之间通过所述线缆设施的线缆3柔性连接，所述线缆3的长度为10mm～20mm。以线缆3(电线和气管)自身的柔性特性，补偿六自由度硅片台1在Z向、Rx、Ry和Rz的微量的运动所产生的差值。
为限制五连杆机构2支架向正向和负向两个方向任意折弯，在五连杆AB杆(或DE杆)末端设置有限位销(或角度限位装置)4限定AB杆(或DE杆)仅在单向设计角度的范围内偏转，同时设置有复位弹簧5，当五连杆机构2处于收缩状态时，复位弹簧5处于无弹力状态。当五连杆机构2处于延展状态时，复位弹簧5处于拉伸状态(弹簧回复力最大)。以此来实现单边往返运动，并控制偏转角度避免跨越临界延展状态转换点的问题。
再请参考图4，图4所示为本发明较佳实施例的Y向滑台和五连杆机构配合的结构示意图。在连杆内侧面和/或外侧面(例如AB杆侧面100和BC杆侧面200)安装有用于固定线缆设施的管线卡扣400。连杆AB一端A点同在线缆台300上安装，内有转动轴枢500相连。主动驱动关节上安装有旋转电机600和旋转编码器(图中未示)，所述旋转电机600采用直流伺服电机，提供整套连杆选择所需的力，并控制五连杆在X方向的伸缩，电机轴上设置有旋转编码器或者圆光栅，用来测量和控制电机转角；连杆BC与连杆CD之间通过一个转动轴枢500相连，其末端设置有用来测量连杆相对于硅片台空间位置的平面三自由度位移传感器(图中未示)；所有连杆在垂向与关节电机的总高度必须小于硅片台激光干涉仪反射镜在垂向的高度，以保证硅片台正常工作时不会遮挡激光干涉仪的测量光路。
图5所示为本发明较佳实施例的五连杆机构的连杆结构示意图，为AB杆和BC杆的结构三维视图，连杆AB的A端与线缆台固定连接在一起，内有轴枢/轴承使之绕A1A2点中心轴旋转，连杆AB的B端(B1B2为中心轴)与旋转电机的定子轴承座固定连接在一起。连杆BC的B端(B1B2为中心轴)与旋转电机的动子轴固定连接在一起，以使得旋转电机通过选择动子控制AB杆和BC杆，以B1B2为共同的中心轴开合的角度。连杆BC的C端与CD杆的C端同轴(C1C2为中心轴)，由于受AB杆和BC杆开合的角度的变化和整个五连杆机构的几何约束，使得C端能够沿X方向进行一维水平运动。连杆AB的B端通过两个轴承安装在转轴B1B2上，其中连杆AB与轴承外圈过盈配合。轴承内圈则与转动轴B1B2以过盈配合连接在一起，电机通过小型连轴器与转动轴B1B2连接，连杆BC的B端固定安装在转动轴B1B2上，连杆BC的C端上则安装有测量连杆相对于硅片台的平面三自由度位移传感器。连杆AB和BC外侧上安装有用于固定线缆设施的管线卡扣400，连杆机构的左侧用于信号线缆、功率线缆等直径较小，对应弯曲半径相对较小的线缆设施走线，右侧则用于气管、水管等直径较大，弯曲半径也相对较大的线缆设施走线。
进一步的，所述五连杆机构为悬臂结构，为了减少悬臂质量，同时考虑到应用在采用磁浮平面电机的场合，连杆选用铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维或者陶瓷等密度较小的无磁性材料来加工制造，所述硅片台为平面气浮单硅片台、平面气浮多硅片台、平面磁浮单硅片台或者平面磁浮多硅片台。
总结以上实施例，它包含一个主动驱动关节的五连杆机构为一维自由度运动机构，在旋转电机作用下可以使该连杆机构的末端C到达以AE线段为中点的对称线上的任意一点，使得C点沿X向水平往复运动。此外，结合Y向滑台在Y向的移动行程，线缆台可驱动整套无连杆线缆设施在XY平面内主动跟随硅片台运动，保证线缆设施运动时产生的扰动不会传递到硅片台系统。同时由一个电机控制的机构大大减低了系统控制的难度和相关的装置及成本。
再请参考图6和图7，图6所示为本发明另一较佳实施例的光刻机硅片台的主动驱动线缆台结构示意图，图7所示为本发明另一较佳实施例的Y向滑台和五连杆机构配合的结构示意图。其中线缆和管道的布局可以布置在五连杆机构的内侧，沿AB和BC布置，线缆和软管同随五连杆一起向内折弯。此外，作为五连杆机构的主动驱动关节31的旋转电机可以布置在A端或E端，以控制AB杆的选择角度，来控制整套五连杆机构的伸缩，进而控制C点沿X向的一维运动。由于对称性的原理，AB和DE杆对称，BC和CD杆对称。此处以AB杆和BC杆为例说明了相应的布置方式，其中管线卡扣布置在两杆的内侧。管线可以根据配置需要选择在内侧配置、或外侧配置，或两者同时配置。其中五连杆的驱动装置旋转电机可以布置在A端，使得五连杆前端悬臂质量减轻，使得结构简单和系统可靠。
图8所示为本发明较佳实施例的被动驱动线缆台结构示意图。该装置也能作为一种被动线缆支架装置，实行因工件台运动而拖动线缆的被动控制。当作为被动装置时，它和主动装置的区别在于将伺服电机安装处310改为轴承安装。以此实现五连杆线缆支架的在X方向的自由伸缩。
当作为主动控制装置时，整个五连杆机构依赖伺服电机驱动，控制收缩或延展状态，控制五连杆机构C点在X方向做一维运动。当作为被动拖拉装置时，整个五连杆机构依赖微动台驱动，控制收缩或延展状态，控制五连杆机构C点在X方向做一维往复运动。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (11)
1.一种光刻机硅片台的主动驱动线缆台，包括Y向滑台，Y向导轨和五连杆机构，所述Y向滑台通过气浮轴承设置在所述Y向导轨上，所述五连杆机构一端连接于所述Y向滑台，另一端通过线缆设施连接于硅片台，其中，所述Y向滑台由电机驱动在Y向与硅片台保持同步运动，所述线缆设施经由所述Y向滑台沿所述五连杆机构输送到所述硅片台上，所述五连杆机构具有主动驱动关节，用于驱动所述五连杆机构沿X向运动，从而带动所述线缆设施沿X向运动，其特征在于，所述五连杆机构包括五根连杆，形成A字形连接，其中靠近所述Y向滑台的两根连杆的端点分别固定于所述Y向滑台的两点，单独的中间连杆连接于上述两根连杆的中间段，靠近所述硅片台的两根连杆的一端分别与靠近所述Y向滑台的两根连杆相连，另一端彼此相连形成尖端并通过所述线缆设施与所述硅片台柔性连接。
2.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述五根连杆的端点都设有旋转轴枢和轴承，使得所述五连杆机构向正Y方向或负Y方向折弯，从而带动靠近所述硅片台的所述五连杆机构的尖端沿X方向水平运动。
3.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，在靠近所述Y向滑台的两根连杆其中之一的末端设置有限位销或角度限位装置，用以限定所述五连杆机构仅在单向设计角度的范围内偏转，所述连杆末端同时设置有复位弹簧。
4.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述五根连杆内侧面和/或外侧面设置有用于线缆设施走线的卡扣。
5.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，靠近所述硅片台的两根连杆设置有用来测量连杆相对于硅片台空间位置的平面三自由度位移传感器。
6.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述五连杆机构为悬臂结构，所述五根连杆选用铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维或者陶瓷来加工制造。
7.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述主动驱动关节由旋转电机驱动，所述旋转电机采用直流伺服电机，电机轴上设置有旋转编码器或者圆光栅，用来测量和控制电机转角。
8.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述五连杆机构和硅片台之间通过所述线缆设施的线缆柔性连接。
9.根据权利要求8所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述线缆的长度为10mm～20mm。
10.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述硅片台为平面气浮单硅片台、平面气浮多硅片台、平面磁浮单硅片台或者平面磁浮多硅片台。
11.根据权利要求1所述的光刻机硅片台的主动驱动线缆台，其特征在于，所述线缆设施包括通信线缆、功率线缆、气管管线和水管管线。
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