CN104238273B - 一种工件台安全防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件台安全防护装置，包括设置于工作平面上方的硅片台和粗动台，还包括设于工作平面四周的运动限位机构以及固定于粗动台上的防撞缓冲机构，其中，运动限位机构包括X向限位机构和Y向限位机构，X向限位机构和Y向限位机构分别包括限位边条、支撑导向机构以及缓冲器，限位边条固定于支撑导向机构上，并沿X向或Y向运动，缓冲器固定于限位边条上；防撞缓冲机构包括碰撞边框以及弹性构件，弹性构件的两端分别连接至碰撞边框和粗动台。本发明利用运动限位机构限制工件台的运动范围，防止控制失效时工件台运动出工作平面，同时采用防撞缓冲机构减小工件台之间、工件台与碰撞边框之间发生碰撞时对工件台内部装置及部件的冲击。

Description

一种工件台安全防护装置

技术领域

本发明涉及半导体光刻设备领域，尤其涉及一种工件台安全防护装置。

背景技术

在半导体光刻设备中，硅片台和掩模台等精密工件台运动系统是极其重要的关键部件，其典型的结构形式如下：工件台通常由粗、微动台组成，二者共同实现工件台在空间六自由度方向的精密运动定位。随着超大规模集成电路器件集成度的不断提高，对光刻机的产率指标要求也在不断提升，这就对工件台的运动速度、加速度以及精度提出了更高的要求。

平面电机由于具有出力密度高，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，目前已经被应用于高端半导体光刻设备中。

采用平面电机来实现长行程粗动的精密工件台运动系统，与传统工件台相比，无X、Y向粗动导轨，六自由度微动机构以及硅片承版台设置在平面电机上方，工件台在工作面内做步进扫描运动时完全自由而无机械导轨及机械限位的约束，当测量系统出现故障或者控制软件出错等导致粗动平面电机运动控制失效时，工件台就极易与外围装置发生碰撞甚至运动出工作平面，引起工件台上昂贵部件装置的损坏。

目前，有一种工件台防撞装置，如图1a和图1b所示，该防撞装置主要由碰撞缓冲器CB构成，该碰撞缓冲器CB设有一个碰撞框架CF以及一个连接部CC，当两个基底台W2T、W3T之间，或基底台W2T、W3T中的一个与环绕工作面周围的机架MF之间发生碰撞时，通过采用镍钛合金制作的碰撞缓冲器CB来吸收碰撞产生的大量能量。但该方案存在的问题是：当两基底台W2T、W3T在偏离中心的位置发生碰撞时，碰撞产生的冲击不能均匀分布在碰撞框架CF的碰撞侧，且偏离中心冲击的缓冲行程将会大于中心冲击的缓冲行程，此外，该碰撞缓冲器CB为一结构件，其缓冲行程为该结构件的变形量，即使采用镍钛合金制作的机械结构件，其结构变形产生的缓冲行程仍然很有限，这会导致经过碰撞缓冲器CB后传递到基底台W2T、W3T的冲击力过大，引起基底台W2T、W3T上精密部件的损坏。

另外一种工件台防撞装置，该防撞装置的一个实施方式如图2a所示，包括防撞边框102，两阻尼器104以及由导向杆108和直线轴承106组成的导向装置，该方案看似解决了偏心冲击会导致作用在两侧阻尼器104上的冲击力分布不均的问题，但实际存在的问题是，当偏心冲击过大时，两阻尼器104的冲击行程并不一致，靠近冲击的一侧冲击行程大，远离冲击的一侧冲击行程小，这会导致导向杆108绕Rz轴扭转一定的角度，并使直线轴承106的滑台和导轨之间产生一个较大扭矩，从而降低防撞装置的使用寿命及可靠性；该防撞装置另一个实施方式如图2b所示，其与前一个实施方式的不同之处在于：利用两根预拉紧弹簧112组成平行四边形铰链机构代替直线轴承导向机构，在两阻尼器104间传递偏离中心冲击的力，该方案存在的问题是，仅解决了在平面内一个方向（X向）上的防撞问题，而当两基底台WT’沿另一方向（Y向）高速运动发生碰撞时，并不能起到很好的安全防护效果，此外，该方案也未能很好解决防撞边框102在工件台正常工作时的垂向支撑定位问题。

发明内容

本发明提供一种工件台安全防护装置，以避免各工件台高速运动发生碰撞而导致的部件损坏，同时，有效解决发生偏心碰撞时，碰撞冲击在工件台防撞装置上分布不均引起承版台产生较大转角的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种工件台安全防护装置，包括设置于工作平面上方的硅片台和粗动台，还包括设于所述工作平面四周的运动限位机构以及固定于所述粗动台上的防撞缓冲机构，其中，

所述运动限位机构包括X向限位机构和Y向限位机构，所述X向限位机构和Y向限位机构分别包括限位边条、支撑导向机构以及缓冲器，所述限位边条固定于所述支撑导向机构上，并沿X向或Y向运动，所述缓冲器固定于所述限位边条上；

所述防撞缓冲机构包括碰撞边框以及弹性构件，所述弹性构件的两端分别铰接至所述碰撞边框和所述粗动台。

较佳地，所述支撑导向机构包括至少两个直线导轨以及固定于所述直线导轨的滑块上的柔性簧片，所述限位边条通过所述柔性簧片固定于所述直线导轨的滑块上。

较佳地，所述柔性簧片的垂向为高刚性，水平向为低刚性。

较佳地，所述限位边条的垂向高度与所述硅片台重心的垂向高度相对应。

较佳地，所述缓冲器为油压式缓冲器、弹簧缓冲器或空气缓冲器中的一种。

较佳地，所述碰撞边框在X、Y向均伸出所述硅片台的边缘，且所述碰撞边框的内侧与相对应的粗动台的外侧之间的距离大于等于硅片台的最大碰撞缓冲行程。

较佳地，所述防撞缓冲机构通过上下两个安装板固定于所述粗动台上。

较佳地，所述两个安装板与粗动台之间还设有若干偏心调整机构。

较佳地，所述碰撞边框与所述限位边条均采用碳纤维材料制成。

较佳地，所述碰撞边框外侧粘贴有一层弹性材料。

较佳地，所述弹性材料为聚氨酯或橡胶。

较佳地，所述弹性构件的横截面为矩形，且其高宽比大于1。

较佳地，所述弹性构件采用形状记忆合金制成。

较佳地，所述弹性构件为16根，16根弹性构件均布于所述硅片台的四周，所述硅片台每侧的4根弹性构件中，2根为预拉伸构件，其余2根为未预拉伸构件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.约束工件台在工作平面内运动，采用X、Y向的限位边条加一组缓冲器的方式，相比于采用一个一体式钛镍合金框架结构，其制造成本更低，同时允许更大的缓冲行程，产生更小的冲击力；

2.X、Y向的限位边条通过柔性簧片连接在支撑导向机构上，实现了Rz轴向的解耦，X、Y向的限位边条间无机械连接，实现完全解耦，而现有技术中限位框架为一个一体式框架结构件，无解耦装置；

3.防撞缓冲机构采用弹性构件来支撑定位碰撞边框，起到良好的防撞缓冲作用，同时克服了现有技术中碰撞边框垂向难以有效支撑的问题。

附图说明

图1a和1b为现有的一种工件台防撞装置的结构示意图；

图2a和2b为现有的另一种工件台防撞装置的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置中运动限位机构的结构示意图；

图5为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置中防撞缓冲机构的结构示意图；

图6a和图6b为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置中弹性构件的结构示意图；

图7为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置中防撞缓冲机构的安装方式示意图；

图8a至8c为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置取case1数据时的碰撞曲线及工件台重心X、Y、Z向加速度曲线的仿真图；

图9a至9c为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置取case2数据时的碰撞曲线及工件台重心X、Y、Z向加速度曲线的仿真图；

图10a至10c为本发明一具体实施方式的工件台安全防护装置取case3数据时的碰撞曲线及工件台重心X、Y、Z向加速度曲线的仿真图。

图3-7中：10-工作平面、20-硅片台、30-粗动台、40-X向限位机构、41-限位边条、42-直线导轨、43-柔性簧片、44-缓冲器、50-Y向限位机构、60-防撞缓冲机构、61-碰撞边框、62-弹性构件、63-安装版、64-偏心调整机构。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供的工件台安全防护装置，如图3至图7所示，包括设置于工作平面10上方的硅片台20和粗动台30，还包括设于所述工作平面10四周的运动限位机构以及固定于所述粗动台30上的防撞缓冲机构60，其中，

具体地，所述运动限位机构固定于所述工作平面10的平衡质量单元上，包括X向限位机构40和Y向限位机构50，所述X向限位机构40和Y向限位机构50分别包括限位边条41、支撑导向机构以及至少两个缓冲器44，较佳地，所述缓冲器44为油压式缓冲器、弹簧缓冲器或空气缓冲器中的一种；所述限位边条41固定于所述支撑导向机构上，并沿X向或Y向运动，所述缓冲器44固定于所述限位边条41上，具体地，所述X向限位机构40分为两组，且沿X向正对布置，同样的，Y向限位机构50也为两组，沿Y向正对布置，所述运动限位机构用于限制工件台的运动范围，防止控制失效时工件台运动出工作平面10；

所述防撞缓冲机构60包括碰撞边框61以及弹性构件62，所述弹性构件62的两端分别铰接至所述碰撞边框61和所述粗动台30，所述弹性构件62用以支撑碰撞边框61的重量使其保持在正确的位置。本发明采用防撞缓冲机构60减小工件台之间、工件台与碰撞边框61之间发生碰撞时对工件台内部装置及部件的冲击。

较佳地，请重点参考图3和图4，所述支撑导向机构包括至少两个直线导轨42以及固定于所述直线导轨42的滑块上的柔性簧片43，所述限位边条41通过所述柔性簧片43固定于所述直线导轨42的滑块上，所述限位边条41垂向通过柔性簧片43支撑，沿冲击方向的运动导向采用直线导轨42，较佳地，所述柔性簧片43的垂向为高刚性，水平向为低刚性，所述柔性簧片43能够实现直线导轨42与限位边条41之间的Rz轴向的解耦，所述X、Y向的限位边条41之间无机械连接，实现完全解耦。

较佳地，所述限位边条41的垂向高度与所述硅片台20重心的垂向高度相对应，也就是说，所述限位边条41设置在垂向高度接近于硅片台20重心Z向高度的位置上，这样既可以避免阻挡测量光路，又可以尽量减少工件台碰撞产生的倾翻力矩，使得碰撞冲击时限位边条41运动压缩所述缓冲器44，进而吸收冲击产生的能量。

较佳地，请参考图3和图5，所述碰撞边框61在X、Y向均伸出所述硅片台20的边缘，且所述碰撞边框61的内侧与相对应的粗动台30的外侧之间的距离大于等于硅片台20的最大碰撞缓冲行程，也就是说，所述碰撞边框61在X、Y轴向均伸出硅片台20测量反射镜（图中未示出）的边缘，碰撞边框61内侧在X、Y轴向均与所述粗动台30保持有一定的间隙，该间隙大于等于对应轴向的最大碰撞缓冲行程，即，确保产生最大碰撞时，所述碰撞边框61与所述工件台不发生碰撞。

较佳地，请重点参考图7，所述防撞缓冲机构60通过上下两个安装板63固定于所述粗动台30上，较佳地，所述两个安装板63与粗动台30之间还设有若干偏心调整机构64，用以调节所述粗动台30与所述工件台之间的初始相对位置。

较佳地，请重点参考图3至图5，所述碰撞边框61与所述限位边条41均采用碳纤维材料制成，当然，也可以选用具有高强度，低密度特性的其它材料制作，较佳地，所述碰撞边框61外侧粘贴有一层弹性材料（图中未示出），所述弹性材料为聚氨酯或橡胶，进一步起到防撞减震作用。

较佳地，请重点参考图6a和图6b，所述弹性构件62的横截面为矩形，且其高宽比大于1，也就是说，所述弹性构件62的长宽高分别为L、b、h，h/b>1，以保证所述弹性构件62具有一定的垂向刚度，起到支撑悬空布置在外围的碰撞边框61的作用，当然，可通过调节其高（h）宽（b）的比值来优化预拉伸力及弹性构件62的垂向刚度；较佳地，所述弹性构件62采用具有超弹性和高阻尼效应的形状记忆合金制成。

较佳地，请重点参考图5，所述弹性构件62为16根，16根弹性构件均布于所述硅片台20的四周，分别为1a～1d，2a～2d，3a～3d以及4a～4d，所述硅片台20每侧的4根弹性构件62中，2根为预拉伸构件，其余2根为未预拉伸构件，具体地，16根弹性构件62的布置方式如图5所示，图中1a、1c、2a、2c、3a、3c、4a、4c为预拉伸构件，1b、1d、2b、2d、3b、3d、4b、4d为未预拉伸构件，1a∥1b∥3a∥3b且布置在同一水平面上，1c∥1d∥3c∥3d且布置在同一水平面上，2a∥2b∥4a∥4b且布置在同一水平面上，2c∥2d∥4c∥4d且布置在同一水平面上。其中1a、1b、2c、2d、3a、3b、4c、4d近似构成一个平行四边形结构，1c、1d、2a、2b、3c、3d、4a、4b近似构成一个平行四边形结构。预拉伸构件只有在冲击力大于预张紧力时才会变形，根据分析碰撞工况得到的最大碰撞冲击力来调整预拉伸构件的预拉伸量，进而调整出合适的初始预张紧力；当硅片台20在X轴向发生碰撞时，1a、1c、3a、3c等预拉伸构件交替进行着伸长和缩短的变化，但始终处于拉伸状态，提供稳定的阻尼力，消耗工件台因碰撞产生的大量振动能量；1b、1d、3b、3d等未预拉伸构件交替伸长和屈曲，除了能够提供一定的阻尼力，还能为防撞缓冲机构60提供良好的大变形恢复能力。此时，沿Y向布置的弹性构件62：2a、2b、2c、2d、4a、4b、4c、4d在绝大多数工况下，由于碰撞冲击力小于沿冲击方向布置的所有弹性构件62的初始预张紧力，均不会发生变形，能够保证冲击载荷在1a、1c、3a、3c等预拉伸构件间均匀分布；当发生极端工况时，即碰撞冲击力大于沿冲击方向布置的所有弹性构件62的初始预张紧力导致防撞缓冲机构60产生大变形时，弹性构件2a、2b、2c、2d、4a、4b、4c、4d将发生屈曲，配合1b、1d、3b、3d等未预拉伸构件共同给防撞缓冲机构60提供良好的大变形恢复能力。克服了现有技术仅能在一个方向提供高速碰撞防护的问题，以及冲击动量过大产生大变形时碰撞装置难以复位的问题。

需要说明的是，硅片台20在Y向发生碰撞时的工作机制与X向类似，此处不再赘述。

本发明所设计的工件台安全防护装置，碰撞边框61与限位边条41材料为碳纤维，其质量约为1.3kg，弹性构件62采用NiTi合金，其密度取6.5g/cm^3，弹性模量取60GPa。

碰撞边框62在重力作用下的垂向变形，借助有限元分析软件，针对弹性构件62不同的截面尺寸，分别对有预应力（应力刚化效应）和无预应力两种工况进行仿真分析，可得到如下数据：

1.无预应力工况

2.有预应力工况

有预应力情况下，轴向应力对横向刚度有较大的影响，采用预应力模态分析方法，通过比较无预应力情况下的模态频率和预应力下模态频率，确定预应力下的等效截面，进而进行重力作用下变形分析。

$I_{1Z}=k*{\left(\frac{f_2}{f_1}\right)}^2*I_{2Z},$

其中，k为经验系数，计算得到其值为0.92，取一定安全系数，取其值为0.85。f₂为预应力模态频率，f₁为无预应力模态频率，I_1Z为等效截面惯性积，I_2Z为原始惯性积，梁横向刚度正比于惯性积。无预应力作用下，其模态频率为4.5Hz左右。

由以上分析可得，弹性构件62的横截面积减小到一定值以后，横向刚度主要与其轴向预应力有关，而与其截面尺寸关系不大，因此，结合空间结构约束以及碰撞边框61在重力作用下的垂向允许变形量，借助有限元分析方法可以得到弹性构件62的设计尺寸、预拉伸量等设计约束。

假定工件台在水平向以1m/s的速度为发生碰撞，工件台质量为50kg，加速度传感器（图中未示出）置于工件台重心位置。碰撞边框61采用碳纤维材料，被碰物体采用刚性单元建模。针对由三种不同尺寸的弹性构件组成的防撞装置进行碰撞仿真分析，得到的数据如下表：

其中针对Case1的碰撞力曲线以及工件台重心X、Y、Z向加速度曲线如图8a至图8c所示；

其中针对Case2的碰撞力曲线以及工件台重心X、Y、Z向加速度曲线如图9a至图9c所示；

其中针对Case3的碰撞力曲线以及工件台重心X、Y、Z向加速度曲线如图10a至图10c所示。

由图8至图10可知，由于工件台碰撞过程中允许的最大加速度为设计输入，结合工件台结构布局给出的空间尺寸约束以及碰撞边框61在重力作用下的垂向变形量约束指标，借助有限元分析的方法，即可得到弹性构件62的设计尺寸、预拉伸量，碰撞缓冲行程，进而优化工件台防撞装置空间结构布局。

综上所述，本发明提供的工件台安全防护装置，包括设置于工作平面10上方的硅片台20和粗动台30，还包括设于所述工作平面10四周的运动限位机构以及固定于所述粗动台30上的防撞缓冲机构60，其中，所述运动限位机构包括X向限位机构40和Y向限位机构50，所述X向限位机构40和Y向限位机构50分别包括限位边条41、支撑导向机构以及至少两个缓冲器44，所述限位边条41固定于所述支撑导向机构上，并沿X向或Y向运动，所述缓冲器44固定于所述限位边条41上；所述防撞缓冲机构60包括碰撞边框61以及弹性构件62，所述弹性构件62的两端分别连接至所述碰撞边框61和所述粗动台30。本发明利用运动限位机构限制工件台的运动范围，防止控制失效时工件台运动出工作平面10，同时采用防撞缓冲机构60减小工件台之间、工件台与碰撞边框61之间发生碰撞时对工件台内部装置及部件的冲击。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种工件台安全防护装置，包括设置于工作平面上方的硅片台和粗动台，其特征在于，还包括设于所述工作平面四周的运动限位机构以及固定于所述粗动台上的防撞缓冲机构，其中，

所述运动限位机构包括X向限位机构和Y向限位机构，所述X向限位机构和Y向限位机构分别包括限位边条、支撑导向机构以及缓冲器，所述限位边条固定于所述支撑导向机构上，并沿X向或Y向运动，所述缓冲器固定于所述限位边条上；

所述防撞缓冲机构包括碰撞边框以及弹性构件，所述弹性构件的两端分别铰接至所述碰撞边框和所述粗动台。

2.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述支撑导向机构包括至少两个直线导轨以及固定于所述直线导轨的滑块上的柔性簧片，所述限位边条通过所述柔性簧片固定于所述直线导轨的滑块上。

3.如权利要求2所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述柔性簧片的垂向为高刚性，水平向为低刚性。

4.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述限位边条的垂向高度与所述硅片台重心的垂向高度相对应。

5.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述缓冲器为油压式缓冲器、弹簧缓冲器或空气缓冲器中的一种。

6.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述碰撞边框在X、Y向均伸出所述硅片台的边缘，且所述碰撞边框的内侧与相对应的粗动台的外侧之间的距离大于等于硅片台的最大碰撞缓冲行程。

7.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述防撞缓冲机构通过上下两个安装板固定于所述粗动台上。

8.如权利要求7所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述两个安装板与粗动台之间还设有若干偏心调整机构。

9.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述碰撞边框与所述限位边条均采用碳纤维材料制成。

10.如权利要求9所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述碰撞边框外侧粘贴有一层弹性材料。

11.如权利要求10所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述弹性材料为聚氨酯或橡胶。

12.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述弹性构件的横截面为矩形，且其高宽比大于1。

13.如权利要求1所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述弹性构件采用形状记忆合金制成。

14.如权利要求1至13中任一项所述的工件台安全防护装置，其特征在于，所述弹性构件为16根，16根弹性构件均布于所述硅片台的四周，所述硅片台每侧的4根弹性构件中，2根为预拉伸构件，其余2根为未预拉伸构件。