CN103901734B - 一种工件台线缆装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工件台线缆装置，包括工件台、硅片台、线缆设备、线缆连接台以及X向运动设备和Y向运动设备，所述硅片台与线缆连接台分别安装于所述工件台的上侧和下侧，所述线缆设备的两端分别连接至所述硅片台和线缆连接台，所述X向运动设备连接至所述线缆连接台并沿X向运动，所述Y向运动设备连接至所述线缆连接台并沿Y向运动。本发明利用沿X向运动的X向运动设备和沿Y向运动的Y向运动设备带动所述线缆连接台跟随所述硅片台在X、Y向同步运动，使得线缆设备跟随所述硅片台运动，以减少线缆设备对所述硅片台运动产生的扰动，并减少线缆设备在硅片台运动中的弯折次数，增加线缆设备的使用寿命，同时，本发明结构简单。

Description

一种工件台线缆装置
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线缆装置。
背景技术
在半导体光刻设备中，硅片台和掩模台等精密硅片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，对应的硅片台的运行速度、加速度以及精度要求也不断提高。
光刻机硅片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、速度快、可靠性高等特点，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。
目前有一种采用平面电机驱动硅片台实现长行程粗动的硅片台系统，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，避免了下垂时与工作台面摩擦，但在Y向被动跟随硅片台运动，仍然会影响硅片台运动定位精度。
还有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，线缆在高速运动过程中折弯次数过多影响线缆的使用寿命；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
本发明提供一种工件台线缆装置，以解决现有技术中线缆被动跟随硅片台运动的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种工件台线缆装置，包括工件台、硅片台、线缆设备、线缆连接台以及X向运动设备和Y向运动设备，所述硅片台与线缆连接台分别安装于所述工件台的上侧和下侧，所述线缆设备的两端分别连接至所述硅片台和线缆连接台，所述X向运动设备连接至所述线缆连接台并沿X向运动，所述Y向运动设备连接至所述线缆连接台并沿Y向运动。
较佳地，所述Y向运动设备包括固定于所述工件台底部边缘的滑台以及能够沿所述滑台滑动的滑块，所述X向运动设备包括伸缩件、控制电机以及导向装置，所述导向装置沿X方向设置，所述伸缩件以及导向装置的一端分别安装于所述滑块上，另一端分别安装于所述线缆连接台上，所述控制电机控制所述伸缩件的伸缩。
较佳地，所述线缆设备与所述硅片台之间安装有差分传感器。
较佳地，所述导向装置为导向杆，所述导向杆的一端固定连接于所述线缆连接台，所述导向杆的另一端穿设于所述滑块内，并能够沿X方向滑动。
较佳地，所述导向杆为直线导向装置，所述导向杆与所述滑块之间设有机械轴承或气浮轴承或磁浮轴承。
较佳地，所述伸缩件为机械臂，所述机械臂包括两连杆以及连接所述两连杆的旋转接点，所述两连杆的两端分别与所述滑块和线缆连接台铰接。
较佳地，所述控制电机为旋转电机，所述旋转电机控制所述两连杆的其中一端的旋转。
较佳地，所述旋转电机上还设有旋转编码器。
较佳地，所述伸缩件为直线滑轨，所述直线滑轨包括X向的轨道以及沿所述轨道滑动的固定块，所述轨道的一端固定连接至所述滑块，所述线缆连接台固定于所述固定块上。
较佳地，所述控制电机为直线电机，所述直线电机控制所述固定块沿所述轨道做直线运动。
较佳地，所述直线电机上还设有直线编码尺。
较佳地，所述工件台底部设有第一磁钢阵列，所述线缆连接台上设有与所述第一磁钢阵列相对应的第二磁钢阵列。
较佳地，所述工件台底部设有第一线圈阵列，所述线缆连接台上设有与所述第一线圈阵列相对应的第二线圈阵列。
较佳地，所述硅片台内部设有霍尔传感器阵列，所述线缆设备与所述硅片台之间设有跟随传感器。
较佳地，所述线缆设备包括线缆以及套设于所述线缆外侧的线缆套，所述线缆套中设有隔层。
较佳地，所述线缆采用柔性线缆。
较佳地，所述线缆套采用高弹性模量、高刚度、低密度材料制成，如碳纤维、陶瓷或碳化硅。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的工件台线缆装置具有如下优点：
1．本发明可以有效支撑并驱动线缆设备同步跟随硅片台运动，线缆采用高刚度、高弹性模量、低密度结构件进行封装，运动时线缆与硅片台相对静止，线缆结构刚度及模态高，将线缆设备运动过程中对硅片台产生的扰动降低到最小，进而提高硅片台的运动定位精度；
2．机械结构及控制算法相对简单，针对不同的光刻机工件台，可以根据硅片台在X向的极限行程来灵活设计X向运动设备的长度，结构简单。
附图说明
图1为本发明实施例1的工件台线缆装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3和图4分别为本发明实施例1中的线缆连接台处于最大行程和最小行程时的布局图；
图5为本发明的工件台线缆装置的线缆装置的结构示意图；
图6为图5的剖面图；
图7为本发明实施例2的工件台线缆装置的结构示意图；
图8为本发明实施例3的工件台线缆装置的结构示意图；
图9为图8的俯视图。
图1~6中：110-工件台、120-硅片台、130-线缆设备、131-线缆、132-线缆套、133-隔层、140-线缆连接台、151-滑台、152-滑块、161-机械臂、1611-连杆、1612-旋转接点、162-旋转电机、163-导向杆；
图7中：210-工件台、220-硅片台、230-线缆设备、240-线缆连接台、251-滑台、252-滑块、261-轨道、262-固定块；
图8~9中：310-工件台、320-硅片台、330-线缆设备、340-线缆连接台、350-第一磁钢阵列（或第一线圈阵列）。
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线缆装置，如图1~图4所示，包括工件台110、硅片台120、线缆设备130、线缆连接台140以及X向运动设备和Y向运动设备，所述硅片台120与线缆连接台140分别安装于所述工件台110的上侧和下侧，所述线缆设备130的两端分别连接至所述硅片台120和线缆连接台140。具体地，所述线缆设备130与所述硅片台120为柔性连接，以保证所述线缆设备130与硅片台120之间的柔性解耦，所述线缆设备130与所述线缆连接台140刚性连接，使所述线缆连接台140在运动过程中带动线缆设备130同步运动，两者间无需如线缆设备130和硅片台120之间需要跟随控制。所述X向运动设备连接至所述线缆连接台140并沿X向运动，所述Y向运动设备连接至所述线缆连接台140并沿Y向运动。其中硅片台120通过平面电机（图中未示出）的动、定子之间的作用力悬浮在所述工作台110上，所述硅片台120通过平面电机实现空间内六自由度的运动和定位，所述X向运动设备和Y向运动设备带动所述线缆连接台140跟随所述硅片台120同步运动，以减少线缆设备130对所述硅片台120运动产生的扰动，并减少线缆设备130在硅片台120运动中的弯折次数，增加线缆设备130的使用寿命，同时，本发明结构简单，成本较低。
实施例1
请继续参考图1至图4，所述Y向运动设备包括固定于所述工件台110底部边缘的滑台151以及能够沿所述滑台151滑动的滑块152，所述X向运动设备包括伸缩件、控制电机以及导向装置，所述导向装置沿X方向设置，所述伸缩件以及导向装置的一端分别安装于所述滑块152上，另一端分别安装于所述线缆连接台140上，所述控制电机控制所述伸缩件的伸缩。较佳地，所述导向装置为导向杆163，较佳地，所述导向杆163为直线导向装置，所述导向杆163与所述滑块152之间设有机械轴承或气浮轴承或磁浮轴承。所述导向杆163的一端固定连接于所述线缆连接台140，所述导向杆163的另一端穿设于所述滑块152内，并能够沿X方向滑动；较佳地，所述伸缩件为机械臂161，所述机械臂161包括两连杆1611以及连接所述两连杆1611的旋转接点1612，所述两连杆1611的两端分别与所述滑块152和线缆连接台140铰接，使线缆连接台140在Rz向解耦；较佳地，所述控制电机为旋转电机162，所述旋转电机162控制所述两连杆1611的其中一端旋转，较佳地，所述旋转电机162上还设有旋转编码器（图中未示出），用以测量所述机械臂161的运动状态。运动过程中只需通过旋转电机162驱动机械臂161并配合滑台151在Y向的运动即可带动线缆连接台140跟随硅片台120在XY平面进行主动跟随运动，由于硅片台120运动时，旋转电机162带动两连杆1611运动，机械臂161带动线缆连接台140运动，线缆设备130一端和线缆连接台140为刚性连接，故线缆连接台140和线缆设备130一起实现在X、Y方向的主动跟随，并能保证线缆设备130与硅片台120的运动轨迹、速度、加速度上的一致性，使硅片台120、线缆设备130、线缆连接台140三者在运动时保持相对静止。
较佳地，请继续参考图1至图4，所述线缆设备130与所述硅片台120之间安装有差分传感器（图中未示出），当硅片台120在X、Y向运动时，通过所述差分传感器，线缆设备130跟随硅片台120运动，并始终保持两者的相对位置不变，并且在硅片台120初始化时，该位置上的差分传感器可以为硅片台120提供零位测量。
具体地，请继续参考图1至图4，所述硅片台120的初始化过程为：上电之后，所述滑台151通过Y向的光栅尺（图中未示出）测量与工作台110间的位置关系，由于线缆连接台140与滑台151相连，所以线缆设备130、线缆连接台140以及滑台151在初始化过程中可视为一体，故三者的位置即为滑台151的位置；线缆设备130与硅片台120之间设有差分传感器，在初始化时刻，硅片台120通过差分传感器测量到与线缆设备130的相对位置，从而确定硅片台120与滑台151间的位置关系，这样，通过相对测量即可确定硅片台120相对于工作台110的位置关系，以完成初始化。
请重点参考图3和图4，当硅片台120处于交接片位时，硅片台120会运动到离工件台110边缘较远的距离，此时，通过机械臂161的带动，线缆连接台140可带动线缆设备130跟随硅片台120到达交接位，并且保持线缆设备130两端相对位置保持不变（双交接片工位情况则无需考虑此种工况）；当硅片台120处于交换位时，两硅片台120运动到工件台110最边缘极限位，此时，机械臂161折弯后带动线缆连接台140运动到工件台110X向的边缘位置，跟随硅片台120运动，线缆设备130通过机械臂161的冗余自由度可实现在X向长短距离间的直线运动。
需要说明的是，由于所述机械臂161为悬臂结构，在线缆连接台140中可预装磁铁及气浮垫，工件台110底部可安装硅钢板，提供线缆连接台140在垂向的预载力，从而提高机械臂161和线缆连接台140在垂向的刚度。
较佳地，请重点参考图5和图6，所述线缆设备130包括线缆131以及套设于所述线缆131外侧的线缆套132，所述线缆套132中设有隔层133。具体地，所述线缆131采用柔性线缆；所述线缆套132采用碳纤维、陶瓷或碳化硅中的一种材料制成。在硅片台120中，需要用到的线缆131包括：信号线、功率线、气管和水管，本实施例中采用材质更轻，线宽更小的柔性线缆代替传统线缆。柔性线缆的线宽一般在0.2~1mm，远小于普通线缆宽度，且封装后质量更轻，可有效降低线缆131对硅片台120运动产生的干扰。线缆套132采用低密度，高刚度，高弹性模量的材料制作，如碳纤维、陶瓷、碳化硅等，对线缆131起支撑及导向的作用，同时提高线缆131的高度及结构模态，并消除了线缆131在U型弯一端产生晃动、下垂等可能影响导轨运动的现象。线缆套132内设有隔层133，将不同类型线缆131单独放置，防止各层管线之间的相互干扰。
请继续参考图5和图6，线缆131布局时将水管、气管等线宽较大的排管作为单独一层，线宽小的排线通过上下重叠为二至三层，并与水管、气管等线宽较大的排管并排放置。通过线缆套132内的隔层133，将各层排线隔开，减小排线间相互干扰。线缆设备130采用排线横向并排布局，减少线缆设备130的整体厚度，并且采用垂向U型打弯方式可将线缆体积进一步减小。
本实施例采用线缆设备130相对硅片台120静止的运动方式，该方案可最大程度减小线缆设备130在运动时给硅片台120造成的扰动，提高硅片台120的运动定位精度。并且由于线缆设备130在运动过程中自身不产生伸缩、拉扯等动作，因此可有效延长线缆设备130的使用寿命。
实施例2
如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于：所述伸缩件为直线滑轨，所述直线滑轨包括X向的轨道261以及沿所述轨道261滑动的固定块262，所述轨道261的一端固定连接至所述滑块252，所述线缆连接台240固定于所述固定块262上；所述控制电机为直线电机（图中未示出），所述直线电机控制所述固定块262沿所述轨道261做直线运动，较佳地，所述直线电机上还设有直线编码尺（图中未示出）。也就是说，Y向运动设备与实施例1相同，包括固定于所述工件台210底部边缘的滑台251以及能够沿所述滑台251滑动的滑块252；而所述X向运动设备中的伸缩件则为直线滑轨，如直线电机、丝杆、旋转电机等；控制电机则为直线电机，导向装置则为轨道261，这样，驱动设备（图中未示出）驱动所述滑块252沿所述滑台251运动，带动所述线缆连接台240沿Y方向运动，所述直线电机控制所述直线滑轨中的固定块262沿所述轨道261滑动，带动所述线缆连接台240沿X方向运动，从而达到所述线缆设备230与硅片台220相对的静止，以减小线缆设备230在运动时给硅片台220造成的扰动，提高硅片台220的运动定位精度，同时，有效延长线缆设备230的使用寿命。
实施例3
本实施例与实施例1和2的区别在于：所述X向运动设备和Y向运动设备均由磁钢阵列或线圈阵列提供。
较佳地，请参考图8和图9，所述工件台310底部设有第一磁钢阵列（或第一线圈阵列）350，所述线缆连接台340上设有与所述第一磁钢阵列（或第一线圈阵列）350相对应的第二磁钢阵列（或第二线圈阵列）。所述第一磁钢阵列（或第一线圈阵列）350与所述第二磁钢阵列（或第二线圈阵列）组成平面电机，从而控制所述线缆连接台340在X、Y方向上的相对运动。
较佳地，请继续参考图8和图9，所述硅片台320内部设有霍尔传感器阵列（图中未示出），所述线缆设备330与所述硅片台320之间设有跟随传感器（图中未示出），用于测量所述线缆设备330与所述硅片台320之间的相对位置。
具体地，请继续参考图8和图9，所述硅片台320的初始化过程为：硅片台320内部设有霍尔传感器阵列，所述线缆设备330与所述硅片台320之间设有跟随传感器，在工作台310位置确定的情况下，通过霍尔传感器阵列可测得硅片台320、线缆连接台340相对工作台310的位置；线缆设备330与硅片台320连接的一端装有跟随用的差分传感器，此时该差分传感器用以测量硅片台320和线缆设备330之间的位置关系，并完成初始化。
本实施例中，当硅片台320在X、Y方向运动时，通过磁钢阵列或线圈阵列组成的平面电机的控制，底部的线缆连接台340根据硅片台320的轨迹，同轨迹跟随并且带动线缆设备330一起运动，实现线缆设备330在X、Y方向的主动跟随。
综上所述，本发明提供的工件台线缆装置，包括工件台、硅片台、线缆设备、线缆连接台以及X向运动设备和Y向运动设备，所述硅片台与线缆连接台分别安装于所述工件台的上侧和下侧，所述线缆设备的两端分别连接至所述硅片台和线缆连接台，所述X向运动设备连接至所述线缆连接台并沿X向运动，所述Y向运动设备连接至所述线缆连接台并沿Y向运动。本发明利用沿X向运动的X向运动设备和沿Y向运动的Y向运动设备带动所述线缆连接台跟随所述硅片台在XY向同步运动，使得线缆设备跟随所述硅片台运动，以减少线缆设备对所述硅片台运动产生的扰动，并减少线缆设备在硅片台运动中的弯折次数，增加线缆设备的使用寿命，同时，本发明结构简单，便于实现。
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 (16)

1.一种工件台线缆装置，其特征在于，包括工件台、硅片台、线缆设备、线缆连接台以及X向运动设备和Y向运动设备，所述硅片台与线缆连接台分别安装于所述工件台的上侧和下侧，所述线缆设备的两端分别连接至所述硅片台和线缆连接台，所述X向运动设备连接至所述线缆连接台并沿X向运动，所述Y向运动设备连接至所述线缆连接台并沿Y向运动；所述线缆设备与所述线缆连接台刚性连接，所述线缆连接台和线缆设备一起实现在X向和Y向的主动跟随，并能保证所述线缆设备与硅片台的运动轨迹、速度、加速度上的一致性，使硅片台、线缆设备、线缆连接台三者在运动时保持相对静止；
所述Y向运动设备包括固定于所述工件台底部边缘的滑台以及能够沿所述滑台滑动的滑块，所述X向运动设备包括伸缩件、控制电机以及导向装置，所述导向装置沿X向设置，所述伸缩件以及导向装置的一端分别安装于所述滑块上，另一端分别安装于所述线缆连接台上，所述控制电机控制所述伸缩件的伸缩；或者所述X向运动设备和Y向运动设备均由磁钢阵列或线圈阵列提供。
2.如权利要求1所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述线缆设备与所述硅片台之间安装有差分传感器。
3.如权利要求2所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述导向装置为导向杆，所述导向杆的一端固定连接于所述线缆连接台，所述导向杆的另一端穿设于所述滑块内，并能够沿X方向滑动。
4.如权利要求3所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述导向杆为直线导向装置，所述导向杆与所述滑块之间设有机械轴承或气浮轴承或磁浮轴承。
5.如权利要求2所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述伸缩件为机械臂，所述机械臂包括两连杆以及连接所述两连杆的旋转接点，所述两连杆的两端分别与所述滑块和线缆连接台铰接。
6.如权利要求5所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述控制电机为旋转电机，所述旋转电机控制所述两连杆的其中一端的旋转。
7.如权利要求6所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述旋转电机上还设有旋转编码器。
8.如权利要求2所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述伸缩件为直线滑轨，所述直线滑轨包括X向的轨道以及沿所述轨道滑动的固定块，所述轨道的一端固定连接至所述滑块，所述线缆连接台固定于所述固定块上。
9.如权利要求8所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述控制电机为直线电机，所述直线电机控制所述固定块沿所述轨道做直线运动。
10.如权利要求9所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述直线电机上还设有直线编码尺。
11.如权利要求1所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述工件台底部设有第一磁钢阵列，所述线缆连接台上设有与所述第一磁钢阵列相对应的第二磁钢阵列。
12.如权利要求1所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述工件台底部设有第一线圈阵列，所述线缆连接台上设有与所述第一线圈阵列相对应的第二线圈阵列。
13.如权利要求11或12所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述硅片台内部设有霍尔传感器阵列，所述线缆设备与所述硅片台之间设有跟随传感器。
14.如权利要求1所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述线缆设备包括线缆以及套设于所述线缆外侧的线缆套，所述线缆套中设有隔层。
15.如权利要求14所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述线缆采用柔性线缆。
16.如权利要求14所述的工件台线缆装置，其特征在于，所述线缆套采用碳纤维、陶瓷或碳化硅中的一种材料制成。
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