CN106489192B - 多轴定位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种可连同检验系统一起使用的多轴定位系统，所述多轴定位系统包含对应于多个轴的多个位置传感器以及也对应于多个轴的多个电机，以为物体在最多6个自由度内的可控制移动提供高准确度、高负载及经扩展行程。所述多轴定位系统的一些实施例可包含x‑y载台组合件、耦合到所述x‑y载台组合件的底板组合件、耦合到所述底板组合件的顶板组合件及紧固到所述顶板组合件的卡盘，其中多个位置传感器经构造以测量所述x‑y载台组合件与所述顶板组合件之间的位移。

Description

多轴定位装置
背景技术
多轴定位装置可用于在处理机器(例如半导体晶片检验工具)中调整样本(例如半导体晶片)的高度及平行度。当半导体晶片在半导体处理机器(例如光学检验系统)下方沿x-y方向移动时，多轴定位装置通常控制Z轴位移的定位、围绕X轴的旋转及围绕Y轴的旋转。多轴定位装置可用于动态地补偿晶片的不平整度且应为硬的以提供高带宽定位。
当前可获得的一些多轴定位装置可具有某些性能缺陷。举例来说，一些多轴定位装置设计过于复杂且还可因特定几何形状而增加微粒污染的风险。一些多轴定位装置经构造使得其在调整倾斜角及俯仰角时难以维持焦点在x-y平面中处于同一位置。另外，在一些例子中，机械驱动系统可是笨重的工具。需要稳定的、刚性的、使复杂性最小化且具有低质量以允许高吞吐量的多轴定位装置。还需要准确地测量样本被定位的位置以允许沿着各种平移轴及旋转轴的位移同时维持样本上的检验位置的已知定位的多轴定位装置。
发明内容
多轴定位系统的一些实施例可包含x-y载台组合件，其包含可紧固到稳定表面的底座及所述x-y载台组合件的上部载台。所述x-y载台组合件还可包含：第一线性致动器，其经构造以产生所述上部载台相对于所述底座沿着第一x-y载台轴的可控制位移；及第二线性致动器，其经构造以产生所述上部载台相对于所述底座沿着第二x-y载台轴的可控制位移，所述第一x-y载台轴基本上垂直于所述第二x-y载台轴。所述x-y载台组合件的所述上部载台可包含所述上部载台的上部表面，所述上部载台包含经构造以滑动地接纳多个相应无源参考表面且各自包含经加压气体端口的多个平坦光滑有源参考表面。所述多轴定位系统还可包含具有底板主体及多个无源参考表面的底板组合件，所述多个无源参考表面紧固到所述底板主体或以其它方式安置在所述底板主体上。明确地说，所述无源参考表面可安置在所述底板主体的底部表面上且定位在所述底板主体的外部分上以与所述x-y载台组合件的相应有源参考表面对准。所述底板组合件还可具有多个弹性悬置部件，所述多个弹性悬置部件安置在所述底板主体的外部分上且从所述底板的顶部部分向上延伸。所述底板组合件还可包含至少一个压电电机，所述至少一个压电电机紧固到所述底板主体且包含压电电机安装表面，借此所述压电电机经构造以使所述安装表面相对于所述底板主体围绕所述底板的中心轴而旋转。所述多轴定位系统还可包含顶板组合件，所述顶板组合件具有顶板主体、包含多个悬置部件安装件，所述多个悬置部件安装件安置在所述顶板主体的外部分上、接纳所述底板的相应弹性悬置部件的上部端。薄的带槽式挠曲组合件可耦合在所述底板与所述顶板之间且包含挠曲主体，所述挠曲主体并入有具有中心轴的中心孔口。所述挠曲组合件还可包含多个槽，所述多个槽从所述中心轴及所述中心孔口径向延伸且在所述挠曲主体的径向外边缘以内终止。所述槽划界出所述挠曲主体的至少一个固定扇形区及所述挠曲主体的至少一个沿圆周邻近的可移动扇形区。所述至少一个固定扇形区的内部分可紧固到所述底板组合件的相应压电电机安装表面，且所述至少一个可移动扇形区的内部分可紧固到所述顶板组合件。所述挠曲组合件可经构造以允许所述底板组合件与所述顶板组合件之间的倾斜轴、俯仰轴及Z轴相对移动且将相对θ位移从所述底板组合件的所述至少一个压电电机传输到所述顶板组合件。多个Z轴电机可安置且操作地耦合在所述底板的对应外部分与所述顶板的相应外部分之间，且经构造以产生所述底板与所述顶板的相应外部分之间的Z轴位移。多个Z轴位置传感器可操作地耦合到所述顶板且经构造以测量所述顶板的Z轴位移。至少一个θ位置传感器可操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述顶板组合件之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿θ旋转方向的相对位移。所述多轴定位系统还可包含操作地耦合在所述底板组合件与所述x-y载台组合件的所述上部载台之间的至少一个θ电机，其中所述至少一个θ电机经构造以使所述底板组合件相对于所述上部载台沿θ方向旋转。精密轴承组合件可操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述底板主体之间。所述精密轴承组合件可经构造以将所述底板组合件相对于所述x-y载台组合件的θ旋转限定于围绕所述精密轴承组合件的中心轴的旋转，其中所述中心轴相对于所述上部载台是固定的。所述多轴定位系统还可包含控制器系统，所述控制器系统操作地耦合到所述定位系统的所述电机、所述位置传感器及所述线性致动器。
多轴定位系统的一些实施例可包含平移载台，所述平移载台经构造以提供所述平移载台的底座与上部载台之间沿两个维度的位移。底板可是可旋转地耦合到所述平移载台，使得所述底板沿θ旋转方向的旋转轴垂直于由所述平移载台的所述两个位移维度界定的平面。至少一个底板电机可操作地耦合在所述底板与所述平移载台之间，其中所述至少一个底板电机经构造以使所述底板组合件相对于所述平移载台沿所述θ旋转方向旋转。顶板可操作地耦合到所述底板，其中至少三个Z轴电机安置且操作地耦合在所述底板的对应外部分与所述顶板的相应外部分之间。所述Z轴电机可经构造以产生所述底板与所述顶板的相应外部分之间沿基本上平行于所述底板的所述旋转轴的Z轴方向的位移。所述多轴定位系统还可包含卡盘，所述卡盘经构造以可释放地紧固样品、紧固到所述顶板。所述多轴定位系统还可包含至少三个Z轴位置传感器，所述至少三个Z轴位置传感器安置且操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述Z轴方向的相对位移。所述多轴定位系统还可包含至少三个θ位置传感器，所述至少三个θ位置传感器操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述θ旋转方向的相对角位移。控制器系统可操作地耦合到所述Z轴电机、所述至少一个底板电机、所述Z轴位置传感器及所述θ位置传感器。所述控制器系统经构造以控制对所述Z轴电机及所述至少一个底板电机的致动。
光学检验系统的一些实施例可包含光学检验工具，所述光学检验工具包含：光源；光学物镜；检测器组合件；光具组，其以光学方式耦合所述光源、所述光学物镜及所述检测器；及检验工具控制器，其经构造以处理由所述检测器组合件所接收的光学信息。所述光学检验系统还可包含多轴定位系统。所述多轴定位系统可包含平移载台，所述平移载台经构造以提供所述平移载台的底座与上部载台之间沿两个维度的位移。所述多轴定位系统还可包含底板组合件，所述底板组合件可旋转地耦合到所述平移载台，使得所述底板沿θ旋转方向的旋转轴垂直于由所述平移载台的所述两个位移维度界定的平面。底板电机可操作地耦合在所述底板与所述平移载台之间，其中所述至少一个底板电机经构造以使所述底板组合件相对于所述平移载台沿所述θ旋转方向旋转。顶板可操作地耦合到所述底板，其中至少三个Z轴电机安置且操作地耦合在所述底板的对应外部分与所述顶板的相应外部分之间。所述Z轴电机可经构造以产生所述底板与所述顶板的相应外部分之间沿基本上平行于所述底板的所述旋转轴的Z轴方向的位移。所述多轴定位系统还可包含卡盘组合件，所述卡盘组合件紧固到所述顶板且经构造以将样品可释放地紧固到其。所述卡盘组合件可经安置与所述光学检验工具的所述光学物镜的光学路径连通。至少三个Z轴位置传感器可安置且操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间。所述Z轴位置传感器可经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述Z轴方向的相对位移。至少三个θ位置传感器可操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述θ旋转方向的相对角位移。定位系统控制器可操作地耦合到所述Z轴电机、所述至少一个底板电机、所述Z轴位置传感器及所述θ位置传感器。所述定位系统控制器可经构造以控制对所述Z轴电机及所述至少一个底板电机的致动。
用于检验样品的方法的一些实施例可包含：将所述样品装载到多轴定位系统的卡盘中。所述多轴定位系统可包含平移载台及可旋转地耦合到所述平移载台的底板。所述多轴定位系统还可包含顶板，所述顶板操作地耦合到所述底板，使得所述顶板可相对于所述底板沿着Z轴、倾斜轴、俯仰轴且沿着θ旋转方向而位移。在一些情形中，所述卡盘可紧固到所述顶板。所述用于检验样品的方法还可包含：测量安置在所述样品上的一或多个测试特征的位置以产生测试特征位置数据，其中所述测试特征位置数据包含所述一或多个测试特征沿着光学检验工具的物镜的光轴的Z轴位置。所述用于检验样品的方法还可包含：将所述测试特征位置数据存储于存储器存储装置中，及依据所述测试特征位置数据而产生所述样品的表面定向的查找表。所述用于检验样品的方法还可包含：使所述样品相对于所述物镜沿垂直于所述物镜的所述光轴的x-y平面平移，同时运用所述多轴定位系统来定位所述样品。定位所述样品可使用来自多个θ位置传感器的θ位置数据反馈根据所述查找表而实施，所述多个θ位置传感器安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间。所述定位还可使用来自多个Z轴位置传感器的Z轴位置反馈，所述多个Z轴位置传感器安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间。所述样品可被平移成使得所述样品的上部表面保持垂直于所述物镜的光轴，且所述样品的所述上部表面距所述物镜保持处于恒定距离。
用于检验样品的方法的一些实施例可包含：将所述样品装载到多轴定位系统的卡盘中，其中所述多轴定位系统包含平移载台及可旋转地耦合到所述平移载台的底板。所述多轴定位系统还可包含顶板，所述顶板操作地耦合到所述底板，使得所述顶板可相对于所述底板沿着Z轴、倾斜轴、俯仰轴且沿着θ旋转方向而位移。所述多轴定位系统还可包含紧固到所述顶板的卡盘组合件。所述用于检验样品的方法还可包含：使所述样品相对于光学检验工具而平移，同时运用所述多轴定位系统使用以下反馈来定位所述样品：来自安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间的多个θ位置传感器的θ位置数据反馈；及来自安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间的多个Z轴位置传感器的Z轴位置反馈。
在以下说明、实例、权利要求书及图式中进一步描述特定实施例。当连同随附示范性图式一起时，依据以下详细说明，实施例的这些特征将变得更加显而易见。
附图说明
图式图解说明技术的实施例且并非限制性的。为清晰且容易地图解说明起见，所述图式可未按比例绘制且在一些例子中，可扩大或放大地展示各种方面以促进对特定实施例的理解。
图1是多轴定位系统的实施例的透视图。
图2是图1的多轴定位系统的分解图。
图3是图1的多轴定位系统的二维框图。
图4是图1的多轴定位系统的三维框图。
图5是x-y载台组合件的透视图。
图6是图5的x-y载台组合件的立面图。
图7是精密轴承组合件的透视图。
图8是图7的精密轴承组合件耦合到图5的x-y载台组合件的透视图。
图9是包含顶出器电机壳体的举升销顶出器组合件的透视图。
图10是图9的顶出器电机壳体耦合到图5的x-y载台组合件的透视图。
图11是图9的举升销顶出器组合件耦合到图5的x-y载台组合件的透视图。
图12是底板组合件实施例的透视图。
图13是图12的底板组合件实施例的立面图。
图14是图5的放大视图，其展示图5的x-y载台组合件的上部载台的有源参考表面的实施例。
图15是图12的底板组合件实施例的底部表面的放大视图，其展示无源参考表面的实施例。
图16是图12的底板组合件耦合到x-y载台组合件、精密轴承组合件及图11的所有举升销顶出器组合件的透视图。
图17是图16的放大视图，其展示多个弹性悬置部件。
图18及19是顶板组合件的透视图。
图20是图12的底板实施例的放大视图，其描绘安置在底板上的Z电机磁体组合件。
图21是图18的顶板组合件的放大视图，其展示Z轴电机线圈组合件及多个悬置部件安装件。
图22到24是Z轴电机组合件的隐线视图，所述Z轴电机组合件包含Z电机线圈组合件及Z电机磁体组合件。
图25描绘图18的顶板实施例耦合到图16中所展示的实施例，图16中所展示的实施例包含图5的x-y载台组合件、图7的精密轴承实施例、图9的举升销顶出器实施例及图12的底板组合件实施例。
图26到29描绘顶板实施例相对于底板实施例的运动。
图30是图25的放大视图。
图31是包含固定挠曲区段及可移动挠曲区段的挠曲组合件的透视图。
图32描绘图31的挠曲组合件耦合到图25中所展示的实施例。
图33是图32的放大视图，其展示多个卡盘组合件安装件。
图34是图33的实施例的立面图。
图35是图33的实施例的立面图。
图36是图33的实施例的立面图。
图37是多轴定位系统的透视图。
图38是图37的多轴定位系统的分解图。
图39是图38的多轴定位系统的二维框图。
图40是图38的多轴定位系统的三维框图。
图41是X-Y载台组合件实施例的透视图。
图42是图41的X-Y载台实施例的立面图。
图43是底板实施例的透视图。
图44是图43的底板实施例的立面图。
图45是图41的X-Y载台实施例的放大视图。
图46描绘图18的顶板实施例、图7的精密轴承、图9的举升销顶出器及图43的底板耦合到图41的X-Y载台。
图47是图46的放大视图。
图48描绘图31的挠曲组合件耦合到图46的实施例。
图49是图48的放大视图，其展示包含Z编码器条带、Z编码器及Z编码器柱的Z轴编码器组合件。
图50是硅晶片样品的立面图。
图51是光学检验系统组合件的示意性立面图。
图52及53是图51的光学检验系统实施例的放大视图。
具体实施方式
本文中所论述的实施例一般来说针对于多轴定位系统，所述多轴定位系统可用于精确地定位样品以用于检验目的、处理目的、制造目的或关于样品的任何其它适合目的。在一些情形中，样品可包含可使用多轴定位系统来制作或检验的基于半导体的晶片芯片等等。在一些情形中，本文中所论述的多轴定位系统实施例可尤其适于定位大半导体晶片芯片，例如具有约400mm到约500mm的外横向尺寸或直径的半导体晶片芯片。多轴定位系统实施例提供样品沿着及围绕多个轴的精确线性及角定位的能力允许此些实施例连同适合光学检验装备等等一起使用以用于精确地定位正被检验或以其它方式被处理的样品的目的。本文中所论述的多轴定位系统实施例还可连同任何适合制作装备等等一起使用以用于精确地定位正被制作的样品的目的。多轴定位系统可经构造使得多轴定位系统的不同元件(例如各种子组合件)提供样品沿着或环绕每一相应轴的平移及/或旋转运动。
样品在旋转及/或平移运动期间的位置可使用至少一个位置传感器来确定，所述至少一个位置传感器可适当地构造到多轴定位系统中。对于一些实施例，多个位置传感器可适当地构造到多轴定位系统中，其中多个位置传感器用于确定样品在定位期间或在静止时围绕或沿着一或多个轴的位置。下文论述的多轴定位系统的位置传感器可包含任一或任何适合位置传感器类型，例如编码器，举例来说，光学编码器、超声波编码器、与干扰计的通信等等。来自位置传感器的样品位置数据可与多轴定位系统的控制器系统通信，其中所述控制器系统经构造以分析并记录从位置传感器中的一或多者所接收的样品位置数据。
多轴定位系统的控制器系统还可用于给多轴定位系统的电机中的一或多者产生信号以将样品旋转及/或平移到任何所要位置或定向。所述控制器系统可与检验装备及/或制作装备的相应控制器系统共享或以其它方式交流样品位置数据(其可存储于控制器系统的存储装置中)以促进检验及/或制作过程。举例来说，控制器系统可将样品位置数据发送或以其它方式传递到光学检验工具的控制器系统。光学检验工具的控制器系统又可处理样品位置数据且随后将定位信息或反馈传递到多轴定位系统的控制器系统。接着，多轴定位系统的控制器系统可产生信号以将样品平移或旋转到任何所要位置或定向，使得光学检验工具可检验样品的特定特征。因此，多轴定位系统的控制器系统可受外部控制器系统(例如光学检验工具的控制器系统)指示以将样品平移及/或旋转到所要位置。
如上文所论述，多轴定位系统的实施例可经构造使得多轴定位系统的不同元件提供样品沿着或围绕多个轴的平移及旋转运动。多轴定位系统10的一些子组合件元件可包含构造为x-y载台组合件12的平移载台及紧固到x-y载台组合件12的Z、西塔(θ)、倾斜、俯仰(ZTTT)组合件14，图2中展示x-y载台组合件12及ZTTT组合件14两者。图1中展示经完全组装多轴定位系统10的实施例。图2还展示为论述x-y载台组合件12、ZTTT组合件14及可紧固到ZTTT组合件14的样品的各种运动的相对定向可使用的多个轴。轴16沿着正X轴定向，因此任何元件沿着轴16的平移是沿着X轴16的平移。沿正方向(如由箭头18所指示)围绕X轴16的旋转应描绘为沿俯仰角方向18的旋转。类似地，轴20沿着正Y轴定向，因此任何元件沿着轴20的平移是沿着Y轴20的平移。沿正方向(如由箭头22所指示)围绕Y轴20的旋转应描绘为沿倾斜角方向22的旋转。轴24沿着正Z轴定向，因此任何元件沿着轴24的平移是沿着Z轴24的平移。沿正方向(如由箭头26所指示)围绕Z轴24的旋转应描绘为沿θ角方向26的旋转。本文中所论述的X、Y及Z轴全部大体彼此正交。
在使用期间，将使用多轴定位系统10而定位的样品可紧固到ZTTT组合件14的一部分，例如卡盘46。x-y载台组合件12可经构造以提供样品相对于x-y载台组合件可紧固到的参考表面(未展示)沿着X轴16及/或沿着Y轴20的线性运动。ZTTT组合件14可经构造以提供样品沿着Z轴24的线性运动且提供样品围绕θ角方向26、围绕俯仰角方向18及围绕倾斜角方向22的旋转运动。对于多轴定位系统10的一些实施例，ZTTT组合件14可耦合到x-y载台组合件12。使得ZTTT组合件14可相对于x-y载台组合件12围绕θ角方向26而旋转。通常，由多轴定位系统10执行的对样品的定位是根据且响应于由多轴定位系统10的控制器系统28产生的信号而执行。以下论述多轴定位系统10的各种元件以及所述元件中的每一者贡献于响应于由控制器系统28产生且传递到多轴定位系统10的各种相应电机的定位信号而定位样品的功能。
ZTTT组合件14的各种元件彼此耦合的方式允许卡盘组合件46(及因此，紧固到卡盘组合件46的样品)相对于x-y载台组合件12沿着Z轴24的平移运动以及卡盘相对于x-y载台组合件12沿全部θ角方向26、俯仰角方向18及倾斜角方向22的旋转运动。ZTTT组合件14内可包含任何适合电机(例如，电磁电机、压电电机等等)以为使ZTTT组合件14的卡盘组合件46相对于x-y组合件12沿着及/或围绕多个轴平移及/或旋转提供动力。举例来说，多个电机(例如，三个电磁电机)可适当地定位且操作地耦合在顶板组合件42与底板组合件40之间且可用于使顶板组合件42(及因此，卡盘组合件46)沿着Z轴24远离或朝向底板组合件40平移。这些电机还可用于使顶板组合件42(及因此，卡盘组合件46)围绕倾斜轴22及/或俯仰轴18而旋转。另一动力源(例如一个或多个电磁电机)可操作地耦合在x-y载台组合件12与底板组合件40之间，从而产生提供底板组合件40相对于x-y载台组合件12围绕Z轴24的θ旋转26的动力。至少一个额外电机(例如，压电电机)可操作地耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间，其中至少一个压电电机提供还产生顶板组合件42相对于底板组合件40围绕Z轴24的θ轴旋转26的动力。
如上文所论述，多轴定位系统10可并入有多个位置传感器。一些位置传感器构造可包含光学编码器，所述光学编码器可用于测量顶板组合件42相对于多轴定位系统10的其它子组件的位置。多轴定位系统的光学编码器可包含Z轴编码器组合件147及θ编码器组合件61。图3是展示多轴定位系统10的几个子组合件的表示以及Z轴编码器组合件147及θ编码器组合件61的表示的二维框图。图3中所展示的框图并非大体准确地描绘所述框图中所描绘的每一子组合件的相对大小或形状；所述框图用于图解说明编码器组合件相对于所述框图中所描绘的多轴定位系统10的每一子组合件的大体物理与功能关系。
图3描绘x-y载台组合件12、底板组合件40、挠曲组合件44、顶板组合件42、θ光学编码器组合件61的子组合件以及Z轴编码器组合件147的子组合件的表示。θ光学编码器组合件61包含θ编码器条带196及θ编码器柱组合件62，所述θ编码器柱组合件包含θ编码器柱64及θ编码器读取器66。如框图中可见，θ光学编码器组合件61安置且操作地耦合在x-y载台组合件12与顶板组合件42之间。θ编码器组合件61经构造以在θ编码器读取器66从θ编码器条带196测量θ轴26位置数据时测量顶板组合件42相对于x-y载台组合件12的θ轴26角位移，θ编码器条带196刚性地紧固到顶板组合件42。Z轴编码器组合件147包含Z编码器条带194及Z编码器柱组合件148，所述Z编码器柱组合件包含Z编码器柱150及Z编码器读取器152。Z轴编码器组合件147安置且操作地耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间。Z轴光学编码器组合件147经构造以在Z编码器读取器从Z编码器条带194测量Z轴24位置数据时测量顶板组合件42相对于底板组合件40的Z轴24位移，Z编码器条带194紧固到顶板组合件42。
图4是图1的多轴定位系统10的三维框图，其用于进一步阐明编码器组合件相对于多轴定位系统10的各种子组合件的位置。再次，图4中所描绘的多轴定位系统10的子组合件的框表示并非用于准确地表示每一子组合件的特定结构，所述框表示用于展示编码器与其它各种子组合件之间的功能关系。图4中的多轴定位系统10的表示包含x-y载台组合件12、底板组合件40、顶板组合件42、压电电机组合件136、θ电机组合件58以及三个Z电机组合件144。还表示挠曲组合件44及精密轴承组合件74。
如上文所论述，三个Z轴编码器组合件147安置且操作地耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间，如图4中进一步所展示。三个Z轴编码器组合件147包含各自刚性地紧固到底板组合件40的三个Z编码器柱组合件148。每一Z编码器柱组合件148包含Z编码器柱150及Z编码器读取器152。每一Z轴编码器组合件147经构造以在每一Z编码器读取器152从刚性地紧固到顶板组合件42的相应Z编码器条带194测量Z轴24位置数据时测量顶板组合件42相对于底板组合件40的Z轴24位移。三个θ编码器组合件61安置且操作地耦合在x-y载台组合件12与顶板组合件42之间，如图4中所表示。三个θ编码器组合件61包含各自刚性地紧固到x-y载台组合件12的三个θ编码器柱组合件62。每一θ编码器柱组合件62包含θ编码器柱64及θ编码器读取器66。每一θ轴编码器组合件61经构造以在每一θ编码器读取器66从刚性地紧固到顶板组合件42的相应θ编码器条带196测量θ轴26位置数据时测量顶板组合件42相对于x-y载台组合件12的θ轴26位移。
图5及6描绘x-y载台组合件12的实施例，所述x-y载台组合件可包含可紧固到任何适合表面(通常，邻近检验或处理装备的任何适合稳定表面)的底座30。x-y载台组合件12可包含第一线性致动器及第二线性致动器(两者均未展示)，所述第一线性致动器及第二线性致动器两者经构造使得其操作地与控制器系统28通信。x-y载台组合件12还可包含可操作地耦合到第一线性致动器及第二线性致动器的上部载台32。第一线性致动器可经构造使得在其被控制器系统28激活时，其产生上部载台32相对于底座30沿着X轴16的可控制位移。第二线性致动器可经构造使得在其被控制器系统28激活时，其产生上部载台相对于底座30沿着Y轴20的可控制位移。因此，x-y载台组合件12的第一线性致动器及第二线性致动器经构造以在控制器系统28的引导下产生x-y载台组合件12的上部载台32沿着X轴16及/或Y轴20的可控制位移。因此，样品220的由多轴定位系统10的x-y载台组合件12的实施例提供的运动包含沿着X轴16及/或Y轴20的平移。然而，ZTTT组合件14经构造以给样品220提供宽得多的平移及旋转运动范围。图51及53的框图中展示样品220紧固到卡盘46的图解。
ZTTT组合件可适当地耦合到x-y载台组合件12的上部载台32的上部表面38。ZTTT组合件14可使用轻量元件而构造，使得ZTTT组合件14在x-y载台组合件12上的总重量不会过重。ZTTT组合件14可包含底板组合件40、顶板组合件42、挠曲组合件44及任选卡盘组合件46，其等全部展示于图1及2中。将通过多轴定位系统10而定位的样品220(参见图51)可紧固到ZTTT组合件14的卡盘组合件46。卡盘组合件46可包含可构造为如图2中所展示的刚性轮盘结构的卡盘主体48。卡盘主体48可刚性地紧固到顶板组合件42的顶板主体43，使得顶板组合件42环绕或围绕各种运动轴的任何平移或旋转运动直接传输到卡盘组合件46而不在卡盘组合件46与顶板主体43之间相对移动。由于卡盘组合件46局限于与顶板组合件42联合移动，因此可通过使用位置传感器中的一或多者来测量顶板组合件42的位置而间接测量卡盘组合件46的位置。
图5及6中所描绘的x-y载台组合件实施例12还可包含多个平坦光滑有源参考表面50。对于所展示的实施例，x-y载台组合件12的上部载台32包含三个有源参考表面50，所述三个有源参考表面可是距x-y载台组合件12的中心轴52以相等径向距离安置的位于共同平面中的平坦平行表面。有源参考表面50还沿圆周定向围绕x-y载台组合件12的中心轴52以彼此相距约120度的角度沿着x-y载台上部表面38沿圆周安置。每一有源参考表面50可经构造以操作地耦合到安置在底板组合件40上的相应无源参考表面114(参见图15)。可通过将经加压空气流压入到安置在彼此以相对关系安置的相应参考表面50与114之间的空间或间隙中而在相应有源参考表面50与无源参考表面114之间产生空气垫。此空气垫可提供相应有源参考表面50与无源参考表面114之间的低摩擦位移。x-y载台组合件12还可包含至少一个θ电机磁体组合件56。每一θ电机磁体组合件56是θ电机组合件58的子组件。θ电机组合件58可包含θ电机磁体组合件56及θ电机线圈组合件60两者。每一θ电机线圈组合件60可适当地安置在底板组合件40上。如图5及6中所展示，两个θ电机磁体组合件56安置在与x-y载台组合件12的中心轴52基本上等距地间隔开的x-y载台上部表面38上。另外，θ电机磁体组合件56围绕x-y载台组合件12的中心轴52沿圆周安置，使得θ电机磁体组合件56沿θ角方向26以约180度的角间隔间隔开。
如上文所论述，顶板组合件42(及通过卡盘组合件46而紧固到顶板组合件42的样品220)相对于x-y载台组合件12的平移及旋转运动可使用操作地耦合到控制器系统28的位置传感器测量为样品位置数据。位置传感器构造可包含编码器或者可产生可测量信号的任何其它适合类型的位置感测装置。图5及6中所展示的x-y载台组合件实施例12并入有多个θ编码器柱组合件62。每一θ编码器柱组合件62是可操作地耦合在x-y载台组合件12与上部板组合件42之间(参见图3及4)的θ编码器组合件61的子组合件。在一些情形中，θ编码器组合件61安置在上部板组合件42的外边缘或周界处。每一θ编码器组合件61还可包含刚性地紧固到顶板组合件42(参见图18)的θ编码器条带196。每一θ编码器柱组合件62可包含θ编码器柱64及θ编码器读取器66，所述θ编码器读取器安置在每一θ编码器柱64的远端上。每一θ编码器柱64可刚性地紧固到x-y载台上部表面38且从x-y载台上部表面38延伸。在一些情形中，θ编码器柱64可基本上垂直于x-y载台上部表面38。θ编码器柱64从x-y载台上部表面38延伸的部分可经构造以允许θ编码器读取器66操作地耦合到顶板组合件42的θ编码器条带196。θ编码器柱组合件62可距x-y载台组合件12的中心轴52基本上等距地径向间隔开，且θ编码器柱组合件62可具有沿θ角方向26约120度的圆周角间隔。
x-y载台组合件12可通过图7中所展示的精密轴承组合件74等等旋转地耦合到ZTTT组合件14的底板组合件40。精密轴承组合件74可包含可构造为大体三角形形状的轴承底座76，其中在三角形的每一顶点处具有轴承安装孔78。精密轴承组合件74还可包含可经构造呈大体圆柱形形状的轴承轴心80，其中轴承轴心80经构造以相对于轴承底座76环绕精密轴承组合件74的中心轴82而旋转。轴承轴心80还可包含带螺纹安装区段84，所述带螺纹安装区段围绕轴承轴心80的中心轴82对称地安置且可经构造以耦合到安置在x-y载台上部表面38上的轴承孔口86(参见图5)。精密轴承组合件74的带螺纹安装区段84耦合到轴承孔口86，其中轴承轴心80安置在轴承孔口86内。如图8中所展示，因此在精密轴承组合件74紧固到x-y载台组合件12时，轴承底座76的移动限定于沿θ轴角方向26而旋转。
ZTTT组合件14还可包含图9中所展示的举升销顶出器组合件88。举升销顶出器组合件88可包含举升销组合件90，所述举升销组合件可具有构造为大体圆形轮盘的举升销组合件底座91。举升销组合件底座可包含多个举升销92，所述多个举升销通常彼此平行且安置在多个举升销臂93的外端或远端处。图9中所描绘的举升销组合件90具有围绕举升销组合件中心轴95以约120度的角间隔安置的三个举升销臂93。举升销顶出器组合件88还可包含经构造以接受举升销组合件90的举升销组合件孔口94(举升销组合件90自由地滑入及滑出举升销组合件孔口94)以及经构造以耦合到精密轴承组合件74的精密轴承组合件凸台96。举升销顶出器组合件88还可包含顶出器电机(未展示)，所述顶出器电机安置在顶出器电机壳体106内且可包含顶出器电机线圈(未展示)、顶出器电机磁体(未展示)，所述顶出器电机磁体操作地耦合到顶出器电机线圈。顶出器电机可操作地耦合到控制器系统28。顶出器电机线圈可耦合到举升销组合件90，且顶出器电机磁体可紧固到顶出器电机壳体106。在使用中，举升销顶出器组合件88经构造以沿着Z轴24可控制地提升举升销92以从卡盘组合件46移除样品220。此发生于控制器系统28通过将经适当配置电流施加到顶出器电机线圈而激活顶出器电机时。流过顶出器电机线圈的电流形成磁场，所述磁场与顶出器电机磁体相互作用且致使顶出器电机线圈(其耦合到举升销组合件90)移动。顶出器电机线圈的移动产生举升销组合件90沿着Z轴24的受控制向上提升。举升销92应为足够长的且适当地定位在卡盘46下方，使得其经构造以完全地延伸穿过卡盘48的对应孔口208。举升销组合件90的位置可由顶出器电机编码器(未展示)测量，所述顶出器电机编码器可接着将举升销组合件90的位置数据发射到控制器系统28。
图10描绘顶出器电机壳体106(其容纳顶出器电机、顶出器电机线圈、顶出器电机磁体及顶出器电机编码器104)耦合到精密轴承组合件74，且图11描绘举升销组合件90耦合到顶出器电机壳体106。举升销顶出器组合件88耦合到精密轴承组合件74，使得在精密轴承组合件74沿θ角方向26旋转时，举升销顶出器组合件88随精密轴承组合件74而旋转。出于图解目的，举升销顶出器组合件88在图11中展示为装设到精密轴承组合件74中，然而，实际上，底板组合件40将可能在装设举升销顶出器组合件88之前耦合到精密轴承组合件74。
图12及13中展示ZTTT组合件14的底板组合件40，且所述底板组合件可包含底板主体108。底板主体108可经构造呈大体三角形形状，其中在三角形的中心处安置有圆形中心孔口110，其中中心孔口110经构造以允许用于举升销顶出器组合件88的空隙。底板组合件40可通过精密轴承组合件74操作地耦合到x-y载台组合件12的上部载台32。扣件(未展示)可经插入穿过精密轴承组合件74的轴承安装孔78且穿过底板主体108(参见图12)中的安装孔112，借此将底板主体108紧固到精密轴承组合件74。图16展示底板组合件40扣紧到精密轴承组合件74，所述精密轴承组合件又紧固到x-y载台组合件12。
底板组合件40可包含安置在底板主体108的底部表面116(参见图15)上的多个无源参考表面114。无源参考表面114可安置在底板主体108的底部表面116上，其中每一无源参考表面114具有基本上平行于底板主体108的底部表面116的底部表面115。在一些情形中，所有底部表面115均彼此位于共同平面中。每一无源参考表面114可定位在大体三角形形状的底板主体108的顶点附近的外边缘或周界处，使得在底板组合件40耦合到x-y载台组合件12时，无源参考表面114各自与x-y载台组合件12的其相应有源参考表面50操作地对准，使得可在相应表面之间形成空气垫以允许相应表面之间的低摩擦位移。为提供空气垫，每一有源参考表面50可包含至少一个经加压气体端口118及真空端口120(参见图14)。每一经加压气体端口118可通过压力管路122连接到经加压气体源121(例如空气泵)，所述压力管路可为气密式伸长柔性管状部件。经加压气体源121可经构造以提供穿过每一压力管路122到有源参考表面50的相应经加压气体端口118的气体(例如空气)流。每一有源参考表面50的真空端口120可通过真空管路125连接到真空源123(例如真空泵)，所述真空管路可为伸长的气密式柔性管状部件。真空源125可经构造以经由每一真空管路125为真空端口120提供真空。
每一经加压气体端口118可包含至少一个压力凹槽119，所述至少一个压力凹槽可构造为与相应经加压气体端口118流体连通的槽。每一压力凹槽119可沿着有源参考表面50的表面从相应经加压气体端口径向延伸。每一压力凹槽119可经构造以引导从相应经加压气体端口118流出的经加压气体的一部分跨越有源参考表面50的表面以用于在有源参考表面50的表面上方较均匀分布经加压气体。因此，每一压力凹槽119用于沿着压力凹槽119的长度及超过压力凹槽119的长度分布从其相应经加压气体端口118流出的气体的一部分。来自每一经加压气体端口118及来自其相应压力凹槽119且在每一有源参考表面50与其相应无源参考表面114之间的气体流可用于提供将x-y载台组合件12的上部载台32的有源参考表面50与底板主体108的相应无源参考表面114的底部表面115稍微分隔开的气垫。在大部分情形中，所有有源参考表面50与无源参考表面114均彼此平行。
精密轴承组合件74允许下部板组合件40相对于x-y载台组合件12在此气垫上沿θ角方向26而旋转。每一有源参考表面50还可包含如图14中所展示的真空端口120。真空端口120经构造以在已减小或终止到经加压气体端口118的气体流时在有源参考表面50与无源参考表面114之间形成真空。参考表面50与114之间的真空的此施加移除其之间的空气垫且使相应参考表面50与114靠拢在一起成为彼此物理接触的，此产生防止底板组合件40沿θ角方向26环绕底板组合件40的中心轴124而旋转的静摩擦。因此，当将真空施加到真空端口120时，真空的此施加有效地锁定底板组合件40相对于x-y载台组合件12的上部载台32的位置的位置。x-y载台12及图14及15中所展示的底板组合件的实施例构造有紧固到底板组合件40的无源参考表面114以及形成到x-y载台的上部载台中的有源参考表面50(包含真空端口120及经加压气体端口118)。其它实施例可经构造使得无源参考表面114安置在x-y载台组合件12的上部载台32上，且有源参考表面50(包含真空端口120及经加压气体端口118)安置在底板主体108的底部表面116上。气体从经加压气体端口118中的每一者的排出或真空到真空端口120中的每一者的施加可受多轴定位系统10的控制器系统28调节。
如上文所提及，底板组合件40还可包含至少一个θ电机线圈组合件60，所述至少一个θ电机线圈组合件是相应θ电机组合件58的子组件。每一θ电机组合件58可安置且操作地耦合在x-y载台组合件12与底板组合件40之间。如图12及13中所展示，底板组合件40包含与底板组合件40的中心轴124基本上等距地径向间隔开的两个θ电机线圈组合件60。另外，θ电机线圈组合件60围绕底板组合件40的中心轴124沿圆周安置，使得θ电机线圈组合件60沿θ角方向26以约180度的角间隔间隔开。每一θ电机线圈组合件60经构造以操作地啮合相应θ电机磁体组合件56(参见图11)，以形成有效地操作为电磁音圈类型电机的θ电机组合件58，然而，也可使用任何适合其它类型的电机。每一θ电机组合件58可操作地耦合到控制器系统28，且在通过控制器系统28将经适当配置信号(例如电流)发送到每一θ电机线圈组合件60借此形成围绕每一θ电机线圈组合件60的磁场时，每一θ电机组合件58可使底板组合件40沿θ角方向26(相对于x-y载台组合件12)而旋转，所述磁场中的每一者与相应θ电机磁体组合件56(在一些情形中，其可为永磁体)相互作用。对于底板组合件40及x-y载台组合件12的其它实施例，每一θ电机线圈组合件60可紧固到x-y载台组合件12，且每一θ电机磁体组合件56可紧固到底板组合件40。
底板组合件40还可包含至少一个弹性悬置部件组合件126，所述至少一个弹性悬置部件组合件经构造以将顶板组合件42弹性悬置在底板组合件40上方。对于所展示的底板组合件实施例40，总共六个弹性悬置部件组合件126紧固到底板组合件40。对于所展示的实施例40，2个弹性悬置部件组合件126安置在三角形形状的底板主体108的每一顶点处且围绕底板组合件40的中心轴124彼此基本上等距地径向间隔开。每一弹性悬置部件组合件126可从底板组合件40的上部表面128向上延伸。每一弹性悬置部件组合件126可包含可安置在相应悬置部件销132(参见图20)上的悬置部件弹簧130。如图20中所展示，每一悬置部件弹簧130可构造为安置在其相应悬置部件销132上的锥形螺旋弹簧。每一悬置部件销132可经构造以与安置在顶板主体43上的相应悬置部件插孔134(参见图30)可滑动地啮合。
图30展示两个悬置部件销132与其相应悬置部件插孔134啮合，借此将相应悬置部件弹簧130限制在顶板组合件42的底部表面129与底板组合件40的上部表面128之间，其中每一悬置部件弹簧130在顶板组合件42与底板组合件40之间提供恢复力。因此，底板组合件40的每一弹性悬置部件组合件126经构造以与顶板组合件42的相应悬置部件插孔134啮合，以运用在底板组合件40上方且平行于底板组合件40而定位顶板组合件42的中性位置在顶板组合件42与底板组合件40之间提供弹性可位移悬置类型。顶板组合件42沿Z轴方向24远离中性位置的任何运动将受到与悬置部件插孔134操作地啮合的弹性悬置部件组合件126抵制。
底板组合件还可包含至少一个额外旋转动力源，例如压电电机组合件136。图12及13展示紧固到底板组合件40的上部表面128的三个压电电机组合件136。三个压电电机组合件136径向间隔开，使得其距底板组合件40的中心轴124为基本上等距的，且另外，三个压电电机组合件136围绕底板组合件40的中心轴124沿圆周安置，使得其以约120度的角间隔间隔开。每一压电电机组合件136可包含压电电机安装表面138，且每一压电电机组合件136经构造以使压电电机安装表面138相对于底板主体108围绕底板组合件40的中心轴124而旋转。
另外，每一压电电机组合件136可操作地耦合到控制器系统28，且每一压电电机组合件136可包含积分位置测量装置，所述积分位置测量装置可包含线性编码器等等。称为压电电机编码器140(未展示)的此编码器还可操作地与控制器系统28通信。每一压电电机编码器140可经构造以测量每一相应压电电机安装表面138相对于底板组合件40的位置数据。此位置数据接着可由控制器系统28处理。每一压电电机组合件136还可包含压电元件141(未展示)，所述压电元件经构造以在从控制器系统28跨越压电元件141施加电压之后沿圆周方向扩展与收缩。三个压电电机组合件136可通过图36中所展示的挠曲组合件44操作地耦合到顶板组合件42。控制器系统28对的三个压电电机组合件136的激活将致使顶板组合件42相对于底板组合件40沿θ角方向26而旋转，其中来自压电电机组合件136的旋转动力经由挠曲组合件44而传输到顶板组合件42。压电电机组合件136经构造以提供顶板组合件42相对于底板组合件40的精细θ轴26旋转。
底板组合件还可包含至少一个Z电机磁体组合件142。Z电机磁体组合件142是Z轴电机组合件144的子组件，所述Z轴电机组合件还可包含可适当地安置在顶板组合件42(参见图21)上的相应Z电机线圈组合件146。如图12及13中所展示，底板组合件实施例40包含三个Z电机磁体组合件142，所述三个Z电机磁体组合件紧固到底板组合件40的上部表面128且距底板组合件40的中心轴124基本上等距地径向间隔开(接近三角形形状的底板主体108的外边缘或周界处的每一顶点)。另外，三个Z电机磁体组合件142围绕底板组合件40的中心轴124沿圆周安置，使得其以约120度的角间隔间隔开。每一Z电机磁体组合件142经构造以操作地耦合到其相应Z电机线圈组合件146以形成Z轴电机组合件144，如图22到24中较详细展示。每一Z轴电机组合件144经构造以在底板组合件40与顶板组合件42的相应外部分之间产生Z轴24位移，下文参考图26到29更详细地论述此。
如已论述，顶板组合件42相对于底板组合件40的运动可运用一或多个位置传感器而测量。位置传感器构造可包含编码器。多轴定位系统10包含三个Z轴编码器组合件147，所述三个Z轴编码器组合件安置且操作地耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间。每一Z轴编码器组合件147包含Z编码器柱组合件148及Z编码器条带194。每一Z编码器柱组合件包含Z编码器柱150及Z编码器读取器152，所述Z编码器读取器安置在Z编码器柱150的远端处且操作地耦合到控制器系统28。底板组合件40可包含至少一个Z编码器柱组合件148。
图12及13描绘三个Z编码器柱组合件148，所述三个Z编码器柱组合件距底板组合件40的中心轴124基本上等距地径向间隔开(接近三角形形状的底板主体108的每一顶点)。另外，Z编码器柱组合件148围绕底板组合件的中心轴124以约120度的角间隔沿圆周安置。每一Z编码器柱150可刚性地紧固到底板组合件40的上部表面128且从所述上部表面延伸。在一些情形中，每一Z编码器柱可基本上垂直于底板组合件40的上部表面128。Z编码器柱从上部表面128延伸的部分可经构造以允许每一Z编码器读取器152操作地耦合到每一相应Z编码器条带194，所述Z编码器条带刚性地紧固到顶板组合件42(参见图18)。每一Z编码器条带194可经构造以具有约5μm到约20μm的标度间距。图47还描绘顶板组合件42的θ编码器条带196与紧固到x-y载台组合件12’的θ编码器柱组合件62对准。每一θ编码器条带196可经构造以具有约5μm到约20μm的标度间距。
图18及19描绘顶板组合件实施例42。如本文中先前已论述，顶板组合件42的顶板主体43可经构造呈大体三角形形状且可并入有位于三角形的中心的中心孔口154。顶板组合件42可包含可接近三角形形状的顶板组合件142的每一顶点而安置的多个悬置部件插孔134。当顶板组合件42耦合到底板组合件40(如图25中所展示)时，悬置部件插孔134经构造使得其基本上与底板组合件40的弹性悬置部件组合件126对准。顶板组合件42的中心孔口154包含三个径向延伸部156，所述三个径向延伸部经构造以在底板组合件40耦合到顶板组合件42(参见图25)时允许用于三个压电电机组合件136的三个压电电机安装表面138的空隙。顶板组合件还可包含三个卡盘安装件159。
顶板组合件42还可包含至少一个Z电机线圈组合件146(参见图21)。如图21及22中所展示的顶板组合件实施例42包含三个Z电机线圈组合件146，所述三个Z电机线圈组合件安置在顶板主体43上，使得其距顶板组合件42的中心轴154为基本上径向等距的。另外，Z电机线圈组合件146围绕顶板组合件42的中心轴154以约120度的角间隔沿圆周安置。如先前所论述，Z电机线圈组合件146是Z轴电机组合件144的子组件，所述Z轴电机组合件还包含Z电机磁体组合件142(参见图20)。当Z电机磁体组合件142与Z电机线圈组合件146操作地耦合在一起时(即，当顶板组合件42耦合到底板组合件40时)，Z电机磁体组合件142及Z电机线圈组合件146形成Z轴电机组合件144，所述Z轴电机组合件构造为电磁音圈电机，但可使用任何其它适合类型的电机。
每一Z轴电机组合件144操作地耦合到控制器系统28。图22到24图解说明Z轴电机组合件144的实施例，其描绘Z电机磁体组合件142、Z电机线圈组合件146、顶板组合件42及底板组合件40。图22描绘Z电机磁体组合件142与Z电机线圈组合件146完全解除耦合。图23描绘Z电机线圈组合件146与Z电机磁体组合件142操作地啮合。图24描绘电流供应器160被控制器系统28激活，借此给Z电机线圈组合件146提供电流。此形成磁场，所述磁场又引起上部板组合件42相对于底板组合件40的Z轴运动(如由箭头162所指示)。多轴定位系统10的其它可能实施例可包含其中Z电机磁体组合件142安置在顶板组合件42上且Z电机线圈组合件146安置在底板组合件40上的构造。图25描绘顶板组合件42耦合到底板组合件实施例40，所述底板组合件实施例又耦合到x-y载台组合件实施例12。上部板组合件42通过挠曲组合件44而耦合到底板组合件42，如下文将论述。
图26到29用于图解说明顶板组合件42相对于底板组合件40的几种(但并非全部)可能运动，其中每一可能运动由控制器系统28对Z轴电机组合件142的选择性激活引起。图26描绘顶板组合件42及底板组合件40的示意性表示，所述底板组合件包含多个悬置部件销132，所述多个悬置部件销展示为提供固定参考以图解说明顶板组合件42相对于底板组合件40的运动。出于清晰目的，图26到29中未展示Z轴电机组合件142及悬置部件线圈130(也未展示底板组合件40及顶板组合件42的其它子组件)，但应理解，Z轴电机组合件144提供顶板组合件42的Z轴24运动且悬置部件线圈130抵抗顶板组合件42的Z轴24运动。即，悬置部件线圈130提供到顶板组合件42的中性位置的恢复力。在Z轴电机组合件144使顶板组合件42相对于底板组合件40从中性位置移动之后，一旦Z轴电机组合件144被关断，此恢复力便将使顶板组合件42再次返回到中性位置。
顶板组合件42可包含第一顶点区段164、第二顶点区段166及第三顶点区段168。Z轴电机组合件144(再次未展示，参见图27以供参考)能够使每一顶点区段沿着Z轴24沿任一方向平移，且假定图26到29中所描绘的平移中的任一者均由Z轴电机组合件144实施。图26描绘第一顶点区段164沿正Z轴方向26(如由箭头170所指示)的平移、第二顶点区段166沿着正Z轴24(如由箭头172所指示)的运动以及第三顶点区段168沿着正Z轴24(如由箭头174所指示)的运动。因此，图26描绘顶板组合件42(相对于底板组合件40)沿着正Z轴24的平移，其中顶板组合件42经定向使得其基本上平行于由X轴16与Y轴20形成的平面。顶板组合件42还可沿负Z轴24方向被平移(通过Z轴电机组合件144)，而顶板组合件42保持经定向使得其基本上平行于由X轴16与Y轴20形成的平面。
图27描绘第一顶点区段164沿着负Z轴方向(如由箭头176所指示)的平移、第二顶点区段166沿着正Z轴24(如由箭头178所指示)的运动以及第三顶点区段168沿着正Z轴24(如由箭头180所指示)的运动。此产生顶板组合件42相对于底板组合件40的“旋转”，其中顶板组合件42的总旋转运动包含围绕俯仰轴18的旋转运动的分量以及围绕倾斜轴22的旋转运动的分量。图28描绘第一顶点区段164沿着正Z轴方向24(如由箭头82所指示)的平移、第二顶点区段166沿着负Z轴24(如由箭头184所指示)的运动以及第三顶点区段168沿着正Z轴24(如由箭头186所指示)的运动。此产生顶板组合件42相对于底板组合件40的“旋转”，其中顶板组合件42的总旋转运动包含围绕俯仰轴18的旋转运动的分量以及围绕倾斜轴22的旋转运动的分量。
图29描绘第一顶点区段164沿着正Z轴方向24(如由箭头188所指示)的平移、第二顶点区段166沿着正Z轴24(如由箭头190所指示)的运动以及第三顶点区段168沿着负Z轴24(如由箭头192所指示)的运动。此产生顶板组合件42相对于底板组合件40的“旋转”，其中顶板组合件42的总旋转运动包含围绕俯仰轴18的旋转运动的分量以及围绕倾斜轴22的旋转运动的分量。应注意，已论述的第一顶点区段164、第二顶点区段166及第三顶点区段168的运动的任何变换及/或组合对于顶板组合件42相对于底板组合件40的平移及/或旋转是可允许的。
图30是图25的放大视图，其描绘顶板组合件42耦合到下部板组合件实施例40的一部分，所述下部板组合件实施例又耦合到x-y载台组合件实施例12。如图18及19中所展示，顶板组合件42还可包含多个Z编码器条带194及多个θ编码器条带196。对于所展示的顶板组合件实施例42，三个Z编码器条带194安置在顶板主体43的每一顶点处，其中每一Z编码器条带194经构造使得其在顶板组合件42耦合到底板组合件40时与其相应Z轴编码器柱组合件148对准，如图30中所展示。接着，每一Z编码器读取器152可从其相应Z编码器条带194读取顶板组合件42的Z轴24位置数据。顶板组合件42还可包含多个θ编码器条带196。对于图18及19中所展示的顶板实施例42，三个θ编码器条带196接近顶板主体43的每一顶点而安置，其中每一θ编码器条带196经构造使得其在顶板组合件42耦合到底板组合件40时与其相应θ编码器柱组合件62对准，如图30中所展示。接着，每一θ编码器读取器152可从其相应θ编码器条带194读取顶板组合件42的θ轴26位置数据。
薄的带槽式挠曲组合件44可包含挠曲主体197且可耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间，如图31中所展示。带槽式挠曲组合件44可并入有具有中心轴199的中心孔口198。挠曲组合件44还可包含多个槽200，所述槽从中心轴199及中心孔口198径向延伸且在挠曲主体197的径向外边缘201以内终止。对于一些实施例，从中心孔口198径向延伸出六个此类槽200，其中槽以约60度的角度分隔开。六个槽198划界出挠曲组合件44的三个固定挠曲区段202与挠曲组合件44的三个移动挠曲区段204且将三个固定挠曲区段202与三个移动挠曲区段204分隔开。每一固定挠曲区段202可沿圆周邻近于每一移动挠曲区段204。三个固定挠曲区段202可并入有三个固定挠曲固定件203，且三个移动挠曲区段可并入有三个移动挠曲固定件205。
三个固定挠曲固定件203可紧固(通过使用未展示的扣件)到三个压电电机安装表面138，且三个移动挠曲固定件205可沿着顶板组合件42的中心孔口154而紧固(通过使用未展示的扣件)，如图33中所展示。以此方式，三个固定挠曲区段202耦合到紧固到底板组合件40的三个压电电机组合件136。借此，三个压电电机组合件136可诱发压电电机安装表面138沿θ角方向26的旋转运动，所述压电电机安装表面又使挠曲组合件44沿θ角方向26旋转。挠曲组合件44沿θ角方向26的旋转又致使顶板组合件42的旋转沿θ角方向26进行旋转。因此，挠曲组合件44用作耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间的传动件，所述传动件不但将θ角方向26上的转矩从底板组合件40高效地传输到顶板组合件42，而且将底板组合件40与顶板组合件42有效地隔离以用于使顶板组合件42沿Z轴24方向运动。在此布置下，底板组合件40与顶板组合件42之间的精细θ调整可在基本上不影响顶板组合件42的Z轴24位置的情况下运用压电电机组合件136而实施。挠曲组合件44允许顶板组合件42相对于底板组合件40沿着Z轴24进行平移且允许顶板组合件42相对于底板组合件40沿倾斜角方向22及沿俯仰角方向18进行旋转。
挠曲组合件44可制作为多层复合材料，即，挠曲组合件44可并入有不同材料的几个不同层。形成挠曲组合件44的材料可包含任何适合金属、任何适合织物或任何适合聚合物。举例来说，钢(例如不锈钢)及织物(例如格纹防潮物(scotch damp))可包括形成挠曲组合件的多层复合材料的一些层。
图32到36图解说明挠曲组合件44耦合到图25中所展示的子组合件，所述子组合件包含x-y载台组合件12、底板组合件40及顶板组合件42。图1展示完成ZTTT组合件14的实施例，所述完成ZTTT组合件还包含卡盘组合件46。所述卡盘组合件可包含安置在卡盘主体48上的卡盘安装孔(未展示)，其中卡盘安装孔经构造使得其与顶板主体43的卡盘安装件159(其展示于图33中)对准。卡盘组合件46可借助使用扣件(未展示)而紧固到顶板组合件42，所述扣件可用于将顶板组合件42的卡盘安装件159连接到卡盘主体48的卡盘安装孔。卡盘组合件46还包含顶出销穿孔208的，所述顶出销穿孔允许举升销顶出器组合件88的举升销92通过卡盘主体48且接触样品220以从卡盘组合件46顶出样品220。
图37到48中描绘多轴定位系统10’的另一实施例。多轴定位系统10’可经构造使得其基本上类似于本文中先前已论述的多轴定位实施例10。多轴定位系统10’可包含x-y载台组合件12’及ZTTT组合件14’，所述ZTTT组合件可操作地耦合到x-y载台组合件12’。ZTTT组合件14’可包含卡盘组合件46、举升销顶出器组合件88、挠曲组合件44、顶板组合件42、底板组合件40’及精密轴承组合件74，其等全部展示于图38中。多轴定位系统10’与多轴定位系统10之间的差异在于多轴定位系统10’并入有多个Z轴编码器组合件67，所述多个Z轴编码器组合件安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与顶板组合件42之间。如先前已论述，多轴定位系统10包含多个Z轴编码器组合件147，所述多个Z轴编码器组合件安置且操作地耦合在底板组合件40与顶板组合件42之间(参见图4)。
除相应Z轴编码器组合件的子组合件的位置的差异之外，多轴定位系统实施例10’经构造使得其基本上类似于本文中已论述的多轴定位系统10。先前已论述的多轴定位系统10的以下子组合件(及其相应子组合件)(包含顶板组合件42、挠曲组合件44、卡盘组合件46、精密轴承组合件74、举升销顶出器组合件88)中的每一者可以类同于所述子组合件中的每一者被构造且在多轴定位系统10内起作用的方式的方式被构造且在多轴定位系统10’内起作用。
多轴定位系统10’还包含以下子组合件(及其相应子组合件)：多个无源参考表面114及有源参考表面50(及其子组合件)，其安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与底板组合件40’之间(参见图14及15)；多个θ电机组合件58，其安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与底板组合件40’之间(参见图46)；多个θ编码器组合件61，其安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与顶板组合件42之间(参见图39及40)；多个弹性悬置部件组合件126及悬置部件插孔134，其安置且操作地耦合在底板组合件40’与顶板组合件42之间(参见图47)；及多个Z轴电机组合件144，其安置且操作地耦合在底板组合件40’与顶板组合件42之间(参见图22到24)，所述子组合件中的每一者可以类同于每一相应子组合件被构造且在多轴定位系统10内操作的方式的方式被构造且在多轴定位系统10’内操作。
如上文所论述，多轴定位系统10’可并入有多个位置传感器。一些位置传感器实施例可包含可用于测量顶板组合件42相对于多轴定位系统10’的其它子组件的位置的光学编码器。多轴定位系统10’的光学编码器可包含Z轴编码器组合件67及θ编码器组合件61。图39是展示多轴定位系统10’的几个子组合件的表示以及Z轴编码器组合件67及θ编码器组合件61的子组合件的表示的二维框图。图39中所展示的框图并非大体准确地描绘所述框图中所描绘的每一子组合件的相对大小或形状；所述框图用于图解说明编码器组合件相对于所述框图中所描绘的多轴定位系统10’的每一子组合件的位置。
图39描绘x-y载台组合件12’、底板组合件40’、挠曲组合件44、顶板组合件42、θ光学编码器组合件61的子组合件及Z轴编码器组合件61的子组合件的表示。θ光学编码器组合件61包含θ编码器条带196及θ编码器柱组合件62，所述θ编码器柱组合件包含θ编码器柱64及θ编码器读取器66。如框图中可见，θ光学编码器组合件61安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与顶板组合件42之间。θ编码器组合件61经构造以在θ编码器读取器66从刚性地紧固到顶板组合件42的θ编码器条带196测量θ轴26位置数据时测量顶板组合件42相对于x-y载台组合件12’的θ轴26角位移。Z轴编码器组合件67包含Z编码器条带194及Z编码器柱组合件68，所述Z编码器柱组合件又包含Z编码器柱70及Z编码器读取器72。Z轴编码器组合件67安置且操作地耦合在x-y载台组合件12”与顶板组合件42之间。Z轴编码器组合件67经构造以在Z编码器读取器72从紧固到顶板组合件42的Z编码器条带194测量Z轴24位置数据时测量顶板组合件42相对于x-y载台组合件12’的Z轴24位移。
图40是图37的多轴定位系统10’的三维框图，其用于进一步阐明编码器组合件相对于多轴定位系统10’的各种子组合件的位置。再次，图40中所描绘的多轴定位系统10’的子组合件的框表示并非用于准确地表示每一子组合件，所述框表示用于图解说明所展示的多轴定位系统10’的子组合件及组件的各种元件的功能关系。图40中的多轴定位系统10’的表示包含x-y载台组合件12’、底板组合件40’、顶板组合件42、压电电机组合件136、θ电机组合件58及三个Z电机组合件144。还表示挠曲组合件44及精密轴承组合件74。
三个Z轴编码器组合件67安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与顶板组合件42之间，如图40中所表示。三个Z轴编码器组合件67包含各自刚性地紧固到x-y载台组合件12’的三个Z编码器柱组合件68。每一Z编码器柱组合件68包含Z编码器柱70及Z编码器读取器72。每一Z轴编码器组合件67经构造以在每一Z编码器读取器72从刚性地紧固到顶板组合件42的相应Z编码器条带194测量Z轴24位置数据时测量顶板组合件42相对于x-y载台组合件12’的Z轴24位移。三个θ编码器组合件61安置且操作地耦合在x-y载台组合件12’与顶板组合件42之间，如图40中所表示。三个θ编码器组合件61包含各自刚性地紧固到x-y载台组合件12’的三个θ编码器柱组合件62。每一θ编码器柱组合件62包含θ编码器柱64及θ编码器读取器66。每一θ轴编码器组合件61经构造以在每一θ编码器读取器66从刚性地紧固到顶板组合件42的相应θ编码器条带196测量θ轴26位置数据时测量顶板组合件42相对于x-y载台组合件12’的θ轴26位移。
图41及42描绘x-y载台组合件12’。x-y载台组合件实施例12’经构造使得其基本上等同于XY载台实施例12，以下内容除外。x-y载台组合件12’构造有三个Z编码器柱组合件68。如图41及42中所展示，每一Z编码器柱组合件68可包含Z编码器柱70及Z编码器读取器72，所述Z编码器读取器安置在每一Z编码器柱70的远端上。每一Z编码器柱70可刚性地紧固到x-y载台12’的上部表面38且从x-y载台12’的上部表面38延伸，或者是从上部载台延伸的某一刚性延伸部件。在一些情形中，每一Z编码器柱可基本上垂直于x-y载台12’的上部表面38。Z编码器柱70从上部表面38延伸的部分可经构造以允许Z编码器72操作地耦合到顶板组合件42。Z编码器柱组合件68可距x-y载台组合件12’的中心轴52基本上径向等距地径向间隔开，且Z编码器柱组合件68可具有沿θ角方向26约120度的角间隔。x-y载台组合件12’的Z编码器柱组合件68经构造以测量顶板组合件42沿着Z轴24的位移。
图43及44描绘底板组合件40’的实施例，除了底板实施例40’未并入有任何编码器组合件组件之外，所述底板组合件40’基本上类似于图12及13中所描绘的底板组合件40。因此，并入有多个Z编码器柱组合件148的底板组合件实施例40意欲与未并入有Z轴编码器组件的x-y载台组合件12耦合。类似地，未并入有Z轴编码器的底板组合件40’意欲耦合到并入有多个Z编码器柱组合件68的x-y载台组合件12’。图45是图37的放大视图(其中卡盘组合件46被隐藏)，其描绘底板组合件实施例40’耦合到x-y载台组合件12’且展示Z轴柱组合件68(其紧固到x-y载台组合件12’)、θ编码器柱组合件62。图46描绘顶板组合件42耦合到底板组合件40’，所述底板组合件又耦合到x-y载台实施例12’。上部板组合件42以类同于图33中所展示的实施例的方式通过挠曲组合件44紧固到底板组合件42’。
图46描绘顶板组合件42耦合到底板组合件40’，所述底板组合件又耦合到x-y载台实施例12’。图47描绘Z编码器柱组合件68(其紧固到x-y载台12’)与顶板组合件42的相应Z编码器条带194对准。每一Z编码器条带194可经构造以具有约5μm到约20μm的标度间距。图47还描绘顶板组合件42的θ编码器条带196与紧固到x-y载台组合件12’的θ编码器柱组合件62对准。每一θ编码器条带196可经构造以具有约5μm到约20μm的标度间距。图48描绘挠曲组合件44耦合到图46的实施例，其中Z编码器柱组合件68安置在x-y载台12’上。顶板组合件42通过带槽式挠曲组合件44紧固到底板组合件42。经完全组装多轴定位系统10’展示于图37中且包含经附接卡盘组合件44。
以下论述适用于多轴定位系统实施例10及实施例10’的对应元件两者。当顶板组合件42在样品220的定位期间由压电电机组合件136提供动力时，顶板组合件42相对于底板组合件40而旋转。操作地耦合在顶板组合件42与底板组合件40之间的多个Z轴电机组合件144可经构造以允许顶板组合件42相对于底板组合件40沿θ角方向26相对地旋转。具体来说，每一Z轴电机组合件的组件之间的θ方向空隙允许的在顶板组合件42与底板组合件40之间的相对θ旋转位移的量值可为最多约5度。此意指在每一Z编码器读取器152从其相应Z编码器条带194读取Z轴位置数据时，每一Z编码器条带194可相对于每一Z轴柱组合件147沿θ角方向26旋转。因此，Z编码器条带194必须经构造使得其对于Z轴编码器读取器152是充分宽的以在Z编码器条带194相对于Z编码器读取器152沿θ角方向26旋转时仍能够读取Z编码器条带194。
类似地，每一Z编码器条带194必须是与每一相应Z编码器读取器152充分分隔开的以允许用于Z编码器条带194相对于Z编码器读取器的旋转的空隙。Z编码器读取器152、Z编码器柱组合件148及Z编码器条带194连同安置在Z编码器条带194与Z编码器读取器152之间的间隙209一起展示于图49中。Z编码器条带194与Z编码器读取器152之间的间隙209在一些情形中可需要是足够大的以允许在Z编码器条带194与Z编码器读取器152之间无干扰的情况下Z编码器条带194相对于Z编码器读取器152进行θ轴26旋转运动。类似地，间隙209可需要是足够大的以允许在Z编码器条带194与Z编码器读取器152之间无干扰的情况下Z编码器条带194相对于Z编码器读取器152进行Z轴24平移运动。三个Z轴编码器组合件147可经构造而以最多约5mm的间隙209(间隔)从Z编码器条带194测量Z编码器条带194的位移。类似地，θ编码器组合件61的三个θ编码器读取器66及三个θ编码器条带196可以类同于间隙209的间隙分隔开。三个θ编码器读取器66可经构造以准确地起作用且以最多约5mm的间隙209(间隔)从θ编码器条带196测量位移。
如先前已论述，多轴定位系统10的控制器系统28可通过任何适合手段(例如导电线、光纤电缆、无线发射等等)操作地耦合到各种电机及编码器。控制器系统28可用于激活多轴定位系统的电机或致动器的任何组合以使卡盘组合件46相对于参考表面沿着/围绕所要轴而平移及/或旋转，多轴定位系统10紧固在所述参考表面上。控制器系统28还可用于使用来自多轴定位系统10的任何单个编码器或编码器组合的测量来测量卡盘组合件46的平移及/或旋转运动的量值。从各种编码器中的一或多者获取的位置数据还可记录或存储于存储器装置中。多轴定位系统10的控制器系统28可包含处理器及至少一个存储器装置。所述处理器可经构造以读取存储器装置上所存储的处理器指令且接着基于那些指令而执行活动。举例来说，处理器可遵照处理器指令，所述处理器指令从存储器装置读取，且指示处理器处理来自编码器组合件的位置数据并接着致动多轴定位系统10的电机以将顶板组合件42定位在所要位置中。处理器指令可经配置以操作闭环位置控制算法。
三个θ编码器读取器62各自从其相应θ编码器条带196读取位置数据，其中来自每一θ编码器读取器62的位置数据指示顶板组合件42相对于x-y载台组合件12的角位置(围绕θ轴26)。因此，可在任何给定时刻通过三个θ编码器组合件62中的每一者将顶板组合件42相对于x-y载台组合件12的三组θ角位置数据传递到控制器系统28。顶板组合件42相对于x-y载台组合件12的三组θ角位置数据可通过控制器系统28适当地平均化以获得顶板组合件42的平均θ角位置数据。控制器系统28的处理器可遵照适合平均化算法以将角位置数据平均化，所述角位置数据可存储于系统存储器中或实时地进行处理。
多轴定位系统可用于检验样品220，所述样品可包含基于半导体的晶片芯片、微型电元件(例如处理器芯片)、LED等等。图50中描绘典型半导体晶片样品220。样品220可大体构造为圆柱形轮盘且可包含安置在样品上部表面222上的多种表面特征，例如微型电元件阵列224、多个样品测试特征226等等。在样品220的检验或其它处理期间，样品220的测试特征226可由光学检验系统210(参见图51)用于使用光学检验系统210的多轴定位系统10来适当地定位样品220。
出于检验或处理样品的目的，控制器系统28可任选地连同任何适合外部控制器系统一起使用。举例来说，多轴定位系统10的控制器系统28可连同图51中所描绘的光学检验系统210的检验工具控制器214一起使用。光学检验系统20可包含(但不限于)多轴定位系统10、光源(未展示)、光学物镜212及检测器组合件(未展示)。光学检验工具可进一步包含以光学方式耦合光源、光学物镜及检测器组合件的光具组(未展示)。当连同光学物镜212一起使用时，检测器组合件可用于确定紧固到多轴定位系统10的卡盘组合件46的样品220的Z轴24位置数据。所展示的光学检验系统210包含可经构造以处理由检测器组合件接收的光学信息的检验工具控制器214。检验工具控制器214可操作地与多轴定位系统10的控制器系统28通信。光学检验系统210的组件可适当地安置在光学壳体组合件216中，所述光学壳体组合件可包含可用于固持多轴定位系统10的光学支撑件218，如图51中所展示。
光学检验系统210可用于通过将样品220装载到多轴定位系统10的卡盘组合件46上来检验样品220的瑕疵或缺陷，如图52中所展示。光学检验系统210还可经构造以测量安置在样品220上的测试特征226中的一或多者的位置以产生测试特征位置数据。测试特征位置数据可包含安置在样品220的上部表面222上的测试特征226沿着光学检验系统210的光学物镜212的光轴228的Z轴24位置数据。光学物镜212的光轴228表示从光学物镜212延伸使得光轴228基本上垂直于光学物镜212的光学表面230(如图52及53中所展示)的理论轴。在检验过程期间，可期望将样品220的上部表面222定向，使得其平行于垂直于光轴228的光学平面232，其中光学平面232的所有点距光学物镜212的光学表面230是基本上等距的。多轴定位系统10可使样品220(如由箭头234所指示)相对于光学物镜212沿着X轴18或沿着Y轴20(未展示，进入或离开图52及53中的页面)而平移。另外，多轴定位系统10可使样品(如由图53中的箭头236所指示)相对于光学物镜212围绕倾斜轴22、俯仰轴18及θ轴26而旋转。因此，在光学物镜212测量测试特征位置数据时，多轴定位系统10的控制器系统28可受检验工具控制器214(其正从光学物镜212接收测试特征位置数据)指示以使样品220沿着X轴16及/或Y轴18而平移。
接着，可将测试特征位置数据存储于检验工具控制器214的存储器存储装置中。接着，检验工具控制器214可依据测试特征位置数据产生样品220的表面定向的查找表，所述测试特征位置数据由光学物镜212测量且接着存储于存储器存储装置中。接着，检验工具控制器214可通过指示多轴定位系统10使样品220在平面232中相对于光学物镜212沿着X轴16及Y轴18平移而继续检验过程以检验样品220的特征(例如多个微型电元件224)。在样品220正沿着X轴16及/或Y轴18平移以检验特征(例如微型电元件224)(如由图53中的箭头234所指示)时，多轴定位系统10受检验工具控制器214(其正从查找表读取测试特征位置数据)指示以将样品220的上部表面222定向，使得其平行于光学平面232(如图53中所展示)。检验工具控制器214通过以下方式而实现此：将来自查找表的测试反馈数据与来自多轴定位系统10的多个θ编码器组合件62的θ位置数据反馈(位置数据反馈被从控制器系统馈送到检验工具控制器)进行比较以将样品220的上部表面222定向，使得其平行于光学平面232。类似地，检验工具控制器214将来自查找表的测试反馈数据与来自多轴定位系统10的多个Z轴编码器组合件147的Z位置数据反馈(位置数据反馈被从控制器系统馈送到检验工具控制器)进行比较以将样品220的上部表面222定向，使得其平行于光学平面232。维持样品220的上部表面222平行于光学平面232等同于确保上部表面222保持垂直于光轴228且样品220的上部表面222距光学物镜212保持处于恒定距离。刚已论述的检验程序还可类似地用于运用连同多轴定位系统一起使用的任何适合制作装备来制作样品。
查找表还可用于校正组件(例如x-y载台组合件12)的平移路径中的已知异常。另外，多轴定位系统10可基于从检验工具控制器214传递到控制器系统28的光学聚焦反馈而维持物镜212与样品220之间的Z轴间隔。
关于以上详细说明，其中所使用的相似元件符号可是指可具有相同或类似尺寸、材料及构造的相似元件。虽然已图解说明及描述了特定形式的实施例，但将明了，可在不背离所论述的实施例的精神及范围的情况下做出各种修改。因此，不意欲使本发明受前述详细说明限制。
本文中所提及的每一专利、专利申请案、公开案及文档的全部内容特此以引用的方式并入。以上专利、专利申请案、公开案及文档的引用既非对前述文献中的任一者是相关现有技术的承认，其又不构成关于这些文档的内容或日期的任何承认。
可在不背离本技术的基本方面的情况下对前述实施例做出修改。尽管已参考一或多个特定实施例相当详细地描述了所述技术，但可对在本申请案中所具体揭示的实施例做出改变，而这些修改及改进均在本技术的范围及精神内。本文中说明性地描述的技术可适合地在不存在本文中未具体揭示的任何元件的情况下实践。因此，举例来说，在本文中的每一例子中，术语“包括”、“基本上由...组成”及“由...组成”中的任一者可用另外两个术语中的任一者来替换。已采用的术语及表达用作描述而非限制的术语，且此类术语及表达的使用并不排除所展示及所描述的特征或其部分的任何等效物，且在所主张技术的范围内，各种修改是可能的。术语“一(a或an)”可是指一个或多个其所修饰的元件(例如，“一试剂”可意指一或多个试剂)，除非上下文明显地描述了一个所述元件或一个以上所述元件。尽管已通过代表性实施例及任选特征具体揭示了本技术，但可做出对本文中所揭示的概念的修改及变化，且此类修改及变化可视为在本技术的范围内。
在所附权利要求书中陈述本技术的某些实施例。

Claims (67)

1.一种多轴定位系统，其包括：
(A)x-y载台组合件，其包含：
(i)底座，其可紧固到稳定表面，
(ii)上部载台，
(iii)第一线性致动器，其经构造以产生所述上部载台相对于所述底座沿着第一x-y载台轴的可控制位移，
(iv)第二线性致动器，其经构造以产生所述上部载台相对于所述底座沿着第二x-y载台轴的可控制位移，所述第一x-y载台轴基本上垂直于所述第二x-y载台轴，及
(v)所述上部载台的上部表面，所述上部载台包含经构造以滑动地接纳多个相应无源参考表面且各自包含经加压气体端口的多个平坦光滑有源参考表面；
(B)底板组合件，其包含：
(i)底板主体，
(ii)多个无源参考表面，其安置在所述底板主体上、安置在所述底板主体的底部表面上且定位在所述底板主体的外部分上，以与所述x-y载台组合件的相应有源参考表面对准，
(iii)多个弹性悬置部件，其安置在所述底板主体的外部分上且从所述底板的顶部部分向上延伸，及
(iv)至少一个压电电机，其紧固到所述底板主体且包含压电电机安装表面，借此所述压电电机经构造以使所述安装表面相对于所述底板主体围绕所述底板的中心轴而旋转；
(C)顶板组合件，其包含：
(i)顶板主体，
(ii)多个悬置部件安装件，其安置在所述顶板主体的外部分上、接纳所述底板的相应弹性悬置部件的上部端；及
(D)薄的带槽式挠曲组合件，其耦合在所述底板与所述顶板之间且包含挠曲主体，所述挠曲主体包括：
(i)中心轴，
(ii)中心孔口，及
(iii)多个槽，其从所述挠曲主体的所述中心轴及中心孔口径向延伸且在所述挠曲主体的径向外边缘以内终止，以划界出所述挠曲主体的至少一个固定扇形区及所述挠曲主体的至少一个沿圆周邻近的可移动扇形区，且其中所述至少一个固定扇形区的内部分紧固到所述底板组合件的相应压电电机安装表面且所述至少一个可移动扇形区的内部分紧固到所述顶板，其中所述挠曲组合件经构造以允许所述底板组合件与所述顶板组合件之间的倾斜轴、俯仰轴及Z轴相对移动且将相对θ位移从所述底板组合件的所述至少一个压电电机传输到所述顶板组合件；
(E)多个Z轴电机，其安置且操作地耦合在所述底板的对应外部分与所述顶板的相应外部分之间，且经构造以产生所述底板与所述顶板的所述相应外部分之间的Z轴位移；
(F)多个Z轴位置传感器，其操作地耦合到所述顶板且经构造以测量所述顶板的Z轴位移；及
(G)至少一个θ位置传感器，其安置且操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿θ旋转方向的相对位移；
(H)至少一个θ电机，其操作地耦合在所述底板组合件与所述x-y载台组合件的所述上部载台之间，所述至少一个θ电机经构造以使所述底板组合件相对于所述上部载台沿θ方向旋转；
(I)精密轴承组合件，其操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述底板主体之间，且经构造以将所述底板组合件相对于所述x-y载台组合件的θ旋转限定于围绕所述精密轴承组合件的中心轴的旋转，其中所述精密轴承组合件的所述中心轴相对于所述上部载台是固定的；及
(J)控制器系统，其操作地耦合到所述定位系统的所述电机、所述多个Z轴位置传感器、所述至少一个θ位置传感器及所述线性致动器。
2.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中多个Z轴编码器组合件包括三个Z轴编码器组合件，所述三个Z轴编码器组合件操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述顶板组合件之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板组合件之间沿Z轴方向的相对位移。
3.根据权利要求2所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴编码器组合件被安置成彼此相距约120度。
4.根据权利要求2所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴编码器组合件包括经构造而以最多5mm的间隔准确地测量位移的大标度光学编码器。
5.根据权利要求4所述的多轴定位系统，其中所述大标度光学编码器包括具有5μm到20μm的标度间距的编码器条带。
6.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中操作地耦合到所述顶板的所述多个Z轴位置传感器包括三个Z轴光学编码器组合件，所述三个Z轴光学编码器组合件操作地耦合在所述底板组合件与所述顶板组合件之间，且经构造以测量所述底板组合件与所述顶板组合件之间沿Z轴方向的相对位移。
7.根据权利要求6所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴编码器组合件被安置成彼此相距约120度。
8.根据权利要求6所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴编码器包括经构造而以最多5mm的间隔准确地测量位移的大标度光学编码器。
9.根据权利要求8所述的多轴定位系统，其中所述大标度光学编码器包括具有5μm到20μm的标度间距的编码器条带。
10.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述上部载台的每一有源参考表面包含真空端口。
11.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述上部载台包括三个有源参考表面，所述三个有源参考表面距所述精密轴承组合件的所述中心轴等距地安置且彼此基本上等距地沿圆周间隔开。
12.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述底板组合件包括三个无源参考表面，所述三个无源参考表面距所述底板主体的所述中心轴等距地安置且彼此基本上等距地沿圆周间隔开。
13.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述底板组合件的所述弹性悬置部件包括弹性螺旋弹簧。
14.根据权利要求13所述的多轴定位系统，其中所述弹性螺旋弹簧包括锥形弹性螺旋弹簧。
15.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述弹性悬置部件包括三对锥形弹性螺旋弹簧，其中每一对锥形弹性螺旋弹簧距所述底板主体的中心轴等距地安置且彼此基本上等距地沿圆周间隔开。
16.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述底板组合件包括三个压电电机，所述三个压电电机距所述底板主体的中心θ轴等距地安置且彼此基本上等距地沿圆周间隔开。
17.根据权利要求16所述的多轴定位系统，其中每一压电电机包括积分位置测量装置，所述积分位置测量装置经构造以测量所述压电电机安装表面相对于所述底板主体围绕所述底板的所述中心轴的位置。
18.根据权利要求17所述的多轴定位系统，其中所述积分位置测量装置包括线性编码器。
19.根据权利要求16所述的多轴定位系统，其中所述压电电机各自包括压电元件，所述压电元件经构造以相对于所述底板主体的所述中心轴沿圆周方向扩展与收缩。
20.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述顶板组合件的所述顶板主体包括大体三角形构造，其中在三角形构造的每一顶点处安置有弹性悬置部件安装件。
21.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述顶板组合件进一步包括多个卡盘安装件。
22.根据权利要求20所述的多轴定位系统，其中所述顶板主体包括具有至少一个径向延伸部的中心孔口，所述至少一个径向延伸部经构造以允许用于所述至少一个压电电机的所述至少一个压电电机安装表面的空隙。
23.根据权利要求22所述的多轴定位系统，其中所述顶板主体的所述中心孔口包含三个径向延伸部，所述三个径向延伸部经构造以允许用于彼此基本上等距地沿圆周间隔开的三个压电电机安装表面的空隙。
24.根据权利要求21所述的多轴定位系统，其进一步包括卡盘组合件，所述卡盘组合件包含紧固到所述顶板主体的所述卡盘安装件的卡盘主体。
25.根据权利要求24所述的多轴定位系统，其进一步包括举升销顶出器组合件，所述举升销顶出器组合件相对于所述底板主体紧固在所述卡盘组合件下方、包含顶出器电机及耦合到所述顶出器电机的至少一个举升销，且经构造以相对所述卡盘主体沿向上Z轴方向可控制地提升所述至少一个举升销，以举起安置在所述卡盘的顶部表面上方的件。
26.根据权利要求25所述的多轴定位系统，其中所述举升销顶出器组合件包含包括三个举升销的举升销组合件、紧固到所述举升销组合件的电磁顶出器电机的线圈，及相对于所述底板主体紧固的所述顶出器电机的磁体。
27.根据权利要求26所述的多轴定位系统，其中所述顶出器电机的所述磁体紧固到所述精密轴承组合件。
28.根据权利要求25所述的多轴定位系统，其中所述举升销顶出器组合件进一步包括操作地耦合到所述顶出器电机的线性编码器组合件。
29.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述带槽式挠曲部包括具有多个不同材料层的多层带槽式挠曲部。
30.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中所述带槽式挠曲部包括在三个可移动扇形区之间交错的三个固定扇形区。
31.根据权利要求29所述的多轴定位系统，其中所述多层带槽式挠曲部的材料包括选自由金属、聚合物或织物组成的群组的材料。
32.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中安置且操作地耦合在所述底板主体的对应外部分与所述顶板主体的相应外部分之间的所述多个Z轴电机包括三个电磁电机。
33.根据权利要求32所述的多轴定位系统，其中安置且操作地耦合在所述底板主体的对应外部分与所述顶板主体的相应外部分之间的所述多个Z轴电磁电机包括三个电磁音圈电机。
34.根据权利要求33所述的多轴定位系统，其中安置且操作地耦合在所述底板主体的对应外部分与所述顶板主体的相应外部分之间的所述三个音圈电机中的每一者的磁体紧固到所述底板主体，且安置且操作地耦合在所述底板主体的对应外部分与所述顶板主体的相应外部分之间的所述三个音圈电机的线圈紧固到所述顶板主体。
35.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中安置且操作地耦合在所述底板主体的对应外部分与所述顶板主体的相应外部分之间的所述多个电机经构造以允许所述顶板主体与所述底板主体之间最多5度的相对θ旋转位移。
36.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中安置且操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述顶板之间且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿θ旋转方向的相对位移的所述至少一个θ位置传感器包括三个编码器。
37.根据权利要求36所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴编码器彼此具有沿θ方向约120度的角间隔。
38.根据权利要求36所述的多轴定位系统，其中所述三个θ编码器包括经构造而以最多5mm的间隔准确地测量位移的大标度光学编码器。
39.根据权利要求38所述的多轴定位系统，其中所述大标度光学编码器包括具有5μm到20μm的标度间距的编码器条带。
40.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中操作地耦合在所述底板组合件与所述x-y载台组合件的所述上部载台之间的所述至少一个θ电机包括安置在所述底板主体的中心轴的相对侧上的至少一个电磁电机。
41.根据权利要求40所述的多轴定位系统，其中操作地耦合在所述底板组合件与所述x-y载台组合件的所述上部载台之间的所述至少一个电磁θ电机包括安置在所述底板主体的中心轴的相对侧上的两个音圈电机。
42.根据权利要求41所述的多轴定位系统，其中操作地耦合在所述底板组合件与所述x-y载台组合件的所述上部载台之间的所述两个音圈电机的磁体紧固到所述x-y载台组合件的所述上部载台，且操作地耦合在所述底板组合件与所述x-y载台组合件的所述上部载台之间的所述两个音圈电机的线圈紧固到所述底板主体。
43.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中操作地耦合在所述x-y载台组合件的所述上部载台与所述底板主体之间的所述精密轴承组合件包括滚珠精密轴承组合件。
44.根据权利要求1所述的多轴定位系统，其中操作地耦合到所述定位系统的所述电机、所述多个Z轴位置传感器、所述至少一个θ位置传感器及所述线性致动器的所述控制器系统包括处理器及至少一个存储器装置，且其中所述处理器经构造以读取所述至少一个存储器装置中所存储的指令。
45.根据权利要求44所述的多轴定位系统，其中所述至少一个存储器装置包括可由所述处理器读取的指令，所述指令允许所述处理器处理来自所述多个Z轴位置传感器以及所述至少一个θ位置传感器的位置数据且致动所述多轴定位系统的所述电机以将上部板主体定位在所要位置中。
46.根据权利要求45所述的多轴定位系统，其中所述处理器及所述至少一个存储器装置包括经配置以产生闭环位置控制算法的指令。
47.一种多轴定位系统，其包括：
平移载台，其经构造以提供所述平移载台的底座与上部载台之间沿两个维度的位移；
底板，其可旋转地耦合到所述平移载台，使得所述底板沿θ旋转方向的旋转轴垂直于由所述平移载台的所述两个位移维度界定的平面；
至少一个底板电机，其操作地耦合在所述底板与所述平移载台之间，所述至少一个底板电机经构造以使所述底板组合件相对于所述平移载台沿所述θ旋转方向旋转；
顶板，其操作地耦合到所述底板，其中至少三个Z轴电机安置且操作地耦合在所述底板的对应外部分与所述顶板的相应外部分之间，且经构造以在所述底板与所述顶板的所述相应外部分之间产生沿基本上平行于所述底板的所述旋转轴的Z轴方向的位移；
卡盘，其经构造以可释放地紧固样品，所述样品紧固到所述顶板；
至少三个Z轴位置传感器，其安置且操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述Z轴方向的相对位移；
至少三个θ位置传感器，其操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述θ旋转方向的相对角位移；及
控制器，其操作地耦合到所述Z轴电机、所述至少一个底板电机、所述Z轴位置传感器及所述θ位置传感器，且经构造以控制对所述Z轴电机及所述至少一个底板电机的致动。
48.根据权利要求47所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴位置传感器包括光学编码器组合件。
49.根据权利要求47所述的多轴定位系统，其中所述三个θ位置传感器包括光学编码器组合件。
50.根据权利要求47所述的多轴定位系统，其中所述至少三个Z轴电机包括音圈电机。
51.根据权利要求47所述的多轴定位系统，其中所述底板电机包括音圈电机。
52.根据权利要求47所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴电机彼此以围绕所述底板的所述旋转轴约120度的角位移分隔开。
53.根据权利要求52所述的多轴定位系统，其中所述三个Z轴位置传感器中的每一者是邻近对应Z轴电机而安置。
54.根据权利要求52所述的多轴定位系统，其中所述三个θ位置传感器中的每一者是邻近对应Z轴电机而安置。
55.一种光学检验系统，其包括：
A.光学检验工具，其包含：光源；光学物镜；检测器组合件；光具组，其以光学方式耦合所述光源、所述光学物镜及所述检测器；及检验工具控制器，其经构造以处理由所述检测器组合件所接收的光学信息；及
B.多轴定位系统，其包括：
平移载台，其经构造以提供所述平移载台的底座与上部载台之间沿两个维度的位移；
底板，其可旋转地耦合到所述平移载台，使得所述底板沿θ旋转方向的旋转轴垂直于由所述平移载台的所述两个位移维度界定的平面；
至少一个底板电机，其操作地耦合在所述底板与所述平移载台之间，所述至少一个底板电机经构造以使所述底板组合件相对于所述平移载台沿所述θ旋转方向旋转；
顶板，其操作地耦合到所述底板，其中至少三个Z轴电机安置且操作地耦合在所述底板的对应外部分与所述顶板的相应外部分之间，且经构造以在所述底板与所述顶板的所述相应外部分之间产生沿基本上平行于所述底板的所述旋转轴的Z轴方向的位移；
卡盘，其紧固到所述顶板，所述卡盘经构造以将样品可释放地紧固到其，且经安置与所述光学检验工具的所述光学物镜的光学路径连通；
至少三个Z轴位置传感器，其安置且操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述Z轴方向的相对位移；
至少三个θ位置传感器，其操作地耦合在所述平移载台的所述上部载台与所述顶板之间，且经构造以测量所述上部载台与所述顶板之间沿所述θ旋转方向的相对角位移；及
定位系统控制器，其操作地耦合到所述Z轴电机、所述至少一个底板电机、所述Z轴位置传感器及所述θ位置传感器，且经构造以控制对所述Z轴电机及所述至少一个底板电机的致动。
56.根据权利要求55所述的光学检验系统，其中所述三个Z轴位置传感器包括光学编码器组合件。
57.根据权利要求55所述的光学检验系统，其中所述三个θ位置传感器包括光学编码器组合件。
58.根据权利要求55所述的光学检验系统，其中所述至少三个Z轴电机包括音圈电机。
59.根据权利要求55所述的光学检验系统，其中所述底板电机包括音圈电机。
60.根据权利要求55所述的光学检验系统，其中所述三个Z轴电机彼此以围绕所述底板的所述旋转轴约120度的角位移分隔开。
61.根据权利要求60所述的光学检验系统，其中所述三个Z轴位置传感器中的每一者是邻近对应Z轴电机而安置。
62.根据权利要求60所述的光学检验系统，其中所述三个θ位置传感器中的每一者是邻近对应Z轴电机而安置。
63.根据权利要求55所述的光学检验系统，其中所述检验工具控制器操作地耦合到所述定位系统控制器，且经构造以将所述卡盘的Z轴位置数据从所述光学物镜发射到所述定位系统控制器。
64.一种检验样品的方法，其包括：
将所述样品装载到多轴定位系统的卡盘中，所述多轴定位系统包含：平移载台；底板，其可旋转地耦合到所述平移载台；顶板，其操作地耦合到所述底板，使得所述顶板可相对于所述底板沿着Z轴、倾斜轴、俯仰轴且沿着θ旋转方向而位移，且所述卡盘紧固到所述顶板；
测量安置在所述样品上的一或多个测试特征的位置以产生测试特征位置数据，所述测试特征位置数据包含所述一或多个测试特征沿着光学检验工具的物镜的光轴的Z轴位置；
将所述测试特征位置数据存储于存储器存储装置中；
依据所述测试特征位置数据而产生所述样品的表面定向的查找表；及
使所述样品相对于所述物镜沿垂直于所述物镜的所述光轴的x-y平面平移，同时运用所述多轴定位系统使用以下反馈根据所述查找表来定位所述样品：来自安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间的多个θ位置传感器的θ位置数据反馈；及来自安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间的多个Z轴位置传感器的Z轴位置反馈，所述样品被平移成使得所述样品的上部表面保持垂直于所述物镜的光轴，且所述样品的所述上部表面距所述物镜保持处于恒定距离。
65.一种检验样品的方法，其包括：
将所述样品装载到多轴定位系统的卡盘中，所述多轴定位系统包含：平移载台；底板，其可旋转地耦合到所述平移载台；顶板，其操作地耦合到所述底板，使得所述顶板可相对于所述底板沿着Z轴、倾斜轴、俯仰轴且沿着θ旋转方向而位移，且所述卡盘紧固到所述顶板；及
使所述样品相对于光学检验工具而平移，同时运用所述多轴定位系统使用以下反馈来定位所述样品：来自安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间的多个θ位置传感器的θ位置数据反馈；及来自安置且操作地耦合在所述多轴定位系统的所述平移载台与所述顶板之间的多个Z轴位置传感器的Z轴位置反馈。
66.根据权利要求65所述的方法，其中使所述样品平移包括使所述样品平移成使得所述样品的上部表面保持垂直于光学检验工具的物镜的光轴，且所述样品的所述上部表面沿着所述物镜的光轴距所述物镜保持处于恒定距离。
67.根据权利要求66所述的方法，其进一步包括将所述样品的Z轴位置数据从所述检验工具的检验工具控制器发射到所述多轴定位系统的定位系统控制器。
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