CN110587554A - 一种微动台及具有该微动台的运动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微动台及具有该微动台的运动装置。微动台包括托盘，其上表面设有让位槽，在转移托盘上物品时至少部分地容纳机械手；旋转台，其位于所述托盘下方，且上表面设有环形上部凹腔，下表面设有下部凹腔，其中上部凹腔与下部凹腔在垂直于旋转台的上表面的投影方向上的投影相互错开；旋转电机，容纳在环形上部凹腔内，并包括旋转电机动子和旋转电机定子，旋转电机定子相对于旋转台固定，旋转电机动子相对于托盘固定；垂直移动装置，位于下部凹腔内并构造成能够驱动旋转台垂直移动；浮动重力补偿装置，位于下部凹腔内并构造成能够对旋转台进行重力补偿。本发明实现了扁平化设计，提高了垂向运动的导向刚度和精度，且便于机械手操作。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路装备制造领域，更具体的涉及一种微动台及具有该微动台的运动装置。
背景技术
在半导体硅片膜厚的检测领域，要求工件台可以和硅片传输系统完成硅片的交接，同时需要承载着12英寸或者8英寸硅片完成360°旋转和垂向运动，完成硅片膜厚的检测。所以对于应用在膜厚检测的工件台装置中，旋转/垂直移动台是其核心部件。随着对产率要求的不断提高，膜厚检测精度的不断提升，工件台的运行速度、加速度和性能也随之提高。这就要求工件台具有更加的轻量化，更加的扁平化，更高的运动精度的设计。在美国专利US2004246012A1中，提出一种该领域的工件台方案。该发明的垂向移动台(支承平台112)固定在垂向装置上，卡盘单元固定在垂向移动台上。且垂向装置是通过直线电机驱动楔形块，同时依靠两个0.5mm厚的簧片提供往复力从而实现垂向运动。该发明结构较为简单，但高度尺寸较大，很难实现扁平化设计。
在美国专利US6779278B1中，提出另外一种该领域的工件台方案。该发明的垂向移动台(Z平台)固定在垂向装置上，卡盘固定在垂向移动台上。且垂向装置是通过音圈电机实现直驱，并通过弹簧实现音圈电机的重力补偿，降低音圈电机负载。该发明结构较为简单，垂向尺寸较小，基本实现了扁平化设计。但由于音圈电机采用了弹簧进行重力补偿，垂向精度很难实现高精度。
因此，在集成电路的装备制造领域，需要一种能够实现扁平化设计，同时解决垂向的运动精度偏低的微动台，且该微动台能够便于机械手进行硅片的交接。
发明内容
本发明的目的是提供一种微动台及具有该微动台的运动装置，以解决微动台高度尺寸偏大的问题，实现微动台结构的扁平设计，同时解决微动台的垂向运动导向刚度偏低的问题，以及微动台的垂向运动精度偏低的问题。此外，该微动台海便于机械手进行硅片的交接。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种微动台，包括：
托盘，所述托盘的上表面设有让位槽，所述让位槽在转移所述托盘上物品时至少部分地容纳机械手；
旋转台，所述旋转台位于所述托盘下方，所述旋转台的上表面设有环形上部凹腔，所述旋转台的下表面设有下部凹腔，其中所述环形上部凹腔与所述下部凹腔在垂直于所述旋转台的上表面的投影方向上的投影相互错开；
旋转电机，所述旋转电机容纳在所述环形上部凹腔内，所述旋转电机包括旋转电机动子和旋转电机定子，所述旋转电机定子相对于所述旋转台固定，所述旋转电机动子相对于所述托盘固定；
垂直移动装置，所述垂直移动装置位于所述下部凹腔内并构造成能够驱动所述旋转台垂直移动；
浮动重力补偿装置，所述浮动重力补偿装置位于所述下部凹腔内并构造成能够对所述旋转台进行重力补偿。
优选地，所述让位槽为长条形。
在一实施例中，所述垂直移动装置和所述浮动重力补偿装置彼此集成并位于所述下部凹腔内。
在一实施例中，所述下部凹腔包括多个下部凹腔，所述垂直移动装置和所述浮动重力补偿装置分别位于不同的下部凹腔内。
在一实施例中，所述浮动重力补偿装置为磁浮重力补偿装置。
在一实施例中，所述浮动重力补偿装置为气浮重力补偿装置。
在一实施例中，所述多个下部凹腔包括中心凹腔和周部凹腔，所述中心凹腔的平面位置由所述环形上部凹腔所围绕，并用于容纳所述垂直移动装置；所述周部凹腔位于所述环形上部凹腔的外周，并用于容纳所述浮动重力补偿装置。
在一实施例中，所述垂直移动装置包括音圈电机，所述音圈电机安装在旋转台中，以及所述托盘为真空卡盘装置。
在一实施例中，所述下部凹腔包括三个或四个周部凹腔，每个所述周部凹腔容纳一个浮动重力补偿装置。
在一实施例中，所述微动台还包括垂向导轨，所述垂向导轨包括导套、若干滚针和导柱，所述导柱固定在底板上，所述导套固定在所述旋转台上并套设在所述导柱上，若干滚针安装在所述导套和所述导柱之间。
本发明还提供一种运动装置，其特征在于，包括底座、XY二维运动机构和微动台，所述微动台为如上所述的微动台，所述XY二维运动机构固定安装在所述底座上，所述微动台的底座固定安装在所述XY二维运动机构的X向滑块或Y向滑块上，以能进行XY二维运动。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是，本发明通过将垂向运动装置和旋转运动装置组成彼此嵌套结构，解决了现有技术中微动台的垂向尺寸偏大的问题，实现扁平化设计；通过设置垂向导轨，解决了现有技术中垂向运动导向刚度偏低的问题，并且通过设置磁浮重力补偿机构，解决了现有技术中垂向运动精度偏低的问题。
附图说明
图1是根据本发明实施例的微动台的立体图；
图2是图1所示的微动台的剖视图；
图3是图1所示的微动台的垂向导轨的立体图；
图4是图1所示的微动台的托盘的立体图；
图5是图1所示的磁浮重力补偿装置的立体图；
图6是图5所示的磁浮重力补偿装置的剖视图；
图7是根据本发明实施例的一种重力补偿装置的布局的实施例的示意图；
图8是根据本发明实施例的一种重力补偿装置的布局的另一实施例的示意图
图9是根据本发明实施例的具有图1所示的微动台的运动装置的立体图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
如图1-3所示，根据本发明实施例的一种微动台100可包括托盘101、重力补偿装置102、底板103、旋转台104、垂向位置测量装置105、旋转电机106、旋转轴承107、音圈电机108、垂向导轨109以及旋转位置测量装置110等。其中，磁浮重力补偿装置102、垂向位置测量装置105、旋转电机106、旋转轴承107、音圈电机108、垂向导轨109以及旋转位置测量装置110安装在托盘101与旋转台104之间。
在图1和4所示的实施例中，托盘101呈圆盘形，其上表面上设有一让位槽1011，所述让位槽1011为长条形凹槽，用于让位于外部机械手(未示出)以使得物品(例如，硅片)能在托盘101和机械手之间进行转移(或交接)。具体地，在需要将例如硅片的物品用机械手转移时，机械手可至少部分地放置在该让位槽1011内，而例如硅片的物品位于机械手上。在一具体实施例中，让位槽1011从圆盘的中心延伸到圆盘外周，长度大致等于圆盘半径。应理解，托盘101也可以是其它形状。优选地，托盘101是真空式吸盘。但应理解，托盘101也可通过卡钳等将例如硅片的物品固定就位。
在所示实施例中，底板103呈大致正六边形，其角部为圆角。当然，底板103也可以是其它形状。底板103用于支撑其它部件。
旋转台104形状类似于底板103，其下表面中心设有圆筒形凹腔1041，上表面设有环形凹腔1042，所述环形凹腔1042环绕圆筒形凹腔1041。旋转台104还设有用于安装垂向导轨109的安装孔1044和位于下表面的用于安装磁浮重力补偿装置102的安装孔1043。
旋转电机106通过Rz轴承107固定安装在旋转台104的环形凹腔1042中。具体地，旋转电机106的定子固定环形凹腔1042中，旋转电机106的动子与托盘101固定连接，以驱动托盘101进行旋转运动。旋转轴承107的内圈与旋转台104固定连接，旋转轴承107的外圈与旋转电机106的动子固定连接，为托盘101的旋转运动提供导向。旋转位置测量装置110，优选为光栅尺，固定在旋转台104上，为托盘101提供旋转的位置信息。
音圈电机108安装在旋转台104的圆筒形凹腔1041中，具体地，音圈电机108的动子与旋转台104固定连接，定子固定在底板103上，为托盘101的垂向运动提供驱动力。即，托盘101可以在旋转电机106和音圈电机108作用下进行绕竖直轴线的旋转及垂向运动。
如图3所示，垂向导轨109可包括导套1091、若干滚针1092和导柱1093。导柱1093优选为四面或者六面等偶数面导柱，导柱1093通常通过底部的固定凸缘固定在底板103上。导套1093固定在旋转台104的安装孔1044上并套设在导柱1091上。若干滚针1092安装在导套1092和导柱1091之间，为托盘101的垂向运动提供高刚度的导向，保证垂向运动精度。
垂向位置测量装置110，优选地为光栅尺，设置在底板1034的四周并竖直放置，为托盘101测量垂向位置信息，从而确定托盘101的垂向位置。
如图1、2、5和6所示，磁浮重力补偿装置102固定安装在旋转台104和底板103之间，用于补偿音圈电机108所承受的垂向负载，提高整个微动台的垂向运动性能。具体地，如图6所示，磁浮重力补偿装置102包括内磁环支架1021、内磁环1022、外磁环1023、以及外磁环座1024。其中内磁环支架1021包括圆柱形杆部1021a和位于杆部顶部的圆盘状头部1021b。内磁环1022套设在内磁环支架1021的圆柱形杆部1021a的外周表面上。而圆盘状头部1021b固定安装在旋转台上，具体地在安装孔1043中，安装孔1043为沉孔。外磁环座1024呈圆筒状，而外磁环1023嵌入在外磁环座1024的内表面内。内磁环1022与外磁环1023之间形成环形间隙。内磁环1022的磁极方向沿轴向(Z向)向上，而外磁环1023的磁极方向沿径向向外。但应理解，内磁环1022的磁极方向可沿轴向向下，而外磁环1023的磁极方向沿径向向内。通过内磁环1022与外磁环1023之间的磁力，能够将内磁环支架1021上推，从而对旋转台施加向上的托举力，使得该托举力大致等于音圈电机108所承受的垂向负载。
在本实施例中，磁浮重力补偿装置102的数量为3个，布置成彼此相距120度，具体地，布置在旋转台104的相距120°的三个角部上。但应该理解，本发明也可采用4个磁浮重力补偿装置102，其之间相距90°，如图7所示。
图8示出了本发明的另一变型实施例。在前述实施例中采用了音圈电机108和磁浮重力补偿装置102为两个分开装置的方案，其中音圈电机108布置在旋转台104的中心，沿Z轴方向推动托盘101，通过布置在外周的磁浮重力补偿装置102(四角布置或者三角布置)给音圈电机108提供重力补偿。而本实施例采用音圈电机和磁浮重力补偿装置组合在一起的一体式结构202，其布置在旋转台104的中心。具体地，音圈电机的定子2021外表面套设有内磁环2022，而电机线圈2024外周套设有外磁环2023。因此，音圈电机定子2021兼作内磁环支架，而电机线圈2024兼作外磁环支架。从而该一体式结构既用作一方面能通过内磁环2022与外磁环2023之间的磁力产生悬浮力，补偿音圈电机的重力，另一方面能通过线圈切割磁场产生洛伦兹力，为沿Z向运动的托盘101提供垂直运动的驱动力。
如图9所示，提供了一种运动装置，可包括底座301、XY二维运动机构和微动台100，其中X、Y、Z的方向如图所示。在一具体实施例中，底座301由大理石制成。XY二维运动机构可包括Y导轨302a、302b、Y直线电机303、Y位置测量装置304、Y导轨支座305、X直线电机306a、306b、X位置测量装置307、X电机支座308a、308b、X导轨309a、309b等。Y导轨302a、302b沿Y方向布置在两个Y导轨支座305的两侧，且Y导轨302a、302b上的滑块和微动台100的底板103固定连接，从而为微动台100的Y向运动提供导向。Y直线电机303的定子固定在两个Y导轨支座305的中间，且Y直线电机303的动子和微动台100的底板103固定连接，为微动台100的Y向运动提供驱动力。Y位置检测装置304优选为光栅尺，固定在Y导轨支座305的一侧，为微动台100的Y向运动提供位置信息。X导轨309a、309b沿X方向固定在大理石底座301的两侧，且X导轨309a、309b的滑块与Y导轨支座305固定连接，为微动台100提供X向运动导向。X电机支座308a、308b固定在大理石底座301的两侧，位于X导轨309a、309b外侧上，X直线电机306a、306b的定子固定安装在X电机支座308a、308b上，且X直线电机306a、306b的动子和Y导轨支座305固定连接，为微动台100提供X向运动的驱动力。X位置检测装置307优选为光栅尺，固定在X电机支座308a、308b的一侧，为微动台100的X向运动提供位置信息。优选地，Y直线电机303和X直线电机306a、306b为无铁芯直线电机。应该理解，XY二维运动机构也可以采用其它构型，例如，X向运动机构和Y向运动机构可以互换。
本发明通过将垂向运动装置和旋转运动装置组成彼此嵌套结构，解决了现有技术中微动台的垂向尺寸偏大的问题，实现扁平化设计；通过设置垂向导轨，解决了现有技术中垂向运动导向刚度偏低的问题，并且通过设置磁浮重力补偿机构，解决了现有技术中垂向运动精度偏低的问题。
以上已详细描述了本发明的优选实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种微动台，包括：
托盘，所述托盘的上表面设有让位槽，所述让位槽在转移所述托盘上物品时至少部分地容纳机械手；
旋转台，所述旋转台位于所述托盘下方，所述旋转台的上表面设有环形上部凹腔，所述旋转台的下表面设有下部凹腔，其中所述环形上部凹腔与所述下部凹腔在垂直于所述旋转台的上表面的投影方向上的投影相互错开；
旋转电机，所述旋转电机容纳在所述环形上部凹腔内，所述旋转电机包括旋转电机动子和旋转电机定子，所述旋转电机定子相对于所述旋转台固定，所述旋转电机动子相对于所述托盘固定；
垂直移动装置，所述垂直移动装置位于所述下部凹腔内并构造成能够驱动所述旋转台垂直移动；
浮动重力补偿装置，所述浮动重力补偿装置位于所述下部凹腔内并构造成能够对所述旋转台进行重力补偿。
2.如权利要求1所述的微动台，其特征在于，所述垂直移动装置和所述浮动重力补偿装置彼此集成并位于所述下部凹腔内。
3.如权利要求1所述的微动台，其特征在于，所述下部凹腔包括多个下部凹腔，所述垂直移动装置和所述浮动重力补偿装置分别位于不同的下部凹腔内。
4.如权利要求1或3所述的微动台，其特征在于，所述浮动重力补偿装置为磁浮重力补偿装置。
5.如权利要求4所述的微动台，其特征在于，所述浮动重力补偿装置为气浮重力补偿装置。
6.如权利要求3所述的微动台，其特征在于，所述多个下部凹腔包括中心凹腔和周部凹腔，所述中心凹腔的平面位置由所述环形上部凹腔所围绕，并用于容纳所述垂直移动装置；所述周部凹腔位于所述环形上部凹腔的外周，并用于容纳所述浮动重力补偿装置。
7.如权利要求1所述的微动台，其特征在于，所述垂直移动装置包括音圈电机，所述音圈电机安装在旋转台中，以及所述托盘为真空卡盘装置。
8.根据权利要求6所述的微动台，其特征在于，所述下部凹腔包括三个或四个周部凹腔，每个所述周部凹腔容纳一个浮动重力补偿装置。
9.根据权利要求2所述的微动台，其特征在于，所述微动台还包括垂向导轨，所述垂向导轨包括导套、若干滚针和导柱，所述导柱固定在底板上，所述导套固定在所述旋转台上并套设在所述导柱上，若干滚针安装在所述导套和所述导柱之间。
10.一种运动装置，其特征在于，包括底座、XY二维运动机构和微动台，所述微动台为如权利要求1至9中任一项所述的微动台，所述XY二维运动机构固定安装在所述底座上，所述微动台的底座固定安装在所述XY二维运动机构的X向滑块或Y向滑块上，以能进行XY二维运动。
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