CN111769033A - 一种真空腔中器件的更换装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空腔中器件的更换装置，包括真空腔和缓冲腔，所述真空腔中包括器件、以及对器件进行固定的至少三个可伸缩的第一限位单元；所述缓冲腔中包括抓手以及连接在抓手上的至少三个夹爪，所述夹爪的前端连接第二限位单元，所述夹爪可以带动第二限位单元进行伸缩；所述第二限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ；所述真空阀打开时，所述缓冲腔和真空腔连通，当抓手接触器件时，所述限位卡Ⅲ均匀分布在器件的背面，所述限位卡Ⅳ均匀分布在器件的侧面；所述抓手将真空腔中器件取出至缓冲腔，并将缓冲腔中的替换件放置在真空腔中；本发明提供的一种真空腔中器件的更换装置，可以减少停机时间，提高设备的利用率。

Description

一种真空腔中器件的更换装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种真空腔中器件的更换装置。

背景技术

半导体装置中很多器件需要工作在真空腔中，而在真空腔中工作的器件一旦需要更换就需要停机，并将真空腔放气到大气压，才能进行器件更换。例如，13.5nm极紫外光可以由多种不同的光源(如同步辐射，自由电子激光，等离子体源等)产生。其中，等离子体源产生等离子体需要采用几种不同的燃料，如氙气、锂和锡等。等离子体源产生等离子体包括如下两种机理：激光产生等离子体(laser-produced plasma，LPP)和放电产生等离子体(Discharge Produced Plasma，DPP)。如附图1所示为LPP等离子体产生的示意图，锡(Sn)液滴被注入椭球面聚光镜的主焦点，并用高功率CO₂脉冲激光加热到等离子体状态。然后，锡等离子体发射带内极紫外光，由聚光镜成像到中间聚焦点(IF)点，极紫外光进入照明系统。在锡滴辐射极紫外光的同时，本身也会因为被激光迅速加热到几十万度而爆炸飞溅，聚光镜也因此会被沾污。

工业界一般采用的方法如附图2所示，用氢气在聚光镜表面喷射来阻挡飞溅的物质，在聚光镜上沉积的锡被H自由基气体刻蚀形成SnH4,然后被真空抽走。但长期使用，仍然会对聚光镜造成沾污损伤，如附图3所示，因此聚光镜必须定期更换。更换时需要停机，并且将高真空腔放气到大气压。现有的聚光镜的更换过程严重影响光刻机的利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空腔中器件的更换装置及方法，可以减少停机时间，提高设备的利用率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明提供的一种真空腔中器件的更换装置，包括真空腔和缓冲腔，且真空腔和缓冲腔之间通过真空阀隔离；所述真空腔中包括器件、以及对器件进行固定的至少三个可伸缩的第一限位单元；所述第一限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅰ和限位卡Ⅱ，所述限位卡Ⅰ均匀分布在所述器件的背面，所述限位卡Ⅱ均匀分布在所述器件的侧面；

所述缓冲腔中包括抓手以及连接在抓手上的至少三个夹爪，所述夹爪的前端连接第二限位单元，所述夹爪可以带动第二限位单元进行伸缩；所述第二限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ；

所述真空阀打开时，所述缓冲腔和真空腔连通；当抓手接触器件时，所述限位卡Ⅲ均匀分布在器件的背面，所述限位卡Ⅳ均匀分布在器件的侧面；所述抓手将真空腔中器件取出至缓冲腔，并将缓冲腔中的替换件放置在真空腔中。

进一步地，其中一个第一限位单元位于所述器件的顶端，该第一限位单元的末端连接伸缩杆的一端，所述伸缩杆的另一端连接驱动器，所述驱动器驱动所述伸缩杆带动所述第一限位单元进行伸缩。

进一步地，所述伸缩杆为丝杆，且所述驱动器为电磁驱动器；或者所述伸缩杆为活塞，且所述驱动器为气压驱动器。

进一步地，所述真空腔中还包括可移动的载具，所述载具上固定两个第一限位单元。

进一步地，所述夹爪连接伺服电机，所述伺服电机带动夹爪以及夹爪上的第二限位单元进行伸缩。

进一步地，所述限位卡Ⅰ、限位卡Ⅱ、限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ与所述器件的接触面上还包括压力传感器。

进一步地，所述器件为聚光镜，所述聚光镜的正面为环状凹槽，所述第一限位单元和第二限位单元均为三个，三个第一限位单元相对于聚光镜中心呈120°均匀分布；三个第二限位单元相对于抓手末端呈120°均匀分布；

一种真空腔中器件进行更换的方法，包括如下步骤：

S01：设置缓冲腔中真空度与真空腔中真空度相同，真空阀门打开；抓手从缓冲腔移动至真空腔，使得第二限位单元均匀分布在器件周围；

S02：夹爪带动第二限位单元朝着器件方向移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面，限位卡Ⅳ接触器件侧面；

S03：位于器件顶端的第一限位单元朝着远离器件方向移动，夹爪带动第二限位单元继续朝着器件方向移动，使得器件被第二限位单元固定；

S04：所述抓手带动器件移动至缓冲腔。

进一步地，所述步骤S02具体包括：

S021：载具带动第一限位单元和器件向前移动，使得夹爪移动至器件正后方；

S022：载具带动第一限位单元和器件向后移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面；

S023：夹爪带动第二限位单元朝着器件方向移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面，限位卡Ⅳ接触器件侧面。

进一步地，所述步骤S03具体包括：

S031：位于器件顶端的第一限位单元朝着远离器件方向移动；

S032：夹爪带动第二限位单元继续朝着器件方向移动，限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ表面的压力传感器用于监测压力，通过力的闭环控制调节限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ对器件的夹持力，使得限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ固定器件；

S033：载具带动底部的第一限位单元向后移动，使得器件脱离底部的第一限位单元。

本发明具有如下有益效果：本发明中抓取器件的夹爪由伺服电极驱动，同时还可以进行编程控制夹爪的伸缩，实现多点定位以及精准定位；本发明中限位卡与压力传感器固定在一起，共同与器件接触，以实现力的闭环控制，使得限位卡对器件的夹持力精度可以达到0.01N；本发明可以实现真空腔中器件的快速更换，减少停机时间，提高设备利用率。

附图说明

附图1为激光产生等离子体发出极紫外光示意图；

附图2为聚光镜上氢气和溅射的锡液滴反应示意图；

附图3为聚光镜被沾污示意图；

附图4为其中一种真空腔中器件更换装置的结构示意图；

附图5为真空腔中第一限位单元示意图；

附图6为抓手移动至真空腔中示意图；

附图7为载具前移示意图；

附图8为第二限位单元接触器件示意图；

附图9为位于器件顶端的第一限位单元松开示意图；

附图10为第二限位单元继续朝着器件方向移动示意图；

附图11为载具后退示意图；

附图12为第二限位单元固定器件示意图；

附图13为第二限位单元带动器件移出示意图。

图中：1真空腔，11聚光镜，12锡滴发生器，13载具，14限位卡Ⅰ，15限位卡Ⅱ，16驱动器，17伸缩杆，18弹簧，19托板，2缓冲腔，21抓手，22夹爪，24限位卡Ⅲ，25限位卡Ⅳ，3真空阀，4压力传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图4所示，一种真空腔中器件的更换装置，包括真空腔1和缓冲腔2，且真空腔1和缓冲腔2之间通过真空阀3隔离；真空阀3打开时，缓冲腔2和真空腔1连通，真空阀3关闭时，缓冲腔2和真空腔1彼此独立。位于真空腔中的器件需要进行更换时，可以先将替换件放置在缓冲腔中，再将缓冲腔的真空度调节至与真空腔相同，最后打开真空阀，将替换件替换真空腔中的器件。

如附图4所示，为产生极紫外光的真空等离子体腔室，包括聚光镜11、锡滴发生器12等。其中，聚光镜11在被沾污的时候需要被更换。现有技术中位于真空腔中的器件均可以采用本发明装置进行更换。

请参阅附图5，本发明中真空腔内包括器件、以及对器件进行固定的至少三个可伸缩的第一限位单元；第一限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅰ14和限位卡Ⅱ15，限位卡Ⅰ14均匀分布在器件的背面，限位卡Ⅱ15均匀分布在器件的侧面。如附图5所示，具体可以使得同一个第一限位单元中限位卡Ⅰ和限位卡Ⅱ的底端共同固定在载具或者伸缩杆上，同时，限位卡Ⅱ的顶端低于限位卡Ⅰ的顶端，假设器件的正面为前方，器件的背面为后方，则限位卡Ⅱ位于限位卡Ⅰ的前方，限位卡Ⅱ的高度低于限位卡Ⅰ的高度，使得限位卡Ⅱ正好接触器件侧面，限位卡Ⅰ正好接触器件背面。同时，器件优选为圆形器件，第一限位单元以器件中心为圆心，均匀分布在器件边缘。本发明中限位卡Ⅰ和限位卡Ⅱ与器件的接触面上均固定压力传感器4，每个限位卡对应的压力传感器4上设置的压力理论阈值相同，但实际测量值稍有不同，具体由力的闭环控制。压力传感器4用于监测限位卡对器件的夹持力，其监测到的值与提前设置的参照值进行对比，并根据对比结果，控制限位卡的伸缩。

请继续参阅附图5，具体地，其中一个第一限位单元位于器件的顶端，该第一限位单元的末端连接伸缩杆17的一端，伸缩杆17的另一端连接驱动器16，驱动器16驱动伸缩杆17带动第一限位单元进行伸缩，伸缩杆伸缩的过程即为该第一限位单元伸出或者缩回的过程，也就是该第一限位单元固定或者松开器件的过程，伸缩杆的外侧可以缠绕弹簧18。具体地，伸缩杆为丝杆，驱动器为电磁驱动器，或者伸缩杆为活塞，驱动器为气压驱动器。位于器件顶端的第一限位单元也可以前后移动，当其固定器件时，可以跟随载具同时进行前后移动。

请继续参阅附图5和6，真空腔中还包括可移动的载具13，载具13上固定两个第一限位单元，载具在真空腔中可以前后移动，这里的前后指的是平行于聚光镜正面和背面的前后方向，载具移动时带动第一限位单元以及聚光镜进行同步移动，其目的主要是为了与伸入真空腔中的抓手错开。载具上的两个第一限位单元可以固定在托板19上，且托板19可以升降，进而带动第一限位单元进行伸缩，使得第一限位单元对器件具有不同的夹持力。托板的升降可以采用现有技术中任意升降的装置进行实现。

请参阅附图6，缓冲腔中包括抓手21以及连接在抓手上的至少三个夹爪22，夹爪22的前端连接第二限位单元，夹爪可以带动第二限位单元进行伸缩。夹爪以抓手末端为圆心均匀分布。抓手连接电机，电机带动抓手在真空腔和缓冲腔之间进行移动。每个夹爪连接一个伺服电机，伺服电机带动对应的夹爪进行伸缩，夹爪的伸缩具有可编程控制的功能，能够实现多点定位，只需改变控制程序即可，本发明中抓夹至少具有两个以上的位置终端，分别对应限位卡Ⅲ接触至器件背面的位置(附图8对应位置)以及限位卡Ⅲ固定器件的位置(附图10对应位置)。本发明采用永磁伺服电机可以实现精准的定位，具体可以精确到0.01mm。本发明采用永磁伺服电机控制夹爪，使得夹爪的加减速可控，对器件的冲击可以减至最小，且第二限位单元对器件的夹持力可以调整，使得夹持力可以精确到0.01N。

第二限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅲ24和限位卡Ⅳ25；当抓手21接触器件时，限位卡Ⅲ24均匀分布在器件的背面，限位卡Ⅳ25分布在器件的侧面；第一限位单元和第二限位单元同时接触器件时，第一限位单元和第二限位单元不重合。第二限位单元的结构与第一限位单元的结构基本相同，具体可以使得同一个第二限位单元中限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ的底端共同连接在夹爪末端，同时，限位卡Ⅳ的顶端低于第二限位卡的顶端，假设器件的正面为前方，器件的背面为后方，则限位卡Ⅳ位于限位卡Ⅲ的前方，限位卡Ⅳ的高度低于限位卡Ⅲ的高度，使得限位卡Ⅳ正好接触器件侧面，限位卡Ⅲ正好接触器件背面。同时，由于器件为圆形器件，第二限位单元以抓手末端中心为圆心，均匀分布在抓手末端周围。

本发明中限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ与器件的接触面上均固定压力传感器，每个限位卡对应的压力传感器上设置的压力理论阈值相同，但实际测量值稍有不同，具体由力的闭环控制。

本发明中器件可以但不限于为聚光镜，聚光镜的正面为环状凹槽，第一限位单元和第二限位单元均为三个，三个第一限位单元相对于聚光镜中心，呈120°均匀分布；三个第二限位单元相对于抓手末端，呈120°均匀分布；

一种采用上述装置对真空腔中器件进行更换的方法，包括如下步骤：

S01：如附图6所示，设置缓冲腔中真空度与真空腔中真空度相同，真空阀门打开；抓手21从缓冲腔移动至真空腔，具体的，抓手21上的夹爪22位于器件的背面，且夹爪及其连接的第二限位单元均匀分布在器件周围；

S02：夹爪带动第二限位单元朝着器件方向移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面，限位卡Ⅳ接触器件侧面；

S021：如附图7所示，载具13带动第一限位单元和器件向前移动，使得夹爪移动至器件的正后方；

S022：如附图8所示，载具13带动第一限位单元和器件向后移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面；

S023：伺服电机带动夹爪以及第二限位单元朝着器件方向移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面，限位卡Ⅳ接触器件侧面，此时限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ与器件接触面上的压力传感器监测的压力数值达到第一阈值要求。此时夹爪的位置为第一定位点，在该位置上，限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ接触器件，但限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ对器件的夹持力并不大，不足以固定器件。

S03：第一限位单元朝着远离器件方向移动，使得器件被第二限位单元固定；具体包括：

S031：如附图9所示，位于器件顶端的第一限位单元朝着远离器件方向移动，此时，仅剩底部的第一限位单元对器件有夹持力，底部的两个第一限位单元对器件的夹持力保持不变，确保器件不会悬空；当位于顶端的第一限位单元撤走之后，位于底部的第一限位单元的位置以及其对器件的夹持力并不会改变。

S032：如附图10所示，夹爪带动第二限位单元继续朝着器件方向移动，直至限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ与器件接触面上的压力传感器监测的压力数值达到第二压力阈值要求，通过力的闭环控制调节限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ对器件的夹持力，使得限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ固定器件。注意：第二压力阈值要大于第一压力阈值，此时夹爪的位置为第二定位点，在该位置上，限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ接触并固定器件，即此时限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ对器件的夹持力使得器件被固定。

S033：如附图11所示，载具13带动器件底部的第一限位单元向后移动，由于底部的第一限位单元是固定在载具上的，载具可以带动其向后移动，而此时的器件被第二限位单元固定，不会发生移动。

S04：如附图12所示，抓手21带动器件移动至缓冲腔。抓手将替换件放置在真空腔中的过程与上述抓取器件过程方法相同。

本发明中抓取器件的夹爪由伺服电极驱动，同时还可以进行编程控制夹爪的伸缩，实现多点定位以及精准定位；本发明中限位卡与压力传感器固定在一起，共同与器件接触，以实现力的闭环控制，使得限位卡对器件的夹持力精度可以达到0.01N；本发明可以实现真空腔中器件的快速更换，减少停机时间，提高设备利用率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，包括真空腔和缓冲腔，且真空腔和缓冲腔之间通过真空阀隔离；所述真空腔中包括器件、以及对器件进行固定的至少三个可伸缩的第一限位单元；所述第一限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅰ和限位卡Ⅱ，所述限位卡Ⅰ均匀分布在所述器件的背面，所述限位卡Ⅱ均匀分布在所述器件的侧面；

所述缓冲腔中包括抓手以及连接在抓手上的至少三个夹爪，所述夹爪的前端连接第二限位单元，所述夹爪可以带动第二限位单元进行伸缩；所述第二限位单元包括固定在一起的限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ；

所述真空阀打开时，所述缓冲腔和真空腔连通；当抓手接触器件时，所述限位卡Ⅲ均匀分布在器件的背面，所述限位卡Ⅳ均匀分布在器件的侧面；所述抓手将真空腔中器件取出至缓冲腔，并将缓冲腔中的替换件放置在真空腔中。

2.根据权利要求1所述的一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，其中一个第一限位单元位于所述器件的顶端，该第一限位单元的末端连接伸缩杆的一端，所述伸缩杆的另一端连接驱动器，所述驱动器驱动所述伸缩杆带动所述第一限位单元进行伸缩。

3.根据权利要求2所述的一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，所述伸缩杆为丝杆，且所述驱动器为电磁驱动器；或者所述伸缩杆为活塞，且所述驱动器为气压驱动器。

4.根据权利要求2所述的一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，所述真空腔中还包括可移动的载具，所述载具上固定两个第一限位单元。

5.根据权利要求1所述的一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，所述夹爪连接伺服电机，所述伺服电机带动夹爪以及夹爪上的第二限位单元进行伸缩。

6.根据权利要求1所述的一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，所述限位卡Ⅰ、限位卡Ⅱ、限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ与所述器件的接触面上还包括压力传感器。

7.根据权利要求1所述的一种真空腔中器件的更换装置，其特征在于，所述器件为聚光镜，所述聚光镜的正面为环状凹槽，所述第一限位单元和第二限位单元均为三个，三个第一限位单元相对于聚光镜中心呈120°均匀分布；三个第二限位单元相对于抓手末端呈120°均匀分布。

8.一种采用权利要求1装置对真空腔中器件进行更换的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：设置缓冲腔中真空度与真空腔中真空度相同，真空阀门打开；抓手从缓冲腔移动至真空腔，使得第二限位单元均匀分布在器件周围；

S02：夹爪带动第二限位单元朝着器件方向移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面，限位卡Ⅳ接触器件侧面；

S03：位于器件顶端的第一限位单元朝着远离器件方向移动，夹爪带动第二限位单元继续朝着器件方向移动，使得器件被第二限位单元固定；

S04：所述抓手带动器件移动至缓冲腔。

9.根据权利要求8所述的一种真空腔中器件的更换方法，其特征在于，所述步骤S02具体包括：

S021：载具带动第一限位单元和器件向前移动，使得夹爪移动至器件正后方；

S022：载具带动第一限位单元和器件向后移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面；

S023：夹爪带动第二限位单元朝着器件方向移动，使得限位卡Ⅲ接触器件背面，限位卡Ⅳ接触器件侧面。

10.根据权利要求8所述的一种真空腔中器件的更换方法，其特征在于，所述步骤S03具体包括：

S031：位于器件顶端的第一限位单元朝着远离器件方向移动；

S032：夹爪带动第二限位单元继续朝着器件方向移动，限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ表面的压力传感器用于监测压力，通过力的闭环控制调节限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ对器件的夹持力，使得限位卡Ⅲ和限位卡Ⅳ固定器件；

S033：载具带动底部的第一限位单元向后移动，使得器件脱离底部的第一限位单元。

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