CN117954375B - 用于双轴平台的旋转驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于双轴平台的旋转驱动装置，该双轴平台包括平台底座、位于该平台底座上方的晶圆吸盘组件、以及位于该平台底座下方的垂向驱动模块，该垂向驱动模块能够驱动该晶圆吸盘组件进行垂向运动，其中该旋转驱动装置包括：位于该平台底座上的直驱模块，该直驱模块能够随该平台底座进行垂向运动，并且能够通过进行直线运动来带动该晶圆吸盘组件进行旋转运动；以及五自由度部件，该五自由度部件连接在该直驱模块与该晶圆吸盘组件之间并且具有Z向自由度、Rx向自由度、Ry向自由度、X向自由度和Rz向自由度。

Description

用于双轴平台的旋转驱动装置
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，具体涉及一种用于双轴平台的旋转驱动装置。
背景技术
在半导体设备中，需要一种能实现晶圆的垂向运动和旋转运动的双轴运动平台，其中晶圆的旋转运动由双轴运动平台的伺服电机与传动丝杠组成的直驱模块实现，并需要保证运动位置重复性精度。
在现有技术中，直驱模块中各部件的误差都会影响晶圆旋转运动的重复性精度，诸如直驱模块中旋转连接轴的圆柱度误差、旋转连接轴的安装垂直误差、卡位柔性件的滑槽精度误差等等，由此导致晶圆旋转运动的重复性误差较大。
针对现有技术的不足，期望提供一种改进的用于双轴平台的旋转驱动装置，以减少晶圆运动的重复性误差。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更详细描述之序言。
本发明提供了一种用于双轴平台的旋转驱动装置，该双轴平台包括平台底座、位于该平台底座上方的晶圆吸盘组件、以及位于该平台底座下方的垂向驱动模块，该垂向驱动模块能够驱动该晶圆吸盘组件进行垂向运动，其中该旋转驱动装置包括：位于该平台底座上的直驱模块，该直驱模块能够随该平台底座进行垂向运动，并且能够通过进行直线运动来带动该晶圆吸盘组件进行旋转运动；以及五自由度部件，该五自由度部件连接在该直驱模块与该晶圆吸盘组件之间并且具有Z向自由度、Rx向自由度、Ry向自由度、X向自由度和Rz向自由度。
在一些实施例中，五自由度部件的Z向自由度用于双轴平台的垂向运动，Rx向自由度和Ry向自由度用于晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动的解耦，X向自由度和Rz向自由度用于直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦。
在一些实施例中，直驱模块包括：伺服电机、传动丝杠、滑块、直线导轨，传动丝杠连接在伺服电机与滑块之间，其中当伺服电机旋转时带动传动丝杠，从而驱动滑块在直线导轨上进行直线运动以带动晶圆吸盘组件进行旋转运动。
在一些实施例中，五自由度部件为五自由度柔性件。
在一些实施例中，五自由度柔性件具有刚性的Y轴。
在一些实施例中，五自由度柔性件是通过对柔性件施加线切割工艺来实现的。
在一些实施例中，五自由度部件包括四自由度柔性件和沿Z轴运动的第二直线导轨，其中四自由度柔性件具有Rx向自由度、Ry向自由度、X向自由度和Rz向自由度，第二直线导轨的一端连接四自由度柔性件，另一端连接晶圆吸盘组件。
在一些实施例中，第二直线导轨在Z轴上的行程满足预设条件。
在一些实施例中，四自由度柔性件的Rx向自由度和Ry向自由度用于晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动的解耦，X向自由度和Rz向自由度用于直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦。
本发明还提供了利用前述旋转驱动装置来驱动双轴平台的方法，包括：将晶圆置于双轴平台的晶圆吸盘组件上；启动该双轴平台的垂向驱动模块，以使该晶圆吸盘组件进行垂向运动；以及启动该旋转驱动装置的直驱模块的伺服电机，以使该直驱模块进行直线运动以带动该晶圆吸盘组件进行旋转运动，其中在该晶圆吸盘组件的垂向运动和旋转运动过程中，该旋转驱动装置的五自由度部件使该晶圆吸盘组件与该直驱模块之间的垂向运动解耦，并使该直驱模块的直线运动与该晶圆吸盘组件的旋转运动解耦。
本发明的旋转驱动装置引入五自由度部件，可实现晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动的解耦以及直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦，有效减少影响晶圆运动的重复性的因素，提高晶圆运动的重复性精度。
附图说明
结合附图理解下面阐述的详细描述时，本发明的特征、本质和优点将变得更加明显。在附图中，相同附图标记始终作相应标识。要注意，所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些部件的尺寸可放大并且出于解说性的目的不按比例绘制。
图1示出了常规双轴平台的系统示意图。
图2示出了常规双轴平台的旋转驱动结构。
图3示出了本发明的双轴平台的系统示意图。
图4示出了本发明的旋转驱动装置的结构示意图。
图5示出了本发明的五自由度部件的第一示例的立体视图。
图6示出了本发明的五自由度部件的第一示例的平面视图。
图7示出了本发明的五自由度部件的第二示例。
图8示出了利用本发明的旋转驱动装置来驱动双轴平台的示例方法。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明进一步详细说明。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对所描述的示例性实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所描述的实施例。在其它示例性实施例中，没有详细描述公知的结构，以避免不必要地模糊本公开的概念。应当理解，本文所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。同时，在不冲突的情况下，实施例所描述的各个方面可以任意组合。
本发明的旋转驱动装置使用五自由度部件来连接直驱模块和晶圆吸盘组件，五自由度部件唯一的刚性轴用于保证直驱模块的直线运动转换成旋转运动的功能需求，五个自由度用于平台垂向运动需求及安装解耦需求，柔性件重复性佳的特性保证旋转轴的运动精度。
图1示出了常规双轴平台的系统示意图100。
如图1所示，常规双轴平台主要包括晶圆吸盘组件（101）、平台底座（104）、垂向驱动模块（105）、以及旋转驱动结构（103）。
晶圆吸盘组件（101）位于平台底座（104）上方并经由旋转轴（102）连接至平台底座（104）。垂向驱动模块（105）位于平台底座下方，旋转驱动结构（103）位于平台底座（104）上。
垂向驱动模块（105）能够驱动晶圆吸盘组件（101）进行垂向运动。
例如，垂向驱动模块（105）可以是垂向电机。通过启动垂向电机，可以使平台底座（104）在垂直方向（在本文中为Z轴方向）上移动（例如，向上移动），从而带动晶圆吸盘组件（101）随平台底座（104）一起在垂直方向上移动。
旋转驱动结构（103）可以进行直线运动并通过直线运动来带动晶圆吸盘组件（101）进行旋转运动。
图2示出了常规双轴平台的旋转驱动结构200。图2中的旋转驱动结构对应于图1中的旋转驱动结构（103）。
如图2所示，旋转驱动结构200主要包括旋转连接轴（201）、拉紧弹簧（202）、卡位柔性件（203）、滑块（204）、直线导轨（205）、传动丝杠（206）、以及伺服电机（207）。
当垂向驱动模块（诸如图1中的105）带动晶圆吸盘组件进行垂向运动时，旋转连接轴（201）始终卡在卡位柔性件（203）内不脱离。
当伺服电机（207）启动后，带动传动丝杠（206），进而驱动滑块（204）在直线导轨（205）上进行直线运动。由此，卡位柔性件（203）沿直线方向推动旋转连接轴（201），进而带动晶圆吸盘组件进行旋转运动，同时拉紧弹簧（202）保证加持紧固状态。
从图2中可以看出，常规双轴平台中的旋转驱动结构涉及多个内部组件/模块，而这些组件/模块的误差很可能影响晶圆吸盘组件的旋转运动的重复性精度，诸如旋转连接轴的圆柱度误差、旋转连接轴的安装垂直度误差、卡位柔性件的滑槽精度误差、伺服电机的传动误差等等。
由此可见，常规双轴平台中的旋转驱动结构影响晶圆吸盘组件的旋转运动的重复性精度的因素较多，导致晶圆吸盘组件的旋转运动的重复性误差较大。
图3示出了本发明的双轴平台的系统示意图300。
如图3所示，本发明的双轴平台主要包括晶圆吸盘组件（301）、平台底座（305）、垂向驱动模块（306）、直驱模块（304）、以及五自由度部件（303）。
垂向驱动模块（306）位于平台底座（305）下方，晶圆吸盘组件（301）位于平台底座（305）上方并经由旋转轴（302）连接至平台底座（305）。
直驱模块（304）位于平台底座（305）上，并且当垂向驱动模块（306）启动时，直驱模块（304）能够随平台底座（305）一起进行垂向运动。同时，直驱模块（304）能够进行直线运动以带动晶圆吸盘组件（301）进行旋转运动。
如图所示，五自由度部件（303）连接在直驱模块（304）与晶圆吸盘组件（301）之间。在本申请中，将直驱模块（304）和五自由度部件（303）统称为“旋转驱动装置”，以用于驱动晶圆吸盘组件进行旋转运动，同时保证旋转运动位置重复性精度。
图4示出了本发明的旋转驱动装置的结构示意图400。
如图4所示，旋转驱动装置主要包括五自由度部件（401）和直驱模块。直驱模块主要包括伺服电机（405）、传动丝杠（404）、直线导轨（403）、滑块（402）。
从图4中可以看出，本发明的旋转驱动装置与现有技术中的旋转驱动结构（诸如图2中的旋转驱动结构200）的区别主要在于本发明的旋转驱动装置中引入了五自由度部件（401），代替了现有技术的旋转驱动结构中的卡位柔性件（诸如图2中的203）至旋转连接轴（诸如图2中的201）的部分。由此，本发明的旋转驱动装置可以有效消除旋转连接轴的圆柱度误差、旋转连接轴的安装垂直度误差和卡位柔性件的滑槽精度误差这三项误差，从而提高晶圆旋转运动的重复性精度。
以下结合图5-图7详细描述五自由度部件的具体示例。
图5示出了本发明的五自由度部件的第一示例的立体视图500。
为了便于解说，图5中示出了示例性的XYZ坐标系和X、Y和Z轴方向。
在本申请中，五自由度部件具有以下五个自由度：Z向自由度、Rx向自由度、Ry自由度、X向自由度、Rz向自由度。
在各实施例中，Z向自由度用于双轴平台的垂向运动，Rx向自由度和Ry向自由度用于晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动的解耦，X向自由度和Rz向自由度用于直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦。
通过解耦，可以使晶圆吸盘组件的垂向运动和旋转运动独立于直驱模块的垂向运动和直线运动。由此，直驱模块的垂向运动和直线运动的偏差不会影响晶圆吸盘组件的垂向运动和旋转运动，从而保证晶圆吸盘组件（以及设置于其上的晶圆）的运动重复性精度。
在一些实施例中，五自由度部件具有刚性的Y轴，以保证双轴平台旋转运动的重复性精度。
在本申请的一些实施例中，五自由度部件可以是五自由度柔性件，如图5中所示。在具体实现中，五自由度柔性件可以通过对柔性件施加线切割工艺来实现。
如图5中所示，在X-Z平面中示出了一切割图案，该切割图案使得柔性件具有Ry向自由度。
如图5中进一步所示，在X-Y平面中示出了另一切割图案，该切割图案使得柔性件具有X向自由度和Rz向自由度。
另外，在Y-Z平面中示出了又一切割图案，该切割图案使得柔性件具有Z向自由度和Rx向自由度。
为了更清楚地解说图5中的五自由度柔性件，下面结合图6示出了五自由度柔性件的平面视图600。
如图所示，图6的右上角示出了五自由度柔性件的整体示意图，其可以对应于图5中的五自由度柔性件。为便于解说，图6中的坐标系与图5中的坐标系相同。
图6的左上角、左下角和右下角分别示出了从不同角度观察五自由度柔性件的侧视图。
具体而言，图6的左上角示出了面向X-Z平面观察到的五自由度柔性件的侧视图。图6的左下角示出了面向Y-Z平面观察到的五自由度柔性件的侧视图。图6的右下角示出了面向X-Y平面观察到的五自由度柔性件的侧视图。
通过上述各个角度的侧视图，可以更好地理解五自由度柔性件的切割方式。
应注意，图5和图6中所示出的切割方式仅是示例性的而非限制性的。在实际实现中，本领域技术人员可以采用不同的切割方式（例如，与图5和图6不同的切割图案）来切割柔性件。
以图6的右下角所示的切割图案为例，该切割图案包括左边的直线状图案以及右边的曲线状图案，以实现X向自由度和Rz向自由度。在实际实现中，本领域技术人员也可以将该切割图案设计成左边为曲线状图案而右边为直线状图案。或者，在另外一些实现中，也可以采用与图6右下角所示的切割图案不同形状的切割图案来实现X向自由度和Rz向自由度。
图7示出了本发明的五自由度部件的第二示例的示意图700。
在使用图5和图6中所示的五自由度柔性件的情况下，沿Z轴的行程可能较小。对此，在一些实现中，可以将五自由度柔性件替换成四自由度柔性件加上沿Z轴运动的直线导轨，以增大沿Z轴的行程。
如图7所示，五自由度部件包括四自由度柔性件（701）和沿Z轴运动的第二直线导轨（702）。
四自由度柔性件（701）具有如下四个自由度：Rx向自由度、Ry向自由度、X向自由度和Rz向自由度，其中Rx向自由度和Ry向自由度用于晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动的解耦，X向自由度和Rz向自由度用于直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦。
如图7中所示，X-Y平面上的切割图案实现X向自由度和Rz向自由度，该切割图案可以与图5和图6中的切割图案相同或相似。
X-Z平面上的切割图案实现Ry向自由度，该切割图案可以与图5和6中的切割图案相同或相似。
Y-Z平面上的切割图案实现Rx向自由度，该切割图案为较简单的直线状图案。相比之下，图5和图6中Y-Z平面上的切割图案实现Z向自由度和Rx向自由度，且切割图案包含直线状图案和曲线状图案两者，相比于图7中Y-Z平面上的切割图案更为复杂。
应注意，图7中示出的上述各切割图案仅是示例性的而非限制性的。在实际实现中，本领域技术人员可以根据需要采用不同的切割图案来对柔性件进行切割以实现四自由度柔性件。
如图7中进一步所示，第二直线导轨（702）的一端连接四自由度柔性件（701），另一端连接晶圆吸盘组件。
在优选实施例中，第二直线导轨（702）可以被设计成使得其在Z轴上的行程满足预设条件（例如，大于特定阈值）。以此方式，可以有效增大沿Z轴的行程。
图8示出了利用本发明的旋转驱动装置来驱动双轴平台的示例方法800。
如图所示，方法800开始于步骤805。在步骤805，将晶圆置于双轴平台的晶圆吸盘组件上。例如，可以将晶圆吸附在晶圆吸盘组件上，以防止晶圆滑动或脱落。
接着，在步骤810，可以启动双轴平台的垂向驱动模块，以使晶圆吸盘组件进行垂向运动。
在启动垂向驱动模块后，平台底座将会进行垂向运动（例如，向上移动），从而带动晶圆吸盘组件以及其上的晶圆也一起进行垂向运动（例如，向上移动）。
在步骤815，可以启动旋转驱动装置的直驱模块的伺服电机，以使直驱模块进行直线运动以带动晶圆吸盘组件进行旋转运动，其中在晶圆吸盘组件的垂向运动和旋转运动过程中，旋转驱动装置的五自由度部件使晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动解耦，并使直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动解耦。
本发明的旋转驱动装置引入五自由度部件，可实现晶圆吸盘组件与直驱模块之间的垂向运动的解耦以及直驱模块的直线运动与晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦，有效减少影响晶圆运动的重复性的因素，提高晶圆运动的重复性精度。
以上结合附图阐述的详细说明描述了示例而不代表可被实现或者落在权利要求的范围内的所有示例。术语“示例”和“示例性”在本说明书中使用时意指“用作示例、实例或解说”，并不意指“优于或胜过其它示例”。
贯穿本说明书引述的“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性是包含在本发明的至少一个实施例中的。因此，这些短语的使用可以不仅仅指代一个实施例。此外，所描述的特征，结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
提供之前的描述是为了使本领域任何技术人员均能够实践本文中所描述的各种方面。对这些方面的各种修改将容易为本领域技术人员所明白，并且在本文中所定义的普适原理可被应用于其它方面。因此，权利要求并非旨在被限定于本文中所示的方面，而是应被授予与语言上的权利要求相一致的全部范围，其中对要素的单数形式的引述除非特别声明，否则并非旨在表示“有且仅有一个”，而是“一个或多个”。除非特别另外声明，否则术语“一些”指的是一个或多个。本发明通篇描述的各个方面的要素为本领域普通技术人员当前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通过引述被明确纳入于此，且旨在被权利要求所涵盖。
还应注意，这些实施例可能是作为被描绘为流程图、流图、结构图、或框图的过程来描述的。尽管流程图可能会把诸操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多操作能够并行或并发地执行。另外，这些操作的次序可被重新安排。
虽然已经说明和描述了各种实施例，但是应该理解，实施例不限于上述精确配置和组件。可以在本文公开的设备的布置、操作和细节上作出对本领域技术人员显而易见的各种修改、替换和改进而不脱离权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种用于双轴平台的旋转驱动装置，所述双轴平台包括平台底座、位于所述平台底座上方的晶圆吸盘组件、以及位于所述平台底座下方的垂向驱动模块，所述垂向驱动模块能够驱动所述晶圆吸盘组件进行垂向运动，其中所述旋转驱动装置包括：
位于所述平台底座上的直驱模块，所述直驱模块能够随所述平台底座进行垂向运动，并且能够通过进行直线运动来带动所述晶圆吸盘组件进行旋转运动；以及
五自由度部件，所述五自由度部件连接在所述直驱模块与所述晶圆吸盘组件之间并且具有Z向自由度、Rx向自由度、Ry向自由度、X向自由度和Rz向自由度，其中，所述五自由度部件的Z向自由度用于所述双轴平台的垂向运动，Rx向自由度和Ry向自由度用于所述晶圆吸盘组件与所述直驱模块之间的垂向运动的解耦，X向自由度和Rz向自由度用于所述直驱模块的直线运动与所述晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦。
2.根据权利要求1所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述直驱模块包括：伺服电机、传动丝杠、滑块、直线导轨，所述传动丝杠连接在所述伺服电机与所述滑块之间，其中当所述伺服电机旋转时带动所述传动丝杠，从而驱动所述滑块在所述直线导轨上进行直线运动以带动所述晶圆吸盘组件进行旋转运动。
3.根据权利要求1所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述五自由度部件为五自由度柔性件。
4.根据权利要求3所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述五自由度柔性件具有刚性的Y轴。
5.根据权利要求3所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述五自由度柔性件是通过对柔性件施加线切割工艺来实现的。
6.根据权利要求1所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述五自由度部件包括四自由度柔性件和沿Z轴运动的第二直线导轨，其中所述四自由度柔性件具有Rx向自由度、Ry向自由度、X向自由度和Rz向自由度，所述第二直线导轨的一端连接所述四自由度柔性件，另一端连接所述晶圆吸盘组件。
7.根据权利要求6所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述第二直线导轨在Z轴上的行程满足预设条件。
8.根据权利要求6所述的旋转驱动装置，其特征在于，所述四自由度柔性件的Rx向自由度和Ry向自由度用于所述晶圆吸盘组件与所述直驱模块之间的垂向运动的解耦，X向自由度和Rz向自由度用于所述直驱模块的直线运动与所述晶圆吸盘组件的旋转运动的解耦。
9.一种利用权利要求1至8中任一项所述的旋转驱动装置来驱动双轴平台的方法，包括：
将晶圆置于所述双轴平台的晶圆吸盘组件上；
启动所述双轴平台的垂向驱动模块，以使所述晶圆吸盘组件进行垂向运动；以及
启动所述旋转驱动装置的直驱模块的伺服电机，以使所述直驱模块进行直线运动以带动所述晶圆吸盘组件进行旋转运动，其中在所述晶圆吸盘组件的垂向运动和旋转运动过程中，所述旋转驱动装置的五自由度部件使所述晶圆吸盘组件与所述直驱模块之间的垂向运动解耦，并使所述直驱模块的直线运动与所述晶圆吸盘组件的旋转运动解耦。
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