DE2113980A1

DE2113980A1 - Vorrichtung zum Ausrichten eines Werkstuecks

Info

Publication number: DE2113980A1
Application number: DE19712113980
Authority: DE
Inventors: Kulak Joseph Edward; Bela Musits; Hecker Edward Paul
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-04-06
Filing date: 1971-03-23
Publication date: 1971-10-21
Also published as: GB1328437A; US3626769A; DE2113980C2; FR2092380A5; CA924824A; JPS5610137B1

Description

Vorrichtung zum Ausrichten eines Werkstücks

In zahlreichen Fällen müssen Werkstücke zu ihrer Bearbeitung oder Montage in eine vorbestimmte Lage ausgerichtet werden, wobei sehr unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeit der Ausrichtung anzutreffen sind. In bestimmten Bereichen müssen in wachsendem Maße sehr hohe, bisweilen extrem hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden. Ein solcher Bereich findet sich z. B. bei der Herstellung von integrierten Schaltungskomponenten für elektronische Schaltungen, bei denen zur Durchführung einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Arbeitsgänge eine mehrmalige Ausrichtung des betreffenden Schaltungselements notwendig ist, wobei Lageabweichungen im Bereich von Bruchteilen von JLt bereits zu unbefriedigenden Ergebnissen führen können. Derart hohe Anforderungen an die Ausrichtgenauigkeit werden z. B. bei der Ausrichtung der Masken beim photolithographischen Verfahren gestellt oder auch bei mechanischen Bearbeitungsgängen, wie z. B. beim Aufsägen von Halbleiterscheiben, sog. Wafern, in eine Anzahl quadratischer Plättchen, sog. Chips.

Eine für diese Anwendungen entwickelte Ausrichtvorrichtung ist durch die USA-Patenschrift 3 466 514 bekannt. Bei der dort be-

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schriebenen Anordnung erfolgt die Einstellung eines Werkstücks, z, B. einer zu bearbeitenden Halbleiterscheibe, in eine definierte Lage in bezug auf die X-Achse, die Y-Achse und in Drehrichtung durch drei linear wirkende Stelltriebe, von denen zwei parallele, zu derjenigen des dritten senkrecht verlaufende Wirkrichtungen aufweisen, und wobei je einer der beiden senkrecht zueinander gerichteten Stelltriebe den translatorischen Verschiebungen und der dritte Stelltrieb den Drehverschiebungen zugeordnet ist. Unabhängig davon, ob die Ausrichtung des Werkstücks mit dieser bekannten Vorrichtung manuell durchgeführt wird oder automatisch mit Hilfe von optischen Abtastsystemen, welche die Stelltriebe unmittelbar steuern, setzen die hohen Genauigkeitsanforderungen bei der Ausrichtung des Werkstücks voraus, daß die Lagerung und Führung des Werkstücks absolut spielfrei und außerdem so reibungsarm wie möglich ausgebildet ist, da jede Abnützung der Lagerungselemente Ungenauigkeiten bei der Positionierung zur Folge hat. "'

Die bisher bekannten Lagerungs- und Einstellelemente, wie Führungsspindeln, Führungsschienen und andere Schubführungen mit zwischen den Führungselementen unvermeidbar auftretender Gleitreibung konnten daher die gestellten Anforderungen häufig bereits nach wenigen Stunden Betriebszeit nicht mehr erfüllen. Auch wenn die betreffenden Vorrichtungen in Reinräumen betrieben werden, in denen die schädlichen Wirkungen der in der Luft befindlichen Staubteilchen auf ein Minimum reduziert sind, bleibt das Problem der Abnutzung durch die bei den Einstellvorgängen auftretende Reibung ungelöst. Tatsächlich bewirken nämlich auch in Reinräumen die zur Verringerung der Reibungskräfte erforderlichen Schmiermittel eine Beeinträchtigung der Luftreinheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Werkstückes mit sehr hoher Einstellgenauigkeit zu schaffen, bei der die während der Einstellbewegungen auftretenden Reibungskräfte wesentlich herabgesetzt sind. Die Erfindung geht aus von dem in der vorgenannten USA-Patenschrift beschriebenen Einstellprinzip, und die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst

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worden, daß zur Führung des Werkstücks drei federnde, je als Parallelführung ausgebildete Träger derart angeordnet sind, daß zwei der Träger mit ihren entgegengesetzten Enden stationär gelagert sind und an ihren zueinandergerichteten freien Enden das eine, geteilte Ende des dritten, das Werkstück tragenden Trägers im rechten Winkel dazu befestigt ist, wobei die Stelltriebe auf die beweglichen Enden der beiden ersten Träger sowie auf das freie Ende des dritten Trägers wirksam angeordnet sind. Außer der zwischen den Übertragungselementen der Stelltriebe wirksamen Gleitreibung tritt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Führungselementen für das Werkstück ausschließlich die innere Reibung bei der Werkstoffverformung auf. Vorzugsweise sind die Träger aus parallelen Blattfedern mit Abstandsstücken gebildet, und die Verformung der Blattfedern beim Einstellvorgang erzeugt bekanntlich nur ein sehr geringes Maß an Reibung, ohne daß hierbei durch aneinander^ gleitende Flächen ein meßbarer Verschleiß auftreten kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Ausrichtvorrichtung für eine Halbleiterscheibe, wobei zur besseren Erkennbarkeit der Einzelteile die Scheibe teilweise geschnitten dargestellt ist,

Fig. 2 eine Teil-Draufsicht auf die Vorrichtung nach

Fig. 1, wobei sich das Werkstück in unausgerichteter Lage befindet,

Fig. 2A eine Draufsicht entsprechend Fig. 2 nach dem

Wirksamwerden des ersten Linearstelltriebes,

Fig. 2B eine Draufsicht entsprechend Fig. 2 nach dem

Wirksamwerden des zweiten Linearstelltriebes,

Fig. 2C eine Draufsicht entsprechend Fig. 2 nach dem

Wirksamwerden des dritten Linearstelltriebes,

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wobei das Werkstück seine endgültige vorgeschriebene Einstellage erreicht hat.

Gemäß den Fign. 1 und 2 liegt eine Halbleiterscheibe auf einer Lagerplatte 11, die mittels eines Trägerbolzens 13 auf einem Federträger 12 gelagert ist. Die Halbleiterscheibe 10 soll bezüglich der X- und der Y-Achse sowohl linear als auch in Drehrichtung für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang so ausgerichtet werden, daß die Marken 14 und 15 mit der X-Achse und die Marke 16 mit der Y-Achse ausgerichtet sind. Das Koordinatenkreuz kann beispielsweise als Fadenkreuz in einer entsprechenden optischen Beobachtungseinrichtung, beispielsweise einem Mikroskop oder einem Videomonitor, enthalten sein.

Zur Justage der Halbleiterscheibe 10 in den genannten Verstellrichtungen dienen Federträger 12, 17 und 18, wobei alle Federträger "fliegend" angeordnet sind und die Federträger 17 und 18 an je einem Ende am Rahmen gelagert sind. Der Federträger 17 besteht aus zwei parallelen Blattfedern 19 und 2O, die an einem auf dem Rahmen 22 montierten Halter 21 befestigt sind. Die Parallelführung der Blattfedern 19 und 20 wird durch ein Abstandsstück 23 am entgegengesetzten, freien Ende bewirkt. Auf einem Bolzen 25 im Abstandsstück 23 befindet sich eine Nockenfolgerolle 24, über die eine erste lineare Verstellbewegung auf den Federträger 17 übertragen wird. Der Federträger 18 ist gleich wie der Federträger 17 ausgebildet und besteht, wie aus den Fign. 1 und 2 ebenfalls erkennbar ist, aus Blattfedern 26 und 27, einem Abstandsstück 29 mit einem Bolzen 28 und einer Nockenfolgerolle 30.

Der "fliegend" angeordnete Federträger 12 ist aus parallelen Blattfedern 31 und 32 zusammengesetzt, die ihrerseits von den freien Enden der Federträger 17 und 18 getragen werden. Ein Abstandsstück 33 am freien Ende des Federtägers 12 bewirkt die Parallelführung der Blattfedern 31 und 32 und nimmt gleichzeitig den Trägerbolzen 13 für die Lagerplatte 11 auf. Weiterhin ist am Abstandsstück 33 eine Nockenfolgerolle 34 mittels eines Bolzens 35

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gelagert.

Das Justieren der Halbleiterscheibe 10 in die ausgerichtete Lage zur X- und Y-Achse wird mittels dreier, auf die genannten drei Federträger wirksamer Stellkräfte durchgeführt. Zwei dieser Kräfte sind im wesentlichen senkrecht zur X-Achse wirksam und die andere Kraft im wesentlichen senkrecht zur Y-Achse, wobei die beiden erstgenannten Kräfte auf die Federträger 17 und 18 wirken, während die dritte Stellkraft auf den Federträger 12 wirksam ist. Hierfür können Stellantriebe verschiedenster Ausführung eingesetzt werden, jedoch haben sich für den vorliegenden Zweck Schrittmoto- A ren am besten bewährt. Die in den Fign. 1 und 2 dargestellten Schrittmotoren 36, 37 und 38 betätigen zugeordnete Axialnockenscheiben 39, 40 bzw. 41, die ihrerseits über die Nockenfolgerollen 24, 30 und 34 lineare Verstellkräfte auf die Federträger 17, 18 bzw. 12 ausüben.

Die Steuersignale für die Schrittmotoren 36, 37 und 38 können entweder manuell durch einen Bediener eingegeben werden, 'welcher die Lageabweichungen der Halbleiterscheibe 10 mittels eines Mikroskops ermittelt und die Antriebe so lange entsprechend steuert, bis die Marken 14, 15 und 16 mit der X-Achse bzw. der Y-Achse ausgerichtet sind. Die Schrittmotoren können aber auch, wenn die dargestellte Anordnung vollautomatisch betrieben wird, als Servoantriebe aus- % gebildet sein, wobei die Werte für die Lageabweichungen der Halbleiterscheibe 10 automatisch abgetastet und die entsprechenden Korrekturwerte den Servoantrieben zugeführt werden. Ein derartiges automatisch arbeitendes Regelsystem ist beispielsweise in den USA-Patenschriften 3 475 805 und 3 466 514 sowie in der USA-Patentschrift 3 207 904 beschrieben.

An Hand der Fign. 2A, 2B und 2C wird nun ein vollständiger Ausrichtvorgang für eine Halbleiterscheibe 10 erläutert. Dabei wird davon ausgegangen, daß die einzelnen Stellbewegungen aufeinanderfolgend ablaufen und mit derjenigen auf den Federträger 17 beginnen und schließlich mit der auf den Federträger 12 wirksamen

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Stellbewegung beendet werden. Indes kann diese Reihenfolge beliebig verändert werden, ebenso wie auch die gleichzeitige Einschaltung aller drei Stelltriebe möglich ist.

In der Ausgangsstellung sind die Blattfedern der Federträger 12, 17 und 18 so vorgespannt, daß ihre Nockenfolgerollen 24, 30 und an den zugeordneten Axialnockenscheiben 39, 40 bzw. 41 anliegen. Ein Spiel zwischen den genannten Übertragungselementen für die Stellbewegung ist dadurch verhindert. Zunächst führt, entsprechend den aus der Lageabweichung der Halbleiterscheibe 10 resultierenden Lageabweichungswerten, der Schrittmotor 36 eine Drehbewegung aus, in deren Folge die Axialnockenscheibe 39 auf die Nockenfolgerolle 24 eine lineare Schubkraft χ ausübt und den Federträger 17 gegen die X-Achse verschiebt, wodurch die Blattfeder 31 des Federträgers 12 verschoben wird, bis die Marke 14 mit der X-Achse ausgerichtet ist, vergl. Fig. 2A.

Anschließend wird der Schrittmotor 37 über die Axialnockenscheibe 40 mit einer Kraft x« gegen die Nockenfolgerolle 30 am Federträger 18 wirksam, bis infolge der dadurch bewirkten Linearverstellung der Blattfeder 32 des Federträgers 12 die Marke 15 mit der X-Achse ausgerichtet ist, vergl. Fig. 2B. Schließlich verursacht der Schrittmotor 38 mittels der Axialnockenscheibe 41 das Wirksamwerden einer Linearkraft y gegen die unmittelbar am freien Ende des Federträgers 12 angebrachte Nockenfolgerolle 34, bis die Marke 16 mit der Y-Achse ausgerichtet ist. Infolge der Parallelführung der Blattfedern 31 und 32 bleibt hierbei die Ausrichtung der Marken 14 und 15 mit der X-Achse aufrechterhalten, vergl. Fig. 2C. Die Halbleiterscheibe 10 ist nunmehr genau justiert.

Die in den Zeichnungen dargestellten Stelltriebe sind, wie erwähnt, •jeweils im wesentlichen senkrecht zu den Koordinatenachsen wirksam. Sollte jedoch die Anordnung der Stelltriebe so beschaffen sein, daß die Verstellkräfte nicht genau senkrecht oder nicht annähernd senkrecht zu den Achsen wirken, sondern in einem hiervon nennenswert abweichenden Winkel, so bleibt die Verstellrichtung

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der einzelnen Federträger hiervon unbeeinflußt, und der Verstellweg ist ausschließlich durch die senkrecht zur Achse wirksame Wegkomponente bestimmt.

Während, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, für die Einstellung in X-, Y- und Drehrichtung drei Linearstelltriebe erforderlich sind, werden, wenn nur eine Justage in X- und Y-Richtung gebraucht wird, lediglich zwei lineare Stellantriebe benötigt, um eine einwandfreie Ausrichtung zu erreichen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Ausrichten eines Werkstückes in eine vorbestimmte Lage mittels dreier linear wirksamer Stelltriebe, von denen zwei parallele, zu derjenigen des dritten senkrecht verlaufende Wirkrichtungen aufweisen, wobei je einer der beiden senkrecht zueinander gerichteten Stelltriebe den translatorischen Verschiebungen und der dritte Stelltrieb den Drehverschiebungen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Werkstücks (10) drei federnde, je als Parallelführung ausgebildete Träger (12, 17, 18) derart angeordnet sind, daß zwei der Träger (17, 18) mit ihren entgegengesetzten Enden stationär gelagert sind und an ihren zueinander gerichteten freien Enden das eine, geteilte Ende des dritten, das Werkstück (10) tragenden Trägers (12) im rechten Winkel dazu befestigt ist, wobei die Stelltriebe (36 bis 41) auf die beweglichen Enden der beiden ersten Träger (17, 18) sowie auf das freie Ende des dritten Trägers (12) wirksam angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (12, 17, 18) aus je einem Paar paralleler Blattfedern (19, 20; 26, 27; 31, 32) mit Abstandsstücken (23, .29, 33) gebildet sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Abstandsstücken (23, 29, 33) von motorisch angetriebenen Axialnockenscheiben (39 bis 41) betätigbare Nockenfοlgeelementen (24, 30, 34) angeordnet sind.

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