JP2022080357A - Pressure stage using pneumatic pressure bellows - Google Patents

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睦郎 小倉
Mutsuro Ogura
壽憲 藤田
Toshinori Fujita
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Tokyo Denki University
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Abstract

To provide a submicron accuracy 6 degree of freedom pressure stage which does not include a parallel link mechanism using a pressurized air pressure bellows and a sliding part with optical non-contact attitude measurement, is excellent in the cleanliness and has 1,000 N or greater of thrust in order to solve such a problem that an elastic deformation due to pressure accumulates on a conventional multi-axis stage in a semiconductor junction device which requires precise alignment, and lubrication oil required for a sliding portion causes contamination of a junction interface.SOLUTION: Six or more pneumatic bellows are directly connected to the stage, the bellows having the small diameter is used for horizontal positioning, and the bellows having the large diameter is vertically installed to secure the pressure thrust. The rigidity of the stage is adjusted with the number of crests and plate thickness of the bellows, the bellows thrust with the pneumatic pressure is aligned with a necessary stage movement distance. The high-speed attitude measurement with the submicron accuracy is performed with laser interferometer measurement and microscopic image processing using convergent light, and the stage control is performed with the parallel pressure feedback to the plurality of bellows.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、空気圧ベローズを用いた加圧ステージに関し、特に例えば半導体製造分野におけるウェファ接合装置やナノインプラント装置に必要なあおりを含むサブミクロン精度の加圧アライメント機構に関する。 The present invention relates to a pressurization stage using a pneumatic bellows, and particularly to a submicron precision pressurization alignment mechanism including a tilt required for a wafer joining device or a nanoimplant device in the field of semiconductor manufacturing, for example.

近年3次元ICの製造に必要なウェファボンディング工程では、400℃程度の高温下でウェファの相対位置ずれをサブミクロンオーダーでアライメント調整した後にトンオーダの加圧をする必要がある。 また、ヘテロ半導体材料を用いた赤外撮像チップでは、チップレベルで赤外フォトダイオードアレイと読み出しICを十数μmの画素ピッチで高密度接合するプロセスが必要となる。上記接合プロセスにおいては、清浄雰囲気において水平方向の位置のみならず、ウェファ同士の平行度(隙間)を制御しつつ、加熱(~300℃)、加圧(~1,000N)あるいは超音波印可を行う必要がある。 In recent years, in the wafer bonding process required for manufacturing 3D ICs, it is necessary to adjust the relative positional deviation of the wafer on the submicron order at a high temperature of about 400 ° C. and then pressurize ton-order. Further, an infrared imaging chip using a hetero semiconductor material requires a process of high-density bonding of an infrared photodiode array and a readout IC at a chip level with a pixel pitch of a dozen μm. In the above joining process, heating (~ 300 ° C), pressurization (~ 1,000N) or ultrasonic application is performed while controlling not only the horizontal position but also the parallelism (gap) between the wafers in a clean atmosphere. There is a need.

例えばチップ面積1cm2程度のVGA(640x520画素)赤外撮像素子を製造するためのチップレベルの接合工程においては、アライメント精度±1ミクロン、平行度±100マイクロラジアン(□1cm2のチップの両端で隙間の差が1μm以内)にて、数百Nの加圧、超音波印加を必要とする。(非特許文献1) For example, in a chip-level bonding process for manufacturing a VGA (640x520 pixel) infrared image sensor with a chip area of about 1 cm 2 , alignment accuracy ± 1 micron and parallelism ± 100 microradians (□ 1 cm 2 gaps at both ends of the chip). The difference is within 1 μm), and it is necessary to pressurize several hundred N and apply ultrasonic waves. (Non-Patent Document 1)

従来の接合装置構成においては、上下方向の駆動機構として、トルク制御ACサーボモータやエアシリンダーを用いた空圧アクチュエータが、また水平方向の駆動機構として、ベアリングステージが用いられて来た。例えば、ACサーボアクチュエターでは、東京都八王子市狭間町1463在の蛇の目ミシン工業は、加圧能力最大30kNの精密加圧制御サーボプレス装置を開発している。また、空圧アクチュエータでは、東京都品川区大崎2-1-1在の住友重機械工業はエアベアリングを用いた空圧シリンダーに位置決め制御機構を設けた機構を「エアーソニック」という商標で生産している。(特許文献1) In the conventional joining device configuration, a pneumatic actuator using a torque control AC servomotor or an air cylinder has been used as a vertical drive mechanism, and a bearing stage has been used as a horizontal drive mechanism. For example, in the AC Servo Actuator, Jameme Sewing Industry Co., Ltd., located at 1463 Hazamamachi, Hachioji-shi, Tokyo, is developing a precision pressurization control servo press device with a pressurization capacity of up to 30 kN. As for pneumatic actuators, Sumitomo Heavy Industries, Ltd., located at 2-1-1 Osaki, Shinagawa-ku, Tokyo, produces a mechanism with a positioning control mechanism on a pneumatic cylinder using air bearings under the trademark "Airsonic". ing. (Patent Document 1)

電子部品や半導体モジュル-の接合装置としては、福岡県那珂川市片縄8丁目140番地在のアドウェルズ社FA1000型超音波高精度フリップチップボンダにおいては、面方向の位置合わせ手段として、クロスローラガイドを用いたX,Yステージおよび回転機構を用い、Z方向は、エアシリンダーを用いた空圧アクチュエータを使用している。また、京都府京都市南区吉祥院石原西町77在のボンドテック社のWI-1000型真空ウェファ接合装置では、Z方向に電動式リニアアクチュエータを使用している。上記Z方向のアクチュエータにはリニアエンコーダや歪みゲージが設けられ、サブミクロン精度の位置決め精度が確保されている。(特許文献2) As a joining device for electronic components and semiconductor modulars, a cross roller guide is used as a means of alignment in the plane direction for the Adwells FA1000 ultrasonic high-precision flip-tip bonder located at 8-140 Katanawa, Nakagawa City, Fukuoka Prefecture. Using the X, Y stage and rotation mechanism used, a pneumatic actuator using an air cylinder is used in the Z direction. In addition, the WI-1000 type vacuum wafer joining device of Bondtech Co., Ltd. located at 77 Kisshoin Ishihara Nishimachi, Minami-ku, Kyoto Prefecture, uses an electric linear actuator in the Z direction. The Z-direction actuator is provided with a linear encoder and a strain gauge to ensure submicron-accuracy positioning accuracy. (Patent Document 2)

チップあるいはウェファ相互の平行度を保つ機構としては、例えばアドウェルズ社の球面軸受型倣い機構や、ボンドテック社のピエゾステージなどが用いられて、高精度は平行度の管理が必要な半導体チップの接合に用いられている。但し、倣い機構は、倣い動作の精度や経時変化の問題がある。またピエゾステージは、ストロークが短い(~数十μm)のため、ベアリングステージとローラあるいはボールネジを組合せた従来方式の機械的粗動機構と組合せる必要がある。特に、半導体プロセス装置において必要となる、清浄雰囲気下での高温、高荷重装置においては、ピエゾ素子の耐熱、耐荷重性の克服、またベアリングステージに必要な潤滑油による汚染の防止など対処が複雑になる。 As a mechanism for maintaining parallelism between chips or wafers, for example, a spherical bearing type copying mechanism manufactured by Adwells or a piezo stage manufactured by Bondtech Co., Ltd. is used. It is used for joining. However, the copying mechanism has problems of accuracy of copying operation and change with time. Further, since the piezo stage has a short stroke (up to several tens of μm), it is necessary to combine it with a conventional mechanical coarsening mechanism that combines a bearing stage with a roller or a ball screw. In particular, in high temperature and high load equipment in a clean atmosphere, which is required for semiconductor process equipment, it is complicated to deal with the heat resistance and load bearing of the piezo element, and the prevention of contamination by the lubricating oil required for the bearing stage. become.

ベアリングガイドとボールネジを用いたリニアあるいは回転ステージを必要な自由度分だけ重ね合せた従来のシリアルリンクステージでは、1,000N程度のラジアルあるいはアキシアル荷重により、各軸において1μm程度の弾性変形は免れない。例えば、ローラガイドステージに圧縮あるいは引張応力を加えると0.5μm/1,000N程度の変形が生じる。(非特許文献2)またステージの駆動に使用する送りネジ機構として使用されるボールネジやより剛性の高いローラネジにおける変形率は、軸径40mmの比較的大きな送りネジを使用した場合でも1μm/1,000N程度以上となる。(非特許文献3) In a conventional serial link stage in which a linear or rotary stage using a bearing guide and a ball screw is superposed for the required degree of freedom, an elastic deformation of about 1 μm is unavoidable on each axis due to a radial or axial load of about 1,000 N. For example, when compression or tensile stress is applied to the roller guide stage, deformation of about 0.5 μm / 1,000 N occurs. (Non-Patent Document 2) The deformation rate of a ball screw or a roller screw with higher rigidity used as a feed screw mechanism used to drive a stage is 1 μm / 1,000 N even when a relatively large lead screw with a shaft diameter of 40 mm is used. It becomes more than a degree. (Non-Patent Document 3)

1軸ごとに光学式リニアあるいは回転エンコーダを併用してバックラッシュ等のヒステリシスを軽減し、繰り返し位置決め精度をサブミクロンレベルに向上させることは可能であるが、各軸の計測では把握できないモーメント荷重による各軸のねじれ(ヨーイング、ピッチング、ローリング)が想定される。精密アライメント用ステージにおいて、平行度を含めると垂直および水平方向に3軸(x,y,z)、回転(θ:ヨーイング)およびあおり(α:ローリング、β:ピッチング)方向の計6軸の制御を必要とする。シリアルリンクステージでは、加圧に伴う弾性変形が6台の駆動機構間で累積し各軸レベルでは把握不能な数μm程度の位置ずれが生じる。従って、荷重印加条件下でサブミクロンの位置決め精度を確保するためには、対象となるステージの空間絶対座標を計測しフィードバック制御することが必要となる。 It is possible to reduce hysteresis such as backlash by using an optical linear or rotary encoder for each axis and improve the repetitive positioning accuracy to the submicron level, but due to the moment load that cannot be grasped by the measurement of each axis. Twisting (yawing, pitching, rolling) of each axis is assumed. In the stage for precision alignment, control of 3 axes (x, y, z) in the vertical and horizontal directions, rotation (θ: yawing) and tilting (α: rolling, β: pitching) in total 6 axes including parallelism. Needs. In the serial link stage, elastic deformation due to pressurization accumulates between the six drive mechanisms, causing a positional shift of several μm that cannot be grasped at each axis level. Therefore, in order to secure the positioning accuracy of the submicron under the load application condition, it is necessary to measure the spatial absolute coordinates of the target stage and perform feedback control.

多軸ステージの制御方法では、パラレルメカニズムを用いた6軸ステージが、スチュワートプラットフォーム(Stewart platform)あるいは、ヘキサポッド(Hexapod)と呼ばれ、剛性の高い6軸ステージとして実用化されている。この場合、6本の可変長ロッドがボールジョイントあるいはユニバーサルジョイントを介してステージを保持している。ヘキサポッドは、ベアリング方式のステージに比べて、ストロークが制限されるが、ステージを支える6本のロッドの長さを同時並列的に制御することにより、リンク連結部の変位誤差やバックラッシュによる誤差の累積なしに、ステージの位置およびあおりを敏速に設定することができる。6本のアームの長さとステージ位置座標は、三角関数を含む多項式で表されるが、計算機やソフトウェアの発達により、所望のステージ位置への移動に必要なアーム長の計算(逆運動学)に関しては、大きな障害にはならなくなっている。 In the control method of the multi-axis stage, the 6-axis stage using the parallel mechanism is called the Stewart platform or Hexapod, and has been put into practical use as a highly rigid 6-axis stage. In this case, six variable length rods hold the stage via a ball joint or a universal joint. Hexapods have a limited stroke compared to bearing-type stages, but by controlling the lengths of the six rods that support the stage in parallel, displacement errors at the link connection and backlash errors. The position and tilt of the stage can be set promptly without the accumulation of. The length of the six arms and the stage position coordinates are represented by polynomial functions including trigonometric functions, but with the development of computers and software, the calculation of the arm length required to move to the desired stage position (reverse kinematics) Is no longer a major obstacle.

但し、仮に6本のそれぞれのロッドの長さを光学的リニアスケール付きのリニアアクチュエータを用いてサブミクロン精度で制御できたとしても、ステージ位置をサブミクロン精度で保持することは困難である。なぜなら、1,000N程度の荷重条件下でロッドや、ジョイント部の弾性変形をサブミクロンレベル以下に抑制することは難しいからである。また、ジョイント部のバックラッシュは、伸縮の切り替え時のヒステリシスの原因となるため与圧を与える必要があるが、潤滑性や荷重範囲に制約を生じる。従って、大荷重かつサブミクロンレベルのステージ精度を得るためには、シリアルリンクステージと同様に、対象となるステージの絶対座標を計測しフィードバック制御することが必要となる。 However, even if the length of each of the six rods can be controlled with submicron accuracy by using a linear actuator with an optical linear scale, it is difficult to maintain the stage position with submicron accuracy. This is because it is difficult to suppress the elastic deformation of the rod and the joint portion to the submicron level or less under a load condition of about 1,000 N. Further, the backlash of the joint portion causes hysteresis at the time of switching the expansion and contraction, so that it is necessary to apply a pressurization, but the lubricity and the load range are restricted. Therefore, in order to obtain a large load and submicron level stage accuracy, it is necessary to measure the absolute coordinates of the target stage and perform feedback control as in the serial link stage.

強度的・構造的に適度なやわらかさがあり、繊細な力加減で動作できるロボットハンドが医療用や半導体加工装置において求められている。
空気圧駆動機構は、圧力に比例した駆動力を発生するため、力制御(Stiffness Control)に適している。空気圧駆動機構は、コンタミネーションが少なく構造が簡単なので、医療用に、空気圧シリンダーとボールジョイントを用いた、パラレルメカニズムによるマニュピュレータが製作されている。特に,供給圧力により推力の上限が定まるので、安全性が高い。(非特許文献4)
Robot hands that have appropriate strength and structural softness and can operate with delicate force are required for medical use and semiconductor processing equipment.
The pneumatic drive mechanism is suitable for force control (Stiffness Control) because it generates a driving force proportional to the pressure. Since the pneumatic drive mechanism has less contamination and a simple structure, a manipulator with a parallel mechanism using a pneumatic cylinder and a ball joint has been manufactured for medical use. In particular, the upper limit of thrust is determined by the supply pressure, so safety is high. (Non-Patent Document 4)

同様な機構により、空気圧シリンダーとユニバーサルジョイントを用いた6軸ステージ(Hexapod)も容易に想定できる。但し、空気圧シリンダーの場合、摺動摩擦を減らすために空気軸受を用いると、十数μmのエアギャップが形成され、軸垂直方向の剛性が低くなる。また、ジョイント部にベアリングを用いたユニバーサルや摺動面を有するボールジョイントを使用する必要があり、弾性変形や高温等の耐環境性能が低下する。 With a similar mechanism, a 6-axis stage (Hexapod) using a pneumatic cylinder and a universal joint can be easily envisioned. However, in the case of a pneumatic cylinder, if an air bearing is used to reduce sliding friction, an air gap of a dozen μm is formed and the rigidity in the direction perpendicular to the axis is lowered. Further, it is necessary to use a universal ball joint using a bearing for the joint portion or a ball joint having a sliding surface, which deteriorates environmental resistance such as elastic deformation and high temperature.

空圧ベローズは、空気圧シリンダーと同様に、圧力を力あるいは変位に変換する機能がある。また、べローズには、軸方向の変位に対しても、バネ作用があるため、ボールジョイントやユニバーサルジョイントを必要としない。軸方向にも摺動機構を持たないため、摩擦によるヒステリシスが発生しない。通常は、座屈を避けるため、外骨格あるいは内骨格を併用し、張力が与えられた状態で使用されている。(非特許文献5)生体を模した力制御の駆動機構は、ソフトロボティクス(soft robotics) と呼ばれ、ロボット研究の大きな分野となりつつある。(非特許文献6) Pneumatic bellows, like pneumatic cylinders, have the ability to convert pressure into force or displacement. In addition, the bellows does not require a ball joint or a universal joint because it has a spring action even when displaced in the axial direction. Since it does not have a sliding mechanism in the axial direction, hysteresis due to friction does not occur. Usually, in order to avoid buckling, an exoskeleton or an endoskeleton is used in combination, and the skeleton is used under tension. (Non-Patent Document 5) A drive mechanism for force control that imitates a living body is called soft robotics, and is becoming a major field of robot research. (Non-Patent Document 6)

半導体分野への応用では、空圧ベローズと弾性ヒンジを用いた加圧機構も提案されている。空圧ベローズの周囲に弾性ヒンジを配置することにより、シリンダーなどの摺動機構を伴わずに変位方向を空圧ベローズの軸方向のみに制限し、更に、リニアエンコーダやロードセルなどを内蔵することにより、長手方向の位置決めが可能である。(特許文献3)この1軸空圧アクチュエータを軸方向に垂直に3台ステージに取り付けることにより、上下およびあおり駆動が可能になる。また、直交させた2軸アクチュエータユニットを3台組み合わせることにより、上記上下およびあおり駆動に加え、回転が可能なステージが示されている。(特許文献4) For applications in the semiconductor field, a pressurizing mechanism using a pneumatic bellows and an elastic hinge has also been proposed. By arranging an elastic hinge around the pneumatic bellows, the displacement direction is limited only to the axial direction of the pneumatic bellows without a sliding mechanism such as a cylinder, and by incorporating a linear encoder, load cell, etc. , Longitudinal positioning is possible. (Patent Document 3) By attaching this uniaxial pneumatic actuator to three stages perpendicular to the axial direction, it is possible to drive up and down and tilt. Further, a stage capable of rotation is shown in addition to the above-mentioned vertical and tilting drive by combining three orthogonal two-axis actuator units. (Patent Document 4)

発明者らは、金属成形ベローズと弾性ヒンジを用いた1軸空圧位置決め機構において、高精度かつ高速な位置センサーと高速応答特性を持つリニア空圧サーボ弁を組み合わせて数十nmの精度を実現した。これは、光学的リニアスケールやレーザ干渉計による位置情報を用いて、フレキシブルベローズに供給する圧力を電空アクチュエータによりフィードバック制御したものである。この系では、ステージの圧力―変位特性を差圧400[kPa]に対し,300[㎛]程度に設定している。このとき可動部質量とヒンジのばね定数が成す固有周波数は約60[Hz]である。レーザ干渉計(レニショー製RLU10)を用いて0.1msecの周期で位置計測を行い、制御信号を、計測制御ソフトウェアMATLAB Simulink xPC Targetにより算出し、16bitDACによりノズルフラッパ型の3方向サーボ弁を用いた電空アクチュエータに出力した。(非特許文献7)
更に、ヒステリシスの少ないボイスコイルモータを用いた低流体ノイズサーボ弁を採用し、圧力制御特性を向上させた。ステージのストローク±1250μmに対し、静止位置精度は1nmに達している。(非特許文献8)
The inventors have achieved an accuracy of several tens of nm by combining a high-precision and high-speed position sensor and a linear pneumatic servo valve with high-speed response characteristics in a uniaxial pneumatic positioning mechanism using a metal molded bellows and an elastic hinge. did. In this method, the pressure supplied to the flexible bellows is feedback-controlled by an electropneumatic actuator using position information from an optical linear scale or a laser interferometer. In this system, the pressure-displacement characteristic of the stage is set to about 300 [㎛] for a differential pressure of 400 [kPa]. At this time, the natural frequency formed by the mass of the moving part and the spring constant of the hinge is about 60 [Hz]. Position measurement is performed with a cycle of 0.1 msec using a laser interferometer (RLU10 manufactured by Renishaw), the control signal is calculated by the measurement control software MATLAB Simulink xPC Target, and the electropneumatic system uses a nozzle flapper type 3-way servo valve with a 16-bit DAC. Output to the actuator. (Non-Patent Document 7)
Furthermore, a low fluid noise servo valve using a voice coil motor with low hysteresis was adopted to improve the pressure control characteristics. The static position accuracy reaches 1 nm for the stage stroke of ± 1250 μm. (Non-Patent Document 8)

金属成形ベローズは、通常ステンレス鋼などの金属薄板を波形形状に変形して製作されるが、その構造上いくつかの制約がある。一つは、伸縮ストロークで、寿命の観点から概ね自然長の±数%以内に設定する必要がある。もうひとつの制約は座屈で、一定圧力以上では、軸方向に対して直角に変形が生じる。座屈が発生する圧力Pcrは、概ね式1)で表される。(非特許文献9)
Pcr=2πfi/(N2 q) ・・・ 式1)
但しfiは、ベローズ1山あたりの弾性係数、Nはベローズの山数、qはベローズ1山あたりのピッチである。
Metal molded bellows are usually manufactured by deforming a thin metal plate such as stainless steel into a corrugated shape, but there are some restrictions due to its structure. One is the expansion / contraction stroke, which should be set within ± several% of the natural length from the viewpoint of life. Another constraint is buckling, which causes deformation at right angles to the axial direction above a certain pressure. The pressure P cr at which buckling occurs is generally expressed by Eq. 1). (Non-Patent Document 9)
P cr = 2π f i / (N 2 q) ・ ・ ・ Equation 1)
However, f i is the elastic modulus per bellows, N is the number of bellows, and q is the pitch per bellows.

すなわち、限界圧力は、一山あたりの弾性係数に比例し、山数の二乗に反比例する。また、ベローズの1山あたりの弾性係数は周長に比例し、ベローズの板厚の3乗に比例する。推力はベローズの有効面積に比例することから、座屈限界における推力は、概ねベローズ径およびベローズ板厚の3乗に比例する。従って、必要なストロークと座屈限界、バネ定数を勘案しつつ、板厚、ベローズ径、山数(ベロース長さ)を調整することが金属成形ベローズを用いた安定なステージ駆動には重要となる。 That is, the critical pressure is proportional to the elastic modulus per mountain and inversely proportional to the square of the number of mountains. The elastic modulus per pile of bellows is proportional to the circumference and proportional to the cube of the plate thickness of bellows. Since the thrust is proportional to the effective area of the bellows, the thrust at the buckling limit is roughly proportional to the cube of the bellows diameter and the bellows plate thickness. Therefore, it is important to adjust the plate thickness, bellows diameter, and number of peaks (bellows length) while considering the required stroke, buckling limit, and spring constant for stable stage drive using metal molded bellows. ..

ウェファあるいはチップ接合時に必要最低限のストロークに関して、アライメント開始時の位置ずれは、搬送ロボットの位置決め精度~200μm程度、接合時に必要なストロークはウェファ搬送時の隙間確保のための数mm程度である。従って、100mm程度の自然長の金属成形ベローズを用いることにより接合装置に必要な数mmのストロークを確保することができる。 Regarding the minimum stroke required for joining the wafer or chip, the positional deviation at the start of alignment is about 200 μm from the positioning accuracy of the transfer robot, and the stroke required for joining is about several mm for securing a gap during transfer of the wafer. Therefore, by using a metal molded bellows having a natural length of about 100 mm, a stroke of several mm required for the joining device can be secured.

接合プロセスにおいては、位置決めの後、位置ずれを監視しつつ加圧を行う。まず、位置決めプロセスにおいては、ベローズに供給される空気圧による推力と、ベローズあるいは並列に設置されたスプリングによるバネ作用との釣り合い条件によりステージ位置が決定される。位置決め精度を確保するためには、ベローズやスプリングによりステージの剛性を調節し、電空アクチュエータによって制御可能な空気圧の範囲と精度がステージ位置と精度に合致させた上で、必要な加圧方向の推力を確保する必要がある。 In the joining process, after positioning, pressurization is performed while monitoring the misalignment. First, in the positioning process, the stage position is determined by the balance condition between the thrust due to the air pressure supplied to the bellows and the spring action of the bellows or the springs installed in parallel. In order to ensure positioning accuracy, the rigidity of the stage is adjusted by bellows and springs, and the range and accuracy of the air pressure that can be controlled by the electropneumatic actuator match the stage position and accuracy, and then the required pressurization direction is used. It is necessary to secure the thrust.

最近の非接触光学的距離計測システムでは、測定スパンを数mmに制限する代わり、対象面の角度ずれを±0.3~±3°程度以上許容する製品が発表されている。例えば収束光を用い、光ファイバコリメータ端面と対象面間で形成されるファブリペロー型共振器の反射強度振動原理を用いた光ファイバ干渉距離計(attocube社,IDS3010、Eglfinger Weg 2,
85540 Haar,Germany)やレンズの色収差を用いたマルチカラーレーザ同軸変位計(キーエンス社、CL-3000シリーズ、大阪市東淀川区東中島1-3-14)などが上市されており、ステージの精密調整範囲が、アライメント工程に伴う位置および角度調整の範囲であれば、ステージの剛体としての位置情報(x, y, z, θ, α, β)をサブミクロン精度かつ0.1msec以下の時間間隔で計測することができる。
In recent non-contact optical distance measurement systems, products have been announced that allow an angular deviation of the target surface of about ± 0.3 to ± 3 ° or more instead of limiting the measurement span to several mm. For example, an optical fiber interference distance meter (attocube, IDS3010, Eglfinger Weg 2, using convergent light and the reflection intensity vibration principle of a Fabry-Perot type resonator formed between the end face of the optical fiber collimator and the target surface)
85540 Haar, Germany) and a multi-color laser coaxial displacement meter (Keyence, CL-3000 series, 1-3-14 Higashinakajima, Higashiyodogawa-ku, Osaka) using chromatic aberration of the lens are on the market, and the stage is precisely adjusted. If the range is the range of position and angle adjustment associated with the alignment process, the position information (x, y, z, θ, α, β) of the stage as a rigid body is measured with submicron accuracy and at time intervals of 0.1 msec or less. can do.

空気圧制御システムでは、システムの固有周波数よりも十分速い速度で圧力を制御する必要がある。磁性体によるヒステリシスを避けるため、空芯ソレノイドを用いたノズルフラッパ弁やリニア直動弁がMOOG社(400 Jamison Road Elma, New York, 14059 USA)や愛知県尾張旭市平子町東241-1在のピーエスシー株式会社から開発され、カットオフ周波数として400Hz程度の製品が上市されている。 Pneumatic control systems need to control pressure at a speed sufficiently faster than the system's natural frequency. In order to avoid hysteresis due to magnetic materials, nozzle flapper valves and linear linear acting valves using air-core solenoids are available from MOOG (400 Jamison Road Elma, New York, 14059 USA) and 241-1 Hirako-cho, Owariasahi-shi, Aichi. Developed by the company, a product with a cutoff frequency of about 400Hz has been put on the market.

以上、パラレルリンクシステムシステムにおいては、コンピュータによる逆運動学的制御が必要であるが、ロボット関連技術や3次元計測技術の発達により、従来のシリアルリンクステージよりも機構的には簡素化しかつ精度や出力荷重の優れたシステムを実現できる環境が整いつつある。また、力加減が調節できるソフトロボティクス(soft robotics) の分野で、安全性や清浄性に優れた空気圧制御方式が注目されている As mentioned above, in the parallel link system system, inverse kinematic control by a computer is required, but due to the development of robot-related technology and 3D measurement technology, it is mechanically simpler and more accurate than the conventional serial link stage. An environment is being set up to realize a system with excellent output load. Also, in the field of soft robotics where the force can be adjusted, the air pressure control method with excellent safety and cleanliness is attracting attention.

特開2004-144196号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-144196 特開2007-141972号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-141972 特開2014-199106号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-199106 特開2014-199215号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-199215

小倉睦郎、西田克彦、村井博信、「高解像度、広ダイナミックレンジUSB3Vision対応InGaAs近赤外カメラ」映像情報インダストリアル 2017年2月p.21-24.Mutsuro Ogura, Katsuhiko Nishida, Hironobu Murai, "High resolution, wide dynamic range USB3 Vision compatible InGaAs near infrared camera" Video Information Industrial February 2017 p.21-24. 松本 淳 加藤 総一郎 「工作機械用リニアガイドの特性解析」 2004 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集 A75Atsushi Matsumoto Soichiro Kato "Characteristic Analysis of Linear Guides for Machine Tools" Proceedings of the 2004 Annual Meeting of the Japan Society for Precision Engineering Spring Conference A75 大塚二郎、大沢高志、 深田茂生「遊星ローラねじに関する研究」精密工学会誌 JSPE-53-08 '87-08-1203Jiro Otsuka, Takashi Osawa, Shigeo Fukada "Study on Planetary Roller Screws" Journal of Precision Engineering JSPE-53-08 '87 -08-1203 早川恭弘、川村貞夫、後藤健夫、永井克明 「カセンシング機能を有する空気圧ベローズによるロボットマニピュレータ用回転駆動機構の開発」 日本ロボット学会誌14巻2号(1996年3月)Yasuhiro Hayakawa, Sadao Kawamura, Takeo Goto, Katsuaki Nagai "Development of a rotary drive mechanism for a robot manipulator using a pneumatic bellows with a sensing function" Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 14, No. 2 (March 1996) 清水清人, 平井慎一, 川村貞夫 「ベローズチューブ空気圧群アクチュエータの試作」第19回日本ロボット学会学術講演会 (2001年9月18-20日) 1G1Kiyohito Shimizu, Shinichi Hirai, Sadao Kawamura "Prototype of Bellows Tube Pneumatic Group Actuator" 19th Robotics Society of Japan Academic Lecture (September 18-20, 2001) 1G1 Aaron Fishman1, Martin Stephen Garrad, Andrew Hinitt1, Plinio Zanini, Tim Barker and Jonathan Rossiter ‘A Compliant Telescopic Limb with Anisotropic Stiffness’, Front. Robot. AI, 01 February 2017 | https://doi.org/10.3389/frobt.2016.00080Aaron Fishman1, Martin Stephen Garrad, Andrew Hinitt1, Plinio Zanini, Tim Barker and Jonathan Rossiter'A Compliant Telescopic Limb with Anisotropic Stiffness', Front. Robot. AI, 01 February 2017 | https://doi.org/10.3389/frobt. 2016.00080 藤田 壽憲,榊 和敏,宮崎 里美,宮崎 敬一 「空気圧ベローズにより駆動する微動ステージの制御方法とナノ位置決め」日本フルードパワーシステム学会論文集 2017年9月Toshinori Fujita, Kazutoshi Sakaki, Satomi Miyazaki, Keiichi Miyazaki "Control method and nanopositioning of fine movement stage driven by pneumatic bellows" Proceedings of Japan Fluid Power Systems Society September 2017 藤田壽憲 「半導体産業に向けた空気圧サーボ制御による超精密位置決め技術」 計測と制御 第54巻 第9号 2015年9月号Toshinori Fujita "Ultra-precision positioning technology by pneumatic servo control for the semiconductor industry" Measurement and control Vol. 54, No. 9, September 2015 EJMA「Standards of The Expansion Joint Manufacturers Association, Inc.」Eighth Edition EXPANSION JOINT MANUFACTURERS ASSOCIATION, Aug. 1, 200EJMA "Standards of The Expansion Joint Manufacturers Association, Inc." Eighth Edition EXPANSION JOINT MANUFACTURERS ASSOCIATION, Aug. 1, 200

上述してきた各従来例における問題点に鑑み、本発明では空気圧ベローズを用いたパラレルリンク機構により摺動部を含まず、清浄度や耐環境性に優れた高精度6軸加圧ステージを実現する。その際、座屈限界を考慮したベローズの空間配置を行い、比較的安価な金属成形ベローズを用いて、半導体ウェファあるいは半導体チップ接合装置に必要なアライメント精度、ストロークおよび荷重を満たす構成を明らかにする。 In view of the problems in each of the above-mentioned conventional examples, the present invention realizes a high-precision 6-axis pressurizing stage having excellent cleanliness and environmental resistance without including a sliding portion by a parallel link mechanism using a pneumatic bellows. .. At that time, the bellows are spatially arranged in consideration of the buckling limit, and a configuration that satisfies the alignment accuracy, stroke, and load required for the semiconductor wafer or the semiconductor chip joining device is clarified by using a relatively inexpensive metal molded bellows. ..

サブミクロンレベルかつ1,000N程度以上の加圧を前提としたステージ制御においては、全ての構成部品を弾性体と見なし、荷重に伴う弾性ひずみを考慮する必要がある。従って、空間的な位置および姿勢をサブミクロンオーダで制御するためには、どのような構成のステージにおいても、ステージの3次元空間計測に基づいたフィードバック制御が必要となる。本発明では、バネ作用と空圧シリンダー作用を併せ持つ複数の金属フレキべローズに対して、十分速い計測間隔で空気圧を並列にフィードバック制御することにより、従来の各軸ごとにフィードバック機構を持つシリアルリンクよりも高い剛性と制御性を実現する。 In stage control assuming a submicron level and pressurization of about 1,000 N or more, it is necessary to consider all the components as elastic bodies and consider the elastic strain due to the load. Therefore, in order to control the spatial position and orientation on the submicron order, feedback control based on the three-dimensional spatial measurement of the stage is required for any stage configuration. In the present invention, a serial link having a conventional feedback mechanism for each axis by feedback-controlling the air pressure in parallel at a sufficiently fast measurement interval for a plurality of metal flexible bellows having both a spring action and a pneumatic cylinder action. Achieves higher rigidity and controllability.

金属フレキベローズは、座屈の可能性があり、その傾向は傾きや横方向荷重により助長される。通常は、座屈を避けるため、外骨格あるいは内骨格を併用するが、その際可動ジョイント部を伴うので、潤滑油による汚染やベアリングの変形、あるいはバックラッシュによるヒステリシスが発生する。そこで、可動ジョイント部を使用せずに、作動範囲において、座屈が起こらない設計を行う必要がある。また、座屈限界圧力条件は、ベローズの軸方向に対して直交する荷重が加わると低くなるため、ベローズ軸に沿ってステージが駆動されることが望ましい。 Metallic flexible bellows have the potential for buckling, which is facilitated by tilting and lateral loading. Normally, an exoskeleton or an endoskeleton is used in combination to avoid buckling, but at that time, since a movable joint portion is involved, contamination by lubricating oil, deformation of bearings, or hysteresis due to backlash occurs. Therefore, it is necessary to design so that buckling does not occur in the operating range without using the movable joint portion. Further, since the buckling limit pressure condition becomes low when a load orthogonal to the axial direction of the bellows is applied, it is desirable that the stage is driven along the bellows axis.

ベローズに発生する推力は、ベローズの有効面積に印加される空気圧を乗じた値となる。例えば、断面積100cmのベローズに1気圧の空気を加圧すると、その推力は概ね1,000Nとなる。ウェファ接合装置においては、主に必要な荷重は垂直方向(y)であり、水平(x、z)、回転(θ:ヨーイング)およびあおり(α:ローリング、β:ピッチング)方向のアライメント調整に必要な荷重は垂直方向の角度ズレによる応力成分を補正する程度となり、垂直荷重の1/100~1/1000程度と推定される。また、サブミクロンレベルのアライメント調整精度を実現するには、ベローズの口径を小さくし、制御パラメータとなる空気圧力に対して発生する駆動力を小さくする方が有利となる。従って、接合時の圧縮推力を確保しつつ、アライメント精度を確保するためには、垂直方向に駆動するベローズの口径を水平方向や回転方向に駆動するベローズよりも大きくすることが有効である。 The thrust generated in the bellows is the value obtained by multiplying the effective area of the bellows by the air pressure applied. For example, when 1 atmosphere of air is applied to a bellows having a cross-sectional area of 100 cm 2 , the thrust becomes approximately 1,000 N. In the Weber joining device, the main required load is the vertical (y) direction, which is necessary for alignment adjustment in the horizontal (x, z), rotation (θ: yawing) and tilting (α: rolling, β: pitching) directions. The load is only enough to correct the stress component due to the angle deviation in the vertical direction, and is estimated to be about 1/100 to 1/1000 of the vertical load. Further, in order to realize the alignment adjustment accuracy at the submicron level, it is advantageous to reduce the diameter of the bellows and reduce the driving force generated with respect to the air pressure which is a control parameter. Therefore, in order to secure the alignment accuracy while ensuring the compressive thrust at the time of joining, it is effective to make the diameter of the bellows driven in the vertical direction larger than that of the bellows driven in the horizontal direction or the rotational direction.

電空アクチュエータによって制御可能な空気圧の範囲は、概ね-0.5~3気圧程度であり、その上限はベローズの座屈限界圧力である。また、一般にアナログ量の設定は、14~16ビット(16,384~65,536)程度の分解能が限界である。従って、サブミクロン精度のステージ位置制御を実現するためのステージの圧力応答としては、~1mm/気圧程度が適当である。また、垂直方向の推力は1,000N/気圧程度が必要となる。従って、ベローズの直径に加えて、ベローズの板厚、形状、自然長、併置スプリングの有無などを最適設計する必要がある。その際、精度を要する位置決めと、推力を要する昇降機能を独立に制御することが望ましい。 The range of air pressure that can be controlled by the electropneumatic actuator is approximately -0.5 to 3 atm, and the upper limit is the buckling limit pressure of the bellows. In general, the analog amount setting is limited to a resolution of about 14 to 16 bits (16,384 to 65,536). Therefore, as the pressure response of the stage for realizing the stage position control with submicron accuracy, about 1 mm / atmospheric pressure is appropriate. In addition, the thrust in the vertical direction needs to be about 1,000 N / atmospheric pressure. Therefore, in addition to the diameter of the bellows, it is necessary to optimally design the thickness, shape, natural length, presence / absence of juxtaposed springs, etc. of the bellows. At that time, it is desirable to independently control the positioning that requires accuracy and the elevating function that requires thrust.

ステージを剛体と見なしたときその自由度は、6軸(x,y,z,θ,α,β)であるので、ステージの位置および角度を計測するためには、距離計を用いて、水平方向で3点、側面方向で3点において、剛体(ステージ)の辺と支持体(フレーム)との距離を測定すれば良い。接合工程では、2枚のチップの相対的な位置ずれを評価し、最小にする必要がある。特に、加圧時の位置ずれが歩止まりの低下の原因となっている。そのため、アライメントマークの位置ずれを画像処理により算出し、ステージ位置補正を加圧時も含めてリアルタイムで行うことが必要となる。 When the stage is regarded as a rigid body, its degrees of freedom are 6 axes (x, y, z, θ, α, β), so in order to measure the position and angle of the stage, use a distance meter. The distance between the side of the rigid body (stage) and the support (frame) may be measured at three points in the horizontal direction and three points in the side direction. In the joining process, it is necessary to evaluate and minimize the relative misalignment of the two chips. In particular, the misalignment during pressurization causes a decrease in yield. Therefore, it is necessary to calculate the misalignment of the alignment mark by image processing and perform stage position correction in real time including pressurization.

試料の搬入時には、ロボットハンドの挿入が可能な数mm程度の隙間が必要となる。一方精密なアライメントに必要な範囲は、チップ搬送ロボットなどの位置決め精度に依存するが、±200μm程度に収まる。またウェファの初期平行度も±1/1000ラジアン(~0.06°)以内には収めることができる。従って、アライメントに必要な精度の高い空間的な距離測定においては、作動距離範囲を1mm程度に限定することが可能である。 When carrying in the sample, a gap of about several mm is required to allow the robot hand to be inserted. On the other hand, the range required for precise alignment depends on the positioning accuracy of the chip transfer robot or the like, but is within ± 200 μm. The initial parallelism of the weber can also be within ± 1/1000 radians (~ 0.06 °). Therefore, it is possible to limit the working distance range to about 1 mm in the highly accurate spatial distance measurement required for alignment.

本発明は上記目的を達成するため、複数の空気圧ベローズを用い、該ベローズに座屈が生じない範囲の正圧および負圧にて該ベローズに導入する空気圧を制御することによりシリンダーやボールジョイントなどの摺動部を用いずに空間姿勢および推力を制御する、空気圧ベローズを用いた加圧ステージであって:
垂直、水平および回転方向それぞれの仕様に対応した異なった推力およびストロークに応じてベローズの有効断面積、弾性定数および自然長が変えられていることを特徴とする6軸加圧ステージを提案する。
In order to achieve the above object, the present invention uses a plurality of pneumatic bellows, and controls the air pressure introduced into the bellows with positive and negative pressures within a range in which buckling does not occur in the bellows, thereby forming a cylinder, a ball joint, or the like. It is a pressure stage using a pneumatic bellows that controls the spatial posture and thrust without using the sliding part of.
We propose a 6-axis pressurizing stage characterized in that the effective cross-sectional area, elastic constant and natural length of the bellows are changed according to different thrusts and strokes corresponding to the specifications of vertical, horizontal and rotational directions.

こうした基本構成を満たした上で、本発明はさらに、
有効面積の大きいベローズを垂直方向に設置し、有効断面積の小さい上記ベローズの取り付け角度をステージ水平方向あるいは、水平面に対し浅く設置することにより、垂直方向の推力を確保するととともに位置決め精度を向上したことを特徴とする請求項1記載の加圧ステージも提案する。
After satisfying these basic configurations, the present invention further
By installing the bellows with a large effective area in the vertical direction and installing the bellows with a small effective cross-sectional area in the horizontal direction of the stage or shallowly with respect to the horizontal plane, the thrust in the vertical direction is secured and the positioning accuracy is improved. The pressurizing stage according to claim 1, wherein the pressurizing stage is also proposed.

本発明ではまた、上記基本構成を満たした上で、ステージの自由度より冗長な数の空気圧ベローズを有し、有効断面積の小さい上記ベローズに引張応力を、有効断面積の大きいベローズに圧縮応力を発生させ、垂直推力を増強しつつ、該ベローズの座屈を防止したことを特徴とする請求項1記載の加圧ステージも提案する。 Also in the present invention, after satisfying the above basic configuration, the bellows having a number of pneumatic bellows more redundant than the degree of freedom of the stage, the tensile stress is applied to the bellows having a small effective cross-sectional area, and the compressive stress is applied to the bellows having a large effective cross-sectional area. The pressurizing stage according to claim 1, wherein the bellows is prevented from buckling while increasing the vertical thrust.

本発明ではまた、上記基本構成を満たした上で、上記ステージを剛体と見なしたときの自由度6よりも多数の上記ベローズを有し、上記ステージの加圧推力の面分布を調整することを特徴とする請求項1記載の加圧ステージも提案する。 Also in the present invention, after satisfying the above basic configuration, the stage has more bellows than the degree of freedom 6 when the stage is regarded as a rigid body, and the surface distribution of the pressure thrust of the stage is adjusted. The pressurizing stage according to claim 1 is also proposed.

本願発明ではさらに、中心座標、回転、あおりを含む上記ステージの三次元空間における位置と姿勢を非接触位置センサーにより検出し、上記空気圧ベローズに供給する圧力を制御することで加圧位置決めをなすことを特徴とする請求項1記載の加圧ステージも提案する。 Further, in the present invention, the position and orientation of the stage in the three-dimensional space including the center coordinates, rotation, and tilt are detected by the non-contact position sensor, and pressure positioning is performed by controlling the pressure supplied to the pneumatic bellows. The pressurizing stage according to claim 1 is also proposed.

従来のボールネジとベアリングステージを用いた駆動機構では、シリアルリンク、パラレルリンクに係わらず、摺動部が存在し、潤滑油の使用が不可避であった。本発明で使用する金属成形ベローズは、空気圧シリンダーと弾性ヒンジの特性を併せ持ち、摺動部が存在しない。従って、摩擦に伴う発塵や、潤滑油による汚染が無い。また金属成形ベローズは、真空配管にも用いられている製品でもあり、清浄性や耐熱性に優れている。 In the conventional drive mechanism using a ball screw and a bearing stage, a sliding portion exists regardless of the serial link or the parallel link, and the use of lubricating oil is unavoidable. The metal molded bellows used in the present invention has the characteristics of a pneumatic cylinder and an elastic hinge, and has no sliding portion. Therefore, there is no dust generation due to friction and no contamination by lubricating oil. The metal molded bellows is also a product used for vacuum piping, and has excellent cleanliness and heat resistance.

加圧装置においては、垂直方向には十分な推力が必要な一方で、水平方向やあおり方向ではサブミクロンレベルの精度を必要とする。一方、設定空気圧力は、ベローズの座屈や空気源圧力、真空排気ポンプ容量を勘案すると、その設定範囲は、-0.5気圧から3気圧(0.3MPa)程度が妥当である。電気信号により空気圧を発生する電空アクチュエータは、ヒステリシスや外乱などにより、設定空気圧力範囲の1,000~10,000分の1程度の微圧設定誤差を想定しておくことが望ましい。従って、電空アクチュエータによる圧力設定範囲とステージに必要なストロークおよび推力とが整合する必要がある。すなわち、微小な位置変位を制御するには、小さい力の調節が必要となるため設定圧力に対して推力の小さい小口径のベローズを用い、加圧方向に必要な推力を確保するためには、大口径のベローズを用いる。また、ベローズの自然長とベローズの板厚により、ベローズのバネ定数を調整し、ステージの剛性を最適化することにより、電空アクチュエータによる圧力設定範囲において、必要かつ十分なステージ移動量を確保することができる。 The pressurizing device requires sufficient thrust in the vertical direction, while it requires submicron level accuracy in the horizontal and tilting directions. On the other hand, the set air pressure is appropriately set in the range of -0.5 atm to 3 atm (0.3 MPa) in consideration of the buckling of the bellows, the air source pressure, and the capacity of the vacuum exhaust pump. For an electropneumatic actuator that generates air pressure by an electric signal, it is desirable to assume a slight pressure setting error of about 1 / 1,000 to 1 / 10,000 of the set air pressure range due to hysteresis or disturbance. Therefore, it is necessary to match the pressure setting range by the electropneumatic actuator with the stroke and thrust required for the stage. That is, in order to control a minute positional displacement, it is necessary to adjust a small force. Therefore, in order to secure the required thrust in the pressurizing direction by using a bellows with a small diameter that has a small thrust with respect to the set pressure, Use a large-diameter bellows. In addition, by adjusting the spring constant of the bellows and optimizing the rigidity of the stage by adjusting the natural length of the bellows and the plate thickness of the bellows, the necessary and sufficient stage movement amount is secured in the pressure setting range by the electropneumatic actuator. be able to.

更に、ベローズの接続角度とそのベローズが担うステージの移動方向を調整することにより個々のステージ自由度に対する推力を調整し、位置決め精度を向上するとともに、加圧方向の推力を確保することができる。大口径ベローズが垂直方向に設置される場合は、ベローズ推力の変化に伴う水平方向の位置ずれが発生しにくい。また小口径のベローズを水平に設置することにより、微小な推力調整による精密位置決めを行うことができる。更に、小口径のベローズをステージ面から浅い角度に設定することにより、垂直方向にも精密な高さ調整が可能になる。 Further, by adjusting the connection angle of the bellows and the moving direction of the stage carried by the bellows, the thrust for each stage degree of freedom can be adjusted, the positioning accuracy can be improved, and the thrust in the pressurizing direction can be secured. When a large-diameter bellows is installed in the vertical direction, horizontal misalignment due to a change in bellows thrust is unlikely to occur. In addition, by installing a bellows with a small diameter horizontally, precise positioning can be performed by fine thrust adjustment. Furthermore, by setting the bellows with a small diameter at a shallow angle from the stage surface, precise height adjustment is possible even in the vertical direction.

剛体の自由度に等しい数(6)のベローズを用いる場合、位置決め用の口径の小さいベローズには、圧縮および引張応力の両方を発生させる必要がある。口径の小さいベローズは、座屈限界圧力が低いため、設定圧力範囲に制限が生じる。また、電空アクチュエータとしては、陽圧と陰圧を発生させることが必須となる。そこで、剛体の自由度よりも多いベローズの数を配置し、有効断面積の大きい垂直方向駆動用ベローズに圧縮応力を発生させ、垂直推力を増強しつつ、位置決め用の口径の小さいベローズを自然長よりも伸長させるか、ベローズ内部を真空側に保つことにより常時引張応力を発生させる。位置決め用ベローズの座屈を防ぐとともに、設定圧力を陽圧側のみで制御可能となる。 When using a number (6) of bellows equal to the degree of freedom of a rigid body, the small-diameter bellows for positioning must generate both compressive and tensile stresses. A bellows with a small diameter has a low buckling limit pressure, which limits the set pressure range. Further, as an electropneumatic actuator, it is essential to generate positive pressure and negative pressure. Therefore, the number of bellows that is larger than the degree of freedom of the rigid body is arranged, compressive stress is generated in the vertical drive bellows with a large effective cross-sectional area, the vertical thrust is increased, and the bellows with a small diameter for positioning is the natural length. Tensile stress is constantly generated by stretching the bellows or keeping the inside of the bellows on the vacuum side. While preventing buckling of the positioning bellows, the set pressure can be controlled only on the positive pressure side.

一般的に、小口径半導体ウェファは、研磨工程において、中央が高く周辺が低い傾向がある。従って、均一な接合を行うためには、周辺の推力を中央部より大きくする必要が生じる。そこで、中央部と周辺部において垂直方向駆動用ベローズの数を増すことにより加圧ステージの面分布を調節することが可能となる。 In general, small-diameter semiconductor wafers tend to have a high center and a low periphery in the polishing process. Therefore, in order to perform uniform joining, it is necessary to make the thrust at the periphery larger than that at the center. Therefore, it is possible to adjust the surface distribution of the pressurizing stage by increasing the number of vertical drive bellows in the central portion and the peripheral portion.

中心座標、回転、あおりを含む上記ステージの三次元空間における位置と姿勢を非接触位置センサーにより検出し、上記空気圧ベローズに供給する圧力を制御することにより、誤差の累積無しにステージの6軸加圧位置決めが可能となる。非接触位置センサーとしては、光学的計測と近接効果による圧力やインピーダンス変化を計測する方式など多様な方式が利用可能である。光学的計測では、参照光と対象からの反射光の位相差を計測するレーザ干渉計、参照ミラーと対象間で形成されるファブリペロー共振器の反射波の位相差を計測する手法、あるいは、集光レンズの色収差を用いる手法などが光ファイバを用いた光学系で構成され、数nm~サブミクロン程度の精度を持つ。 By detecting the position and orientation of the stage in the three-dimensional space including center coordinates, rotation, and tilt with a non-contact position sensor and controlling the pressure supplied to the pneumatic bellows, 6 axes of the stage can be added without accumulation of errors. Pressure positioning is possible. As the non-contact position sensor, various methods such as optical measurement and a method of measuring pressure and impedance changes due to proximity effect can be used. In optical measurement, a laser interferometer that measures the phase difference between the reference light and the reflected light from the target, a method that measures the phase difference of the reflected wave of the Fabric Perot resonator formed between the reference mirror and the target, or a collection. A method using chromatic aberration of an optical lens is composed of an optical system using an optical fiber, and has an accuracy of several nm to submicron.

また、三角測量方式のレーザ変位計も要求ステージ精度が2~3μm程度の場合は使用できる。概ね測定精度と許容角度ずれとには相関があり、想定されるステージの回転量も光学的距離計測器の選定において考慮する必要がある。更に、エアーマイクロメータのように、空気排出孔と対向面との距離による圧力変化を検出する方式、キャパシタンスマノメータや誘導式変位測定システムなども必要な精度や動作環境により選択できる。ウェファやチップ間の接合では、アライメントマークを用いたリアルタイム画像偏差測定を行い、加圧時のステージの位置調整を行うことが必要になるが、その場合、水平方向の距離計を省くことも可能である。 A triangulation type laser displacement meter can also be used when the required stage accuracy is about 2 to 3 μm. There is a correlation between the measurement accuracy and the allowable angle deviation, and it is necessary to consider the expected rotation amount of the stage when selecting the optical distance measuring instrument. Further, a method of detecting a pressure change depending on the distance between the air discharge hole and the facing surface, a capacitance manometer, an inductive displacement measurement system, and the like, such as an air micrometer, can be selected according to the required accuracy and operating environment. When joining between wafers and chips, it is necessary to perform real-time image deviation measurement using alignment marks and adjust the position of the stage during pressurization. In that case, it is possible to omit the horizontal rangefinder. Is.

底面と底面に垂直な側面にて空圧ベローズアクチュエータが保持された空圧ベローステージの、概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a pneumatic bellows stage in which a pneumatic bellows actuator is held on a bottom surface and a side surface perpendicular to the bottom surface. 図1の実施形態の空圧ベローステージに用いられている空圧ベローズアクチュエータの部分断面を含む概略図である。FIG. 3 is a schematic view including a partial cross section of a pneumatic bellows actuator used in the pneumatic bellows stage of the embodiment of FIG. 図1の構成に中央に冗長な数の空圧アクチュエータを加えることにより、圧力分布の調整を可能とした空圧ベローステージの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a pneumatic bellows stage which made it possible to adjust a pressure distribution by adding a redundant number of pneumatic actuators in the center to the configuration of FIG. 1. 図1の構成に中央に口径の大きな空圧アクチュエータを加えることにより、荷重と座屈限界を改善した空圧ベローステージの概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a pneumatic bellows stage in which a load and a buckling limit are improved by adding a pneumatic actuator having a large diameter in the center to the configuration of FIG. 1. 底面のみで保持された空圧ベローズアクチュエータによる、空圧ベローステージの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a pneumatic bellows stage by a pneumatic bellows actuator held only on the bottom surface. 図5の構成に中央に口径の大きな空圧アクチュエータを加えることにより、荷重と座屈限界を改善するとともに、位置決め精度を改善した空圧ベローステージの概略構成図である。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a pneumatic bellows stage in which a load and a buckling limit are improved and positioning accuracy is improved by adding a pneumatic actuator having a large diameter in the center to the configuration of FIG. 図1において、水平方向駆動用ベローズの冗長度を増した例を示す。水平方向駆動用ベローズに引張応力により座屈を防止できる利点がある。FIG. 1 shows an example in which the redundancy of the horizontal drive bellows is increased. The horizontal drive bellows has the advantage of being able to prevent buckling due to tensile stress. 図5に示された空圧べローズをバネダンパーに置き換えた場合のステージ模式図を示す。A schematic diagram of the stage when the pneumatic bellows shown in FIG. 5 is replaced with a spring damper is shown. 図8においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。FIG. 8 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B). 図8においてx方向(水平)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 8 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the x direction (horizontal). 図8においてy方向(垂直)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 8 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the y direction (vertical). 図6に示された空圧べローズをバネダンパーに置き換えた場合のステージ模式図を示す。A schematic diagram of the stage when the pneumatic bellows shown in FIG. 6 is replaced with a spring damper is shown. 図12においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。を示す。FIG. 12 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B). Is shown. 図12においてx方向(水平)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 12 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the x direction (horizontal). 図12においてy方向(垂直)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 12 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the y direction (vertical). 図1に示された空圧べローズをバネダンパーに置き換えた場合のステージ模式図を示す。A schematic diagram of the stage when the pneumatic bellows shown in FIG. 1 is replaced with a spring damper is shown. 図16においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。FIG. 16 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B). 図16においてx方向(水平)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 16 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the x direction (horizontal). 図16においてy方向(垂直)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 16 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the y direction (vertical). 図7に示された空圧べローズをバネダンパーに置き換えた場合のステージ模式図を示す。A schematic diagram of the stage when the pneumatic bellows shown in FIG. 7 is replaced with a spring damper is shown. 図20においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。FIG. 20 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B). 図20においてx方向(水平)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 20 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the x direction (horizontal). 図20においてy方向(垂直)の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。FIG. 20 shows a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the y direction (vertical). 図1の空圧ベローズ構成を用いた、超音波接合装置の模式図を示す。A schematic diagram of an ultrasonic bonding device using the pneumatic bellows configuration of FIG. 1 is shown. 図7の空圧ベローズ構成を用いた、半導体ウェファ熱圧着装置の模式図を示す。A schematic diagram of a semiconductor wafer thermocompression bonding apparatus using the pneumatic bellows configuration of FIG. 7 is shown.

以下、ステージの6自由度(6DOF)あるいはそれを上回る数の金属ベローズをステージに直づけし、ウェファあるいはチップ接合装置に必要な推力と精度を確保した加圧装置の構成例を示す。ロッド長制御方式のヘキサポッドの場合、6自由度を持つステージの位置制御には6本の伸縮ロッドあるいは7本のストリングが必要である。制御軸を更に追加することは、死点を回避するためには有効であるが、伸縮長さの組み合わせに拘束条件が生ずるため、制御誤差により制御対象に過大な内部応力が発生する恐れがある。一方本発明による、アクチュエータがバネ定数を持つ力制御の場合、アクチュエータの数に係わらず、複数のバネの弾性エネルギーが最小となるように平衡位置が定まるのでアクチュエータの冗長性が制御性を阻害することが無い。 Hereinafter, a configuration example of a pressurizing device in which a metal bellows having 6 degrees of freedom (6DOF) or more of the stage is directly attached to the stage to secure the thrust and accuracy required for a wafer or a chip joining device will be shown. In the case of the rod length control type hexapod, 6 telescopic rods or 7 strings are required to control the position of the stage having 6 degrees of freedom. Adding more control axes is effective in avoiding dead center, but there is a risk that excessive internal stress will be generated in the controlled object due to control errors due to constraints on the combination of expansion and contraction lengths. .. On the other hand, in the case of force control in which the actuator has a spring constant according to the present invention, the equilibrium position is determined so that the elastic energy of a plurality of springs is minimized regardless of the number of actuators, so that the redundancy of the actuator hinders controllability. There is no such thing.

金属ベローズには溶接型と成形型がある。いずれも、真空フランジの規格に準拠して、可動部や位置合わせが必要な真空機器に使用されている。成形ベローズは、溶接ベローズよりも安価で、真空粗挽き排管や、真空チェンバ同士の接続などに多用されている。例えば株式会社ミラプロ(山梨県北杜市須玉町穴平 1100番地)、大阪ラセン管工業株式会社(大阪市西淀川区姫里3-12-33)、入江工研株式会社(東京都千代田区丸の内3-1-1 国際ヒ゛ル813)、南国フレキ管工業株式会社(大阪府大東市新田北町5番9号)など各社から予め標準的なサイズが準備されている。本発明では、適度に弾性を持つステンレス製成形ベローズを使用する。 There are welding molds and molding molds for metal bellows. Both are used for vacuum equipment that requires moving parts and alignment in accordance with the vacuum flange standard. Molded bellows are cheaper than welded bellows and are often used for vacuum coarsely ground pipes and connection between vacuum chambers. For example, Mirapro Co., Ltd. (1100 Anadaira, Sutama-cho, Hokuto-shi, Yamanashi), Osaka Rasen Kanko Kogyo Co., Ltd. (3-12-33 Hime-ri, Nishiyodogawa-ku, Osaka), Irie Koken Co., Ltd. (3-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo) -1 International Building 813), Tropical Flexible Pipe Industry Co., Ltd. (5-9 Shinden Kitamachi, Daito City, Osaka Prefecture) and other companies have prepared standard sizes in advance. In the present invention, a stainless molded bellows having moderate elasticity is used.

これらの金属成形ベローズを、空気圧ベローズとして加圧ステージに転用した場合に必要な仕様として、垂直方向ストローク8mm、水平方向ストローク±1mmを満たす、ベローズの諸元を表1に示す。板厚や口径、山の形状により様々な推力の金属成形ベローズが設計可能である。昇降用ベローズの推力を1気圧あたり、600~1800Nとすると、フランジ呼び径としては65A~150Aが相当し、座屈限界は0.2~0.7MPaとなる。例えば有効面積58.5cm2、座屈圧力0.2MPaの昇降用ベローズ(表1:#65-1)を3本使用した加圧装置の最大推力は、3,600N(600Nx2気圧x3本)となる。 Table 1 shows the specifications of the bellows that satisfy the vertical stroke of 8 mm and the horizontal stroke of ± 1 mm as the specifications required when these metal molded bellows are diverted to the pressure stage as pneumatic bellows. It is possible to design metal molded bellows with various thrusts depending on the plate thickness, diameter, and shape of the mountain. Assuming that the thrust of the elevating bellows is 600 to 1800 N per atmosphere, the flange nominal diameter corresponds to 65 A to 150 A, and the buckling limit is 0.2 to 0.7 MPa. For example, the maximum thrust of a pressurizing device using three elevating bellows (Table 1: # 65-1) with an effective area of 58.5 cm 2 and a buckling pressure of 0.2 MPa is 3,600 N (600 N x 2 atm x 3).

また、位置決め用ベローズに使用する小口径ベローズ(表1:#25-2)の場合、有効面積は、12.5cm2座屈圧力は、0.08Maと1気圧以下となる。従って、座屈を防ぐためには、負圧を含めた±0.5気圧程度の範囲で使用する必要がある。ベローズの形状や、板厚を厚くして、座屈圧力を増すことも有効である。例えば、ベローズ口径を拡大して(表1:#50-2)ベローズのバネ定数を大きくすると共に、冗長度を持つ構成では、引張応力を発生する状態に保持することにより座屈を防ぐことができる。 In the case of a small-diameter bellows (Table 1: # 25-2 ) used for the positioning bellows, the effective area is 12.5 cm and the buckling pressure is 0.08 Ma, which is 1 atm or less. Therefore, in order to prevent buckling, it is necessary to use it in the range of about ± 0.5 atm including negative pressure. It is also effective to increase the buckling pressure by increasing the shape and thickness of the bellows. For example, it is possible to prevent buckling by enlarging the bellows diameter (Table 1: # 50-2) to increase the bellows spring constant and holding it in a state where tensile stress is generated in a configuration with redundancy. can.

Figure 2022080357000002
Figure 2022080357000002

上掲の表1に併記したベローズのバネ定数は、軸方向および軸直角方向に1mm変位させた場合の反発力を示す。例えば、降用ベローズ(表1:#65-1)の軸方向のバネ定数は16.4N/mmであることからを1mm駆動させるため空気圧は、3KPa程度となる。ステージを水平方向に移動させる場合、垂直方向に設置されたベローズの軸直角方向のバネ定数が抗力として加算される。例えば、圧力レンジ±0.5気圧(1気圧は0.1MPa)の電空アクチュエータにより設定可能な圧力の精度は数十Paであるので、加圧ステージの位置決め精度を向上するためには、ベローズの板厚や形状を調節したり、バネを併設して、ステージ全体の剛性と必要なストロークの積がベローズの推力と同程度とすることが有効である。参考文献7では、1軸の制御において、400[kPa]に対し,300[㎛]の変位が得られるよう、金属ベローズと並列に弾性ヒンジを設置している。 The bellows spring constants shown in Table 1 above indicate the repulsive force when displaced by 1 mm in the axial direction and the axial perpendicular direction. For example, since the spring constant in the axial direction of the descending bellows (Table 1: # 65-1) is 16.4 N / mm, the air pressure is about 3 KPa to drive 1 mm. When moving the stage in the horizontal direction, the spring constant in the direction perpendicular to the axis of the bellows installed in the vertical direction is added as a drag force. For example, the accuracy of the pressure that can be set by an electropneumatic actuator with a pressure range of ± 0.5 atm (1 atm is 0.1 MPa) is several tens of Pa, so in order to improve the positioning accuracy of the pressurizing stage, the thickness of the bellows It is effective to adjust the shape and shape, or to install a spring so that the product of the rigidity of the entire stage and the required stroke is about the same as the thrust of the bellows. In Reference 7, an elastic hinge is installed in parallel with the metal bellows so that a displacement of 300 [㎛] can be obtained with respect to 400 [kPa] in the control of one axis.

表1において、同一呼び径においても、板厚や山の形状を変えることにより、様々なバネ定数を持つ金属ベローズを選定することができる。例えば、呼び径65Aのベローズにおいて、板厚を0.2から0.4mmに増加することにより座屈圧力は、0.2から0.51MPaに、またバネ定数は、板厚に応じて16.4から94.7N/mmに増加している。昇降用ベローズの軸直角方向のバネ定数は、6自由度ステージの水平方向の変位に対する抗力となるため、適切な金属ベローズの選定により、付加的なバネ無しに、水平、垂直および回転方向に対し、必要な抗力およびストロークを設計することができる。 In Table 1, metal bellows having various spring constants can be selected by changing the plate thickness and the shape of the mountain even if they have the same nominal diameter. For example, in a bellows with a nominal diameter of 65 A, the buckling pressure increases from 0.2 to 0.51 MPa by increasing the plate thickness from 0.2 to 0.4 mm, and the spring constant increases from 16.4 to 94.7 N / mm depending on the plate thickness. is doing. The spring constant in the direction perpendicular to the axis of the elevating bellows is a resistance to the horizontal displacement of the 6-degree-of-freedom stage, so by selecting an appropriate metal bellows, with respect to the horizontal, vertical and rotational directions without additional springs. , The required resistance and stroke can be designed.

図1は、本発明に基づく金属フレキベローズを用いた6自由度加圧ステージの模式図を示す。1辺223mmの6角形厚さ20mmのアルミ合金製昇降ステージ1の底面に、3本の太い垂直方向駆動用空圧ベローズ2(表1:#65-1)が、またステージの側面において、ステージの中心からオフセットした位置にて3本の細い水平方向駆動用空圧ベローズ3(表1:#25-2)が配置されている。水平方向のベローズ3は、それぞれ、ベローズ軸に直交する壁面(図示せず)に固定されている。3本の垂直方向駆動用空圧ベローズ2は、主にZ方向およびあおり(α:ローリング・β:ピッチング)を制御し、3本の水平方向のベローズ3は、主にX,Y方向とZ軸廻りの回転方向(θ:ヨーイング)を制御する。ステージ中心からのオフセット距離は、Z軸廻りの回転トルクを与える。垂直方向のベローズの直径を水平方向のベローズよりも大きくすることにより、加圧装置に必要な推力を確保するとともに、水平、回転方向用ベローズの直径を小さくすることにより、印加圧力に対する水平方向出力を減らし、位置決め精度を向上させている。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a 6-DOF pressurization stage using a metallic flexible bellows based on the present invention. On the bottom of the hexagonal aluminum alloy elevating stage 1 with a side of 223 mm and a thickness of 20 mm, three thick pneumatic bellows 2 for vertical drive (Table 1: # 65-1) are placed on the side of the stage. Three thin horizontal drive pneumatic bellows 3 (Table 1: # 25-2) are arranged at positions offset from the center of the above. Each of the bellows 3 in the horizontal direction is fixed to a wall surface (not shown) orthogonal to the bellows axis. The three pneumatic bellows 2 for vertical drive mainly control the Z direction and tilt (α: rolling, β: pitching), and the three horizontal bellows 3 mainly control the X, Y directions and Z. Controls the rotation direction (θ: yawing) around the axis. The offset distance from the center of the stage gives the rotational torque around the Z axis. By making the diameter of the vertical bellows larger than that of the horizontal bellows, the thrust required for the pressurizing device is secured, and by reducing the diameter of the horizontal and rotational bellows, the horizontal output with respect to the applied pressure. Is reduced and the positioning accuracy is improved.

3本の水平方向駆動用ベローズ3の軸は、概ね、3本の垂直方向の駆動軸に直交している。従って、水平方向のベローズの伸縮により、ほとんど垂直方向の移動なしに、水平方向にステージが移動する。但し、図1の配置では、ベローズ軸は、ステージの中心軸から離して設置されているため、それぞれのベローズの伸縮により並進と回転運動が同時に起こる。従って、並進運動のみの場合は、回転運動を打ち消すように圧力を調整する必要がある。また、3本の水平方向駆動用ベローズ3が同時に伸びると、昇降ステージ1は、時計廻りに回転する。 The axes of the three horizontal drive bellows 3 are approximately orthogonal to the three vertical drive axes. Therefore, the expansion and contraction of the bellows in the horizontal direction causes the stage to move in the horizontal direction with almost no vertical movement. However, in the arrangement shown in FIG. 1, since the bellows shaft is installed away from the central axis of the stage, translational movement and rotational movement occur at the same time due to expansion and contraction of each bellows. Therefore, in the case of translational motion only, it is necessary to adjust the pressure so as to cancel the rotational motion. Further, when the three horizontal drive bellows 3 are extended at the same time, the elevating stage 1 rotates clockwise.

昇降ステージ1のZ方向およびあおりをステージ上面3ヶ所に配置された垂直方向距離センサー4により、またX,Y方向とZ軸廻りの回転方向をステージ側面3ヶ所に配置された水平方向距離センサー5により計測する。 The Z direction and tilt of the elevating stage 1 are measured by the vertical distance sensors 4 arranged at three locations on the upper surface of the stage, and the horizontal distance sensors 5 are arranged at three locations on the side surface of the stage in the X and Y directions and the rotation direction around the Z axis. Measured by.

図2は、垂直方向駆動用空圧ベローズ2の内部を示す部分断面図である。上部フランジ2-1、ステンレスフレキシブルベローズ2-2、下部フランジ2-3が気密溶接されている。下部フランジの内部には、空気導入孔2-4および空気排出孔2-5が設けられた円筒ブロックが設けられている。円筒ブロックによりベローズ内部の容積を減らすことにより、空圧制御の時間応答を改善する。円筒の上部隙間は、垂直方向駆動用空圧ベローズ2の設計ストローク以内に変形範囲を限定する機能もある。円筒ブロックによる内部容積を減らすためにも、ベローズ軸に沿ってステージが駆動され、ベローズの直交方向の変位が少ないことが望ましい。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the inside of the pneumatic bellows 2 for driving in the vertical direction. The upper flange 2-1 and the stainless flexible bellows 2-2 and the lower flange 2-3 are airtightly welded. Inside the lower flange, a cylindrical block provided with air introduction holes 2-4 and air discharge holes 2-5 is provided. The cylindrical block reduces the volume inside the bellows to improve the time response of pneumatic control. The upper gap of the cylinder also has a function of limiting the deformation range within the design stroke of the pneumatic bellows 2 for driving in the vertical direction. In order to reduce the internal volume of the cylindrical block, it is desirable that the stage is driven along the bellows axis and the displacement of the bellows in the orthogonal direction is small.

図3では、中央部に垂直方向駆動用空圧ベローズ6(表1:#65-1)が追加されている。空気圧べローズは、バネ作用と空気圧による力制御作用を有するので、昇降ステージ1の機械的自由度6以上の本数を接続しても、過拘束とならない。垂直方向駆動用空圧ベローズの数を増やすことにより、半導体ウェファ接合におけるそりの補正や、接合面の開始位置などを細かく調整することが可能になる。 In FIG. 3, a pneumatic bellows 6 for vertical drive (Table 1: # 65-1) is added to the central portion. Since the pneumatic bellows has a spring action and a force control action by pneumatic pressure, even if a number of elevating stages 1 having a mechanical degree of freedom of 6 or more are connected, they are not over-constrained. By increasing the number of pneumatic bellows for vertical drive, it is possible to correct the warp in the semiconductor wafer joint and finely adjust the start position of the joint surface.

図4は、垂直方向を駆動するベローズを図3と同じく4本とし、垂直荷重を荷なう太い中央部垂直方向駆動用空圧ベローズ6(表1:#125-2)の周囲に、あおり動作を担当する3本の細い垂直方向駆動用空圧ベローズ2(表1:#25-2)と水平移動および回転を担当する水平方向駆動用空圧ベローズ3(表1:#25-2)を配した例を示す。水平動作およびあおり動作のベローズの直径を小さくすることにより、圧力制御に対する推力を減少させ、精密な位置決めおよびあおり制御を可能にしている。一般にベローズの直径を増加することにより、一山あたりの弾性常数が直径に比例して増加する。また推力は、ベローズの有効面積に比例するため、座屈限界推力は、ベローズ直径の3乗に比例して増加する。逆にベローズの口径を小さくすると、座屈限界圧力が減少するが、太い中央部垂直方向駆動用空圧ベローズ6には陽圧を与え、口径の小さい垂直方向駆動用ベローズ2は減圧状態にして、常に張力が加えられるように圧力調整を行うことにより、座屈を防止できる。あるいは、細い垂直方向駆動用空圧ベローズ2の板厚を厚くし、予め自然長よりは伸長させて引張応力を発生することにより、陽圧においても座屈を防ぐことができる。 In FIG. 4, the number of bellows for driving in the vertical direction is the same as in FIG. 3, and the number of bellows is set to four. Three thin vertical drive pneumatic bellows 2 (Table 1: # 25-2) in charge of operation and horizontal drive pneumatic bellows 3 (Table 1: # 25-2) in charge of horizontal movement and rotation. An example of arranging is shown. By reducing the diameter of the bellows for horizontal and tilting motions, the thrust for pressure control is reduced, enabling precise positioning and tilting control. Generally, by increasing the diameter of the bellows, the elastic constant per mountain increases in proportion to the diameter. Further, since the thrust is proportional to the effective area of the bellows, the buckling limit thrust increases in proportion to the cube of the bellows diameter. On the contrary, if the diameter of the bellows is reduced, the buckling limit pressure is reduced, but positive pressure is applied to the thick central vertical drive pneumatic bellows 6, and the small diameter vertical drive bellows 2 is depressurized. By adjusting the pressure so that tension is always applied, buckling can be prevented. Alternatively, buckling can be prevented even under positive pressure by increasing the thickness of the thin pneumatic bellows 2 for vertical drive 2 and extending it in advance from the natural length to generate tensile stress.

また、図4においては、図1,図3に配置された水平方向距離センサー5の代わりに、2台のアライメント用顕微鏡7が用いられている。2ヶ所のアライメントマーク8の中心座標を画像処理により検出することにより水平方向(X,Y)とZ軸周りの回転を検出することができる。アライメント顕微鏡に用いるディジタルカメラとしては、例えば東京都日野市旭が丘4-7-1在の東芝テリー製M160などからビニングしてVGA (640x520画素)程度に画素数を制限することにより、汎用CMOSカメラでも500fps程度のフレームレイトを確保することができる。並列画層処理技術により、数msec程度の時間遅れでマーク位置を検出することができ、接合時のその場観察・制御が可能になる。尚、x20倍の対物レンズを用いた解像度は1μm程度である。 Further, in FIG. 4, two alignment microscopes 7 are used instead of the horizontal distance sensors 5 arranged in FIGS. 1 and 3. By detecting the center coordinates of the two alignment marks 8 by image processing, it is possible to detect the rotation in the horizontal direction (X, Y) and around the Z axis. As a digital camera used for an alignment microscope, for example, a general-purpose CMOS camera can be used by binning from a Toshiba Terry M160 located in 4-7-1 Asahigaoka, Hino-shi, Tokyo and limiting the number of pixels to about VGA (640x520 pixels). A frame rate of about 500 fps can be secured. With the parallel layer processing technology, the mark position can be detected with a time delay of about several msec, and in-situ observation and control at the time of joining becomes possible. The resolution using the x20x objective lens is about 1 μm.

図5は、従来の伸縮型リニアアクチュエータとユニバーサルジョイントを用いたヘキサポッドを金属フレキベローズに置き換えた場合を示す。この構成では、やや大きな口径の斜め方向空圧ベローズ9(表1:#50-2)6本が、3対を構成し、ベローズ9とステージ1の法線のなす角度は、概ね30°であり、図中破線で示す様に、それぞれのベローズ対の軸は、ステージ上方3点で交叉している。それぞれのベローズ対の底部は、ベローズ対の軸が交叉した点を底面(記載せず)に投影した点を基点とし、ステージ中心がなす線分から45°回転した位置に対照的に配置されている。図5の構成は、ベローズの固定面が平面であり、ベローズおよび固定治具の形状が全て同一であるため、設計や配置が容易であるという利点がある。一方、ベローズの長さLに対して、ステージの高さHがベローズとステージの法線の角度をαとするとH = L・cos(α)< 1となり、同一ストロークを得るために必要なベローズ長が長くなる。一方、垂直方向の推力はcos(α)倍となるので、座屈を考慮した限界推力は、cos(α)^2だけ不利となる。斜め方向空圧ベローズ9の座屈限界圧力0.28MPaの使用圧力(~0.2MPa)における推力は268Nx2であり、ベローズとステージの法線の角度を30°とすると、6本のベローズからの推力は、2,800Nになる。 FIG. 5 shows a case where a hexapod using a conventional telescopic linear actuator and a universal joint is replaced with a metal flexible bellows. In this configuration, six diagonal pneumatic bellows 9 (Table 1: # 50-2) with a slightly larger diameter make up three pairs, and the angle between the bellows 9 and the normal of stage 1 is approximately 30 °. Yes, as shown by the broken line in the figure, the axes of each bellows pair intersect at three points above the stage. The bottom of each bellows pair is placed in contrast to a position rotated 45 ° from the line segment formed by the center of the stage, with the point where the axes of the bellows pair intersect is projected onto the bottom surface (not shown). .. The configuration of FIG. 5 has an advantage that the fixing surface of the bellows is flat and the shapes of the bellows and the fixing jig are all the same, so that the design and arrangement are easy. On the other hand, if the height H of the stage is α with respect to the length L of the bellows, then H = L · cos (α) <1 and the bellows required to obtain the same stroke. The length becomes longer. On the other hand, since the thrust in the vertical direction is cos (α) times, the limit thrust considering buckling is disadvantageous by cos (α) ^ 2. The thrust at the working pressure (~ 0.2MPa) at the buckling limit pressure of 0.28MPa of the diagonal pneumatic bellows 9 is 268Nx2, and if the angle between the bellows and the normal of the stage is 30 °, the thrust from the six bellows is , 2,800N.

図6は、図5において、垂直荷重を荷なう太い中央部垂直方向駆動用空圧ベローズ6(表1:#100-2)を追加した例を示す。中央部垂直方向駆動用空圧ベローズ6を加圧することにより、周辺の斜め方向空圧ベローズ9への圧力を減圧あるいは予め伸ばした位置に保持して引張応力を発生させることができ、座屈限界を緩和できる。また、斜め方向空圧ベローズ9は、垂直方向の推力を必要としないので、図5よりは、ステージに対して浅く(ベローズとステージの法線の角度を~60°に)設置し、有効径も小さめなベローズ(表1:#25-2)を使用している。すなわち、アライメント調整用ベローズの直径を小さくすることとともに、取り付け角度を調整することにより、座屈を防ぎつつ、設定圧力あたりのステージ駆動量を抑制し、精密なアライメントが可能になる。太い中央部垂直方向駆動用空圧ベローズ6(表1:#100-2)の座屈限界は0.3MPa,使用圧力0.2MPa程度であるため、ステージの最大推力は2,000N程度となる。 FIG. 6 shows an example in which a thick central vertical drive pneumatic bellows 6 (Table 1: # 100-2) for carrying a vertical load is added in FIG. By pressurizing the central vertical drive pneumatic bellows 6, the pressure on the peripheral diagonal pneumatic bellows 9 can be reduced or maintained in a pre-stretched position to generate tensile stress, and the buckling limit can be generated. Can be alleviated. Further, since the diagonal pneumatic bellows 9 does not require thrust in the vertical direction, it is installed shallower than the stage (the angle between the bellows and the normal of the stage is ~ 60 °) as compared with FIG. 5, and the effective diameter is set. Also uses a small bellows (Table 1: # 25-2). That is, by reducing the diameter of the bellows for alignment adjustment and adjusting the mounting angle, buckling is prevented, the stage drive amount per set pressure is suppressed, and precise alignment is possible. Since the buckling limit of the thick central vertical drive pneumatic bellows 6 (Table 1: # 100-2) is about 0.3 MPa and the working pressure is about 0.2 MPa, the maximum thrust of the stage is about 2,000 N.

図7は、水平方向のベローズを4本用いた例を示す。ストリングを用いるパラレルリンクステージの場合、系の自由度+1本のストリングが必要であることが知られているが、座屈圧力の低い細いベローズの圧力を大気圧以下に設定するか予め張力を与えることにより、引張状態となり、長いベローズでも座屈を回避することができる。そのため、図1の構成よりは、水平方向に長いストロークを確保することができる。また水平方向に長いベローズは、ステージ昇降に伴う軸方向に対して垂直な変形に対しても使用寿命の点で有利となる。 FIG. 7 shows an example using four horizontal bellows. In the case of a parallel link stage using strings, it is known that the degree of freedom of the system + 1 string is required, but the pressure of the thin bellows with low buckling pressure is set below atmospheric pressure or tension is applied in advance. As a result, it becomes a tension state, and buckling can be avoided even with a long bellows. Therefore, it is possible to secure a longer stroke in the horizontal direction than the configuration shown in FIG. Further, the bellows long in the horizontal direction is advantageous in terms of service life even for deformation perpendicular to the axial direction due to the raising and lowering of the stage.

空気圧ベローズを用いたパラレルリンクステージの制御性に関して、一定荷重に対するステージ変位や、各空気圧ベローズへの駆動圧力に対するステージ変位をpychrono(http://projectchrono.org/pychrono/)という名称の、剛体運動シミュレーションプログラムにより評価した。実際の空圧ベローズは、圧力に対して伸縮あるいは推力を発生すると同時に、ベローズ両端では、ベローズの傾きに対して抗力を発生する弾性ヒンジ作用がある。すなわち、金属フレキベローズは、両端接続部を弾性ヒンジで固定されたスプリングダンパーと空圧によりスプリング方向に力を発生するリニアアクチュエータとモデリングできる。但し今回は、ヒンジ部分のバネ定数を無視し、リニアスプリングダンパーがトルクを発生しないユニバーサルジョイントに接続されるとして計算した。従って、横方向のステージ剛性は過小評価となる。 Regarding the controllability of the parallel link stage using the pneumatic bellows, the stage displacement with respect to a constant load and the stage displacement with respect to the driving pressure to each pneumatic bellows are called pychrono (http://projectchrono.org/pychrono/), which is a rigid body motion. It was evaluated by a simulation program. The actual pneumatic bellows has an elastic hinge action that generates expansion and contraction or thrust with respect to pressure, and at the same time, at both ends of the bellows, generates drag with respect to the inclination of the bellows. That is, the metal flexible bellows can be modeled as a spring damper whose connection portions at both ends are fixed by elastic hinges and a linear actuator that generates a force in the spring direction by pneumatic pressure. However, this time, the spring constant of the hinge part was ignored, and the calculation was made assuming that the linear spring damper is connected to the universal joint that does not generate torque. Therefore, the lateral stage rigidity is underestimated.

空圧ベローズステージ制御性の評価としては、各空気圧ベローズの駆動に関して、ステージの剛体としての6自由度に対する応力が十分発生すること(死点が存在しないこと)。垂直推力が他の自由度に比べて大きく取れること。ステージに対する応力と空気圧ベローズへの駆動力、特に、使用強度の大きな垂直応力成分と微小な力制御を必要とするその他の応力成分間にできるだけ相互作用が無いこと、座屈の観点からは引張応力(負)が発生した状態が望ましい等が挙げられる。それらの観点から、図5、図6、図1および図7の空圧ベローズ配置に対応したスプリングダンパーモデルを解析した。 Pneumatic bellows As an evaluation of stage controllability, sufficient stress is generated for 6 degrees of freedom as a rigid body of the stage for driving each pneumatic bellows (there is no dead center). The vertical thrust can be increased compared to other degrees of freedom. There is as little interaction as possible between the stress on the stage and the driving force on the pneumatic bellows, especially the normal stress component with high working strength and other stress components that require minute force control, and the tensile stress from the viewpoint of buckling. A state in which (negative) is generated is desirable. From these points of view, the spring damper model corresponding to the pneumatic bellows arrangement of FIGS. 5, 6, 1 and 7 was analyzed.

図8は、図5に相当する、ヘキサポッド配置の空気圧ベローズステージに対応した模式図を示す。ステージとしては、質量7Kg、直径400mm、厚さ20mmの円板とし、自由長さ100mmのバネダンパーを円板の外周からステージ面法線に対して30°また、対となるバネダンパーの底面の投影角を±30°で配置した。ステージの高さは77mmである。バネ定数は、表1:#50-2に相当する14,700N/mとし、ダンピング定数として10N/(m/s)と仮定した。更に、ステージの剛性を評価するために、x,y,z方向に1mm、それぞれの軸の廻りに1°回転したときの抗力を算出した。図9は図8においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。本図では、y方向が垂直軸、左手前がx軸、右手前がz軸で表記されている。 FIG. 8 shows a schematic diagram corresponding to a pneumatic bellows stage in a hexapod arrangement, which corresponds to FIG. The stage is a disk with a mass of 7 kg, a diameter of 400 mm, and a thickness of 20 mm, and a spring damper with a free length of 100 mm is placed 30 ° from the outer circumference of the disk to the normal of the stage surface. The projection angle was arranged at ± 30 °. The height of the stage is 77mm. The spring constant was 14,700 N / m, which corresponds to Table 1: # 50-2, and the damping constant was assumed to be 10 N / (m / s). Furthermore, in order to evaluate the rigidity of the stage, the drag force when rotated 1 mm in the x, y, and z directions and 1 ° around each axis was calculated. FIG. 9 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B) in FIG. In this figure, the y direction is represented by the vertical axis, the left front is represented by the x axis, and the right front is represented by the z axis.

図10,11にそれぞれx方向およびy方向に1mmだけ変位させた後の、それぞれ、X軸(A)、Y軸(B)、Z軸(C)およびX軸廻り(D)、Y軸廻り(E)、Z軸廻り(F)におけるステージの自由振動波形の計算結果を示す。図10においては、水平方向(x方向(A))で周期5Hz、図11においては、垂直方向(y方向(B))で周期15Hzの減衰振動が得られた。初期条件をx方向のみに与えた場合、y、z方向の振幅は10-5程度(図10(B),(C))、回転に関しては、z軸方向に0.2°程度(図10(F))の付随的な振動が発生している。一方初期条件をy方向のみに与えた場合垂直(y軸、図11(B))の振動しか観測されない。これは,図9において、y方向変位に対応するステージ剛性行列要素(A)の2行目において、forceyに対応する2列目しか存在しないことに対応する。 X-axis (A), Y-axis (B), Z-axis (C), X-axis rotation (D), and Y-axis rotation, respectively, after being displaced by 1 mm in the x and y directions in FIGS. 10 and 11, respectively. (E), the calculation result of the free vibration waveform of the stage around the Z axis (F) is shown. In FIG. 10, a damping vibration having a period of 5 Hz in the horizontal direction (x direction (A)) and a period of 15 Hz in the vertical direction (y direction (B)) was obtained in FIG. When the initial conditions are given only in the x direction, the amplitude in the y and z directions is about 10 -5 (Fig. 10 (B), (C)), and the rotation is about 0.2 ° in the z axis direction (Fig. 10 (F)). )) Ancillary vibration is occurring. On the other hand, when the initial condition is given only in the y direction, only vertical (y-axis, FIG. 11B) vibration is observed. This corresponds to the fact that in FIG. 9, in the second row of the stage stiffness matrix element (A) corresponding to the displacement in the y direction, only the second column corresponding to force exists.

尚、図9において正が圧縮応力、負が引張応力に対応する。図9(A)において、垂直方向(y)の抗力が-53.2N/mmに対して水平方向(x、z)の抗力は-17.7N/mmである。また水平方向の変位に対して、xおよびz軸廻りにトルクが±3.2N発生しており、回転力が寄生的に発生することを示す。図9(B)において、各スプリングが発生する抗力は、垂直方向(y)変位に対してはすべて-11.4N/mm、水平方向の変位に対しては,±6N/mm程度の極性の異なる力が発生している。図9(B)は同時に、各列に相当する応力を発生した場合、それぞれ、x、y、---、rotZに至る6自由度の方向にステージが移動、回転することを示す。 In FIG. 9, positive corresponds to compressive stress and negative corresponds to tensile stress. In FIG. 9A, the drag in the vertical direction (y) is -53.2 N / mm, whereas the drag in the horizontal direction (x, z) is -17.7 N / mm. Further, with respect to the displacement in the horizontal direction, a torque of ± 3.2 N is generated around the x and z axes, indicating that the rotational force is generated parasitically. In FIG. 9B, the drag generated by each spring has different polarities of about -11.4 N / mm for vertical (y) displacement and ± 6 N / mm for horizontal displacement. Force is being generated. FIG. 9B shows that when stress corresponding to each row is generated at the same time, the stage moves and rotates in the direction of 6 degrees of freedom up to x, y, ---, and rotZ, respectively.

図12は、ヘキサポッド配置に加え、中央に大口径の空気圧ベローズ(表1:#100-2)を配置し、周辺に細いベローズ(表1:#25-2)を配置した図6に対応した空気圧ベローズステージの模式図示す。周辺ベローズの固定点の高さを上げることにより、周辺ベローズの取り付け角度を浅く(水平面から~30°)設定し、周辺ベローズにおける水平方向(x,z)と垂直方向(y)の推力をほぼ等しく設定している。すなわちアライメント調整は周辺ベローズにより行い、加圧は中心部のベローズを用いることにより、垂直方向の推力を保持しつつ、水平および回転、あおり方向のアライメント精度を向上することができる。 FIG. 12 corresponds to FIG. 6 in which a large-diameter pneumatic bellows (Table 1: # 100-2) is placed in the center and thin bellows (Table 1: # 25-2) are placed in the periphery in addition to the hexapod arrangement. The schematic diagram of the pneumatic bellows stage is shown. By increasing the height of the fixed point of the peripheral bellows, the mounting angle of the peripheral bellows is set shallow (~ 30 ° from the horizontal plane), and the thrust in the horizontal direction (x, z) and the vertical direction (y) in the peripheral bellows is almost the same. It is set equally. That is, the alignment adjustment is performed by the peripheral bellows, and the pressurization is performed by using the bellows in the central portion, so that the alignment accuracy in the horizontal, rotational, and tilting directions can be improved while maintaining the thrust in the vertical direction.

図13は、図12においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。ステージ剛性行列(A)の2行2列目(-23N/mm)は、垂直方向の剛性を示し、水平方向の剛性(-7.3 N/mm)よりも大きい。系の冗長度を利用して、バネ抗力行列(B)においては、中央ベローズ(sp0)に予め圧縮応力(~200N)、周辺ベローズ(sp1-sp6)に引張応力(~-90N)が発生するように、自由長あるいは空気圧を設定することにより、周辺ベローズを張力モードにバイアスし、細いベローズの座屈を防ぐことができる。また、垂直方向に限界座屈圧の大きい太いベローズを追加することにより、垂直方向の推力を増強することができる。図14および図15は、図12においてxおよびy方向の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。振動モードに関しては、図10,11に類似している。 FIG. 13 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B) in FIG. The second row and second column (-23 N / mm) of the stage stiffness matrix (A) show the stiffness in the vertical direction, which is larger than the stiffness in the horizontal direction (-7.3 N / mm). In the spring drag matrix (B), compressive stress (~ 200N) is generated in advance in the central bellows (sp0) and tensile stress (~ -90N) is generated in the peripheral bellows (sp1-sp6) using the redundancy of the system. As such, by setting the free length or air pressure, the peripheral bellows can be biased to the tension mode and buckling of the thin bellows can be prevented. Further, by adding a thick bellows having a large limit buckling pressure in the vertical direction, the thrust in the vertical direction can be enhanced. 14 and 15 show a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the x and y directions in FIG. The vibration mode is similar to FIGS. 10 and 11.

図16は図1に対応する空気圧ベローズ加圧装置の解析例を示す。垂直方向に太いベローズ(表1:#65-1)が3本、水平方向にステージ中心から30°の方向に、細いベローズ(表1:#25-2)が3本設置されている。バネ定数は、それぞれ16400N/mmおよび2500N/mmとした。図17は、図16においてステージ剛性行列(A)およびバネ抗力行列(B)の計算例を示す。図9に比較すると、x方向の剛性(3.7)に対して、y方向の剛性(49)が大きいこと、x方向の変位に対してz軸方向のトルクが発生しないことから、各軸の独立性が高い。但し、例えば図17(B)の1列目に示すようにx方向に移動させる場合や、図17(B)の5列目に示すように垂直方向のみを回転させる(rotY)場合には、水平に設置されたsp1-sp3に加えて、垂直方向に設置されたsp1vt-sp3vtを調節する必要がある。従って、平面方向のみの移動に際しても6本のベローズの設定圧力を並列的に制御することが必要になる。 FIG. 16 shows an analysis example of the pneumatic bellows pressurizing device corresponding to FIG. Three thick bellows (Table 1: # 65-1) are installed in the vertical direction, and three thin bellows (Table 1: # 25-2) are installed in the horizontal direction at 30 ° from the center of the stage. The spring constants were 16400 N / mm and 2500 N / mm, respectively. FIG. 17 shows a calculation example of the stage stiffness matrix (A) and the spring drag matrix (B) in FIG. Compared to FIG. 9, since the rigidity (49) in the y direction is larger than the rigidity (3.7) in the x direction and no torque is generated in the z-axis direction with respect to the displacement in the x direction, each axis is independent. Highly sex. However, for example, in the case of moving in the x direction as shown in the first column of FIG. 17 (B) or in the case of rotating only in the vertical direction (rotY) as shown in the fifth column of FIG. 17 (B). In addition to the horizontally installed sp1-sp3, it is necessary to adjust the vertically installed sp1vt-sp3vt. Therefore, it is necessary to control the set pressures of the six bellows in parallel even when moving only in the plane direction.

図18、図19においては、水平方向(x方向)、垂直方向(y方向)ともに周期5Hzの減衰振動が得られた。初期条件をx方向のみに与えた場合、y(図18(B))、z方向(図18(C))の振幅は10-5および10-9程度、回転に関しては、x(図18(D))軸まわりに10-5およびy軸廻りに10-3程度の付随的な振動が発生している。付随的な振動は、ヘキサポッドの配列に準じた図10よりは2桁以上抑制されている。また初期条件をy方向のみに与えた場合は、図10と同じく垂直(y軸、図19(B))の振動しか観測されない。これは,図17においても、y方向変位に対応する2行目の行列要素が、forceyに対応する2列目しか存在しないことに対応する。平面に拘束された剛体の自由度(DOF)は3であり、3本のバネにより位置決めが可能であるが、バネには、圧縮力と張力の両方を与える必要がある。実際、図17(B)において、各軸方向の変位によるバネの抗力の符号は混在している。 In FIGS. 18 and 19, damped vibrations having a period of 5 Hz were obtained in both the horizontal direction (x direction) and the vertical direction (y direction). When the initial conditions are given only in the x direction, the amplitudes in the y (FIG. 18 (B)) and z directions (FIG. 18 (C)) are about 10-5 and 10-9 , and the rotation is x (FIG. 18 (FIG. 18 (C)). D)) Ancillary vibrations of about 10-5 are generated around the axis and about 10-3 are generated around the y-axis. The accompanying vibration is suppressed by two orders of magnitude or more as compared with FIG. 10 according to the arrangement of hexapods. Further, when the initial condition is given only in the y direction, only vertical (y-axis, FIG. 19 (B)) vibration is observed as in FIG. 10. This corresponds to the fact that also in FIG. 17, the matrix element in the second row corresponding to the displacement in the y direction exists only in the second column corresponding to forcey. A rigid body constrained to a plane has a degree of freedom (DOF) of 3 and can be positioned by three springs, which must be subjected to both compressive and tension. In fact, in FIG. 17B, the signs of the drag force of the spring due to the displacement in each axial direction are mixed.

図20は図7に示された空圧べローズをバネダンパーに置き換えた場合のステージ模式図を示す。水平方向に1本冗長度を加えることにより、バネに予め張力を与えることができる。実際、図21のバネ抗力行列(B)において、水平方向に対応するforce_sp1a, force_sp1b, force_sp2a, force_sp2bの抗力はすべて負(張力)に設定できる。図22および図23においてx方向およびy方向の初期変位に対するステージ過渡応答の計算例を示す。x方向(図22(A))およびy方向(図23(B))の初期振幅1mmの自由振動に対して、それ以外の方向の付随的な振動は発生していない。実際、図21ステージ剛性行列(A)の非対角項でゼロ成分が多く、位置決め制御が容易になる。また、この構成では、水平ベローズは、ひも(string)と見なせるので、座屈の恐れなく小口径でストロークの長いベローズを選定することができる。 FIG. 20 shows a schematic view of the stage when the pneumatic bellows shown in FIG. 7 is replaced with a spring damper. By adding one redundancy in the horizontal direction, tension can be applied to the spring in advance. In fact, in the spring drag matrix (B) of FIG. 21, all the drags of force_sp1a, force_sp1b, force_sp2a, and force_sp2b corresponding to the horizontal direction can be set to negative (tension). 22 and 23 show a calculation example of the stage transient response to the initial displacement in the x-direction and the y-direction. No incidental vibrations in other directions occur with respect to the free vibrations having an initial amplitude of 1 mm in the x direction (FIG. 22 (A)) and the y direction (FIG. 23 (B)). In fact, the off-diagonal term of the stage stiffness matrix (A) in FIG. 21 has many zero components, which facilitates positioning control. Further, in this configuration, since the horizontal bellows can be regarded as a string, it is possible to select a bellows having a small diameter and a long stroke without fear of buckling.

電空アクチュエータによる空気圧設定範囲は、真空から座屈限界の3気圧程度が妥当で、その設定精度は、圧力レンジの1/1,000~1/10,000程度が限界である。そのため、加圧装置の位置決め精度を決める方向においては、ベローズの口径を最適化し、水平方向のステージ剛性と発生推力を勘案して、設定可能な圧力範囲でのステージ水平移動範囲を必要最小限(~1mm以下)にすることが望ましい。一方加圧方向には、ベローズの口径を大きく、かつベローズ軸を垂直に設定し、必要な推力確保する必要がある。その際にも、垂直方向の位置決め精度は、垂直方向のバネ定数に比例することを勘案して、ベローズの垂直方向のバネ定数を調整するか、コイルバネなどを付加する必要がある。 The air pressure setting range by the electropneumatic actuator is appropriate from vacuum to the buckling limit of about 3 atm, and the setting accuracy is limited to about 1/1000 to 1 / 10,000 of the pressure range. Therefore, in the direction of determining the positioning accuracy of the pressurizing device, the diameter of the bellows is optimized, and the horizontal stage rigidity and generated thrust in the horizontal direction are taken into consideration, and the horizontal stage movement range within the settable pressure range is the minimum necessary ( ~ 1 mm or less) is desirable. On the other hand, in the pressurizing direction, it is necessary to increase the diameter of the bellows and set the bellows axis vertically to secure the necessary thrust. Also in that case, it is necessary to adjust the vertical spring constant of the bellows or add a coil spring or the like, considering that the vertical positioning accuracy is proportional to the vertical spring constant.

以下、より具体的に超音波接合装置を構成した場合の本発明実施例に就き説明するに、図1に示す空気圧ベローズ配置に基づいた超音波接合装置を、図24に示す。昇降ステージ1の側面3ヶ所にストッパ兼支柱11を設け、ベース板10と上板12を連結している。中央部分の凹みを用いて、昇降ステージ1を挟み込み、ステージの水平方向の可動範囲を±1mm、上下方向のストロークを8mmに制限している。 Hereinafter, an ultrasonic bonding device based on the pneumatic bellows arrangement shown in FIG. 1 will be described with reference to an embodiment of the present invention in the case where the ultrasonic bonding device is configured more specifically. Stoppers and columns 11 are provided at three locations on the side surface of the elevating stage 1, and the base plate 10 and the upper plate 12 are connected to each other. The elevating stage 1 is sandwiched by using the recess in the central part, and the horizontal movable range of the stage is limited to ± 1 mm and the vertical stroke is limited to 8 mm.

上板12には、レーザ干渉型の垂直方向距離センサー4が3ヶ所に設置されて、上下およびあおり方向の計測・制御を行う。また、支柱11の側面(3ヶ所)には、3角測量型のレーザ距離計を用いた水平方向距離センサー5が設けられ水平方向のステージ位置および回転を計測制御する。通常エアーアクチュエータはシリンダーなどの摺動機構で上下方向のみにストロークを制限するが、6方向の側面の距離を能動的に制御することによりステージの位置および姿勢を一義的に決めることが可能となり、摺動機構が不要となる。 Laser interference type vertical distance sensors 4 are installed at three locations on the upper plate 12 to measure and control the vertical and tilting directions. Further, a horizontal distance sensor 5 using a triangular survey type laser range finder is provided on the side surface (three places) of the support column 11 to measure and control the stage position and rotation in the horizontal direction. Normally, air actuators use a sliding mechanism such as a cylinder to limit the stroke only in the vertical direction, but by actively controlling the distance between the sides in six directions, the position and posture of the stage can be uniquely determined. No sliding mechanism is required.

昇降ステージ1の上には、超音波ホーン13が設けられ、また上板12の下面には、試料吸着ステージ14が設けられている。半導体チップの導入には、4軸マニュピュレータ15を使用する。まず、昇降ステージ1をストッパの下限まで下ろし、超音波ホーン13および試料吸着ステージ14のそれぞれに向きを反転しつつ2枚の半導体チップを吸着、固定する。 An ultrasonic horn 13 is provided on the elevating stage 1, and a sample adsorption stage 14 is provided on the lower surface of the upper plate 12. A 4-axis manipulator 15 is used for introducing the semiconductor chip. First, the elevating stage 1 is lowered to the lower limit of the stopper, and the two semiconductor chips are adsorbed and fixed while reversing the directions of the ultrasonic horn 13 and the sample adsorption stage 14.

上板12には、赤外顕微鏡16が設けられている。2枚の半導体チップの隙間が20μm程度になった時点で、赤外顕微鏡16を用いて、それぞれの半導体チップのアライメントマークを複数位置で確認し、それぞれのチップに設けられたアライメントマークの中心位置が一致するように水平方向駆動用ベローズを制御する。 An infrared microscope 16 is provided on the upper plate 12. When the gap between the two semiconductor chips becomes about 20 μm, the alignment mark of each semiconductor chip is confirmed at multiple positions using an infrared microscope 16, and the center position of the alignment mark provided on each chip is confirmed. Control the horizontal drive bellows so that they match.

アライメント位置を確認・微調整しながら昇降ステージ1を上昇させ、力対変位の変動を測定し、サンプル同士が重なり合った時点で、超音波加振を開始する。更に荷重(垂直方向駆動用ベローズの圧力)を増加させ、所定(~2μm)のバンプ変形に基づく変位を3ヶ所における垂直方向距離センサー4を用いて計測制御する。 While confirming and fine-tuning the alignment position, the elevating stage 1 is raised, the fluctuation of force vs. displacement is measured, and when the samples overlap, ultrasonic vibration is started. Further, the load (pressure of the bellows for driving in the vertical direction) is increased, and the displacement based on the bump deformation of a predetermined value (up to 2 μm) is measured and controlled by using the vertical distance sensors 4 at three locations.

アライメントマークによる2つのチップの水平位置および回転角の位置合わせには、少なくとも2ヶ所のアライメントマークが必要となる。赤外顕微鏡16をXYステージ17で移動して複数のアライメントマークのズレを計測する方法と複数の画像を同時に撮影して位置と回転角を計測する方法がある。複数の画像を同時に計測する方が、高速位置サンプリングが必要な運動学的制御には有利であるが、赤外カメラの撮像チップと同程度以下のチップサイズにおいては、スプリットイメージングなどの光学系が必要となる。尚、赤外顕微鏡を用いたアライメントマークの画像解析を行う場合には、昇降ステージ1の側面に設けた水平方向距離センサー5による制御は、比較的高倍率(~x20)の対物レンズの視野にアライメントマーク像が入る程度の精度(~±50μm)で良いため、比較的安価な3角測量型のレーザ距離計5を用いている。 At least two alignment marks are required to align the horizontal position and the angle of rotation of the two chips with the alignment marks. There are a method of moving the infrared microscope 16 on the XY stage 17 to measure the deviation of a plurality of alignment marks, and a method of simultaneously capturing a plurality of images to measure the position and the angle of rotation. Simultaneous measurement of multiple images is advantageous for kinematic control that requires high-speed position sampling, but for chip sizes smaller than the imaging chip of infrared cameras, optical systems such as split imaging are available. You will need it. When performing image analysis of the alignment mark using an infrared microscope, the control by the horizontal distance sensor 5 provided on the side surface of the elevating stage 1 is controlled by the field of view of the objective lens having a relatively high magnification (~ x20). A relatively inexpensive triangular survey type laser rangefinder 5 is used because the accuracy (up to ± 50 μm) at which an alignment mark image can be inserted is sufficient.

図7に示す空気圧ベローズ配置に基づいた半導体ウェファ接合装置を、図25に示す。ハッチング部は、部分的な断面を示す。図7に示す空気圧ベローズ配置は、水平駆動用ベローズ3が両側左右対称に配置されるため、ウェファ搬入経路が広く取れる利点がある。水平駆動用ベローズ3の変位は、ベローズの軸に対して直交する方向に±4mm設定されている。そのため、ベローズ内部の空気圧容量を減らすためのブロックの先端方向にテーパを設けている。 A semiconductor wafer joining device based on the pneumatic bellows arrangement shown in FIG. 7 is shown in FIG. 25. The hatched portion shows a partial cross section. The pneumatic bellows arrangement shown in FIG. 7 has an advantage that the wafer carry-in route can be widely taken because the horizontal drive bellows 3 are arranged symmetrically on both sides. The displacement of the horizontal drive bellows 3 is set to ± 4 mm in the direction orthogonal to the axis of the bellows. Therefore, a taper is provided in the direction of the tip of the block to reduce the pneumatic capacity inside the bellows.

ウェファ接合の場合、ウェファ温度を300℃程度に昇温する必要がある。従って試料吸着ステージ14および下側試料加熱ステージ20は、シースヒータなどを組み込んだ金属プレートをセラミックスペーサなどで断熱した構造となる。その際、昇降ステージ1、垂直および水平方向駆動用ベローズの一部も加熱される。ベローズ駆動部分の耐熱性は、それらの基部シール部分にバイトンやテフロンOリング21を用いた場合~100-150℃、Oリングを用いない溶接シール構造の場合は300℃程度の耐熱性がある。またベローズは比較的熱伝導度の悪いステンレス薄板でできているため、ステージ面に接する部分と基部とで100℃以上の温度差を設けることができる。すなわち、潤滑油の使用が不可避である高荷重ベアリングやキューリ点の制約がある圧電素子を用いたステージに比べて遙かに耐熱性を有している。また、摺動に伴う発塵などの影響の少なく、清浄環境を保つことが容易である。 In the case of wafer joining, it is necessary to raise the wafer temperature to about 300 ° C. Therefore, the sample adsorption stage 14 and the lower sample heating stage 20 have a structure in which a metal plate incorporating a sheath heater or the like is insulated with a ceramic spacer or the like. At that time, a part of the elevating stage 1, the vertical and horizontal driving bellows is also heated. The heat resistance of the bellows drive portion is about 100 to 150 ° C. when Baitton or Teflon O-ring 21 is used for the base seal portion, and about 300 ° C. when the welded seal structure does not use the O-ring. Further, since the bellows is made of a thin stainless steel plate having a relatively poor thermal conductivity, a temperature difference of 100 ° C. or more can be provided between the portion in contact with the stage surface and the base portion. That is, it has much heat resistance as compared with a stage using a high load bearing in which the use of lubricating oil is unavoidable and a piezoelectric element having a restriction on the curry point. In addition, it is easy to maintain a clean environment with little influence of dust generation due to sliding.

上板には3個の垂直方向距離センサー4と2台の赤外顕微鏡16が設けられている。試料吸着ステージ14には、アライメントマーク位置に対応して円錐状の開口が設けられ、直径4インチの化合物半導体ウェファ18を透過して下側加熱ステージに置かれたシリコン6インチウェファ19を観察する。2台の赤外顕微鏡16によりそれぞれのアライメントマークの中心位置を計測することにより、水平(X,Y)方向および垂直(Z)方向の回転量が算出できる。 The upper plate is provided with three vertical distance sensors 4 and two infrared microscopes 16. The sample adsorption stage 14 is provided with a conical opening corresponding to the alignment mark position, and the silicon 6-inch wafer 19 placed on the lower heating stage is observed through the compound semiconductor wafer 18 having a diameter of 4 inches. .. By measuring the center position of each alignment mark with two infrared microscopes 16, the amount of rotation in the horizontal (X, Y) direction and the vertical (Z) direction can be calculated.

3本の垂直方向ベローズ2は、それぞれ注入圧力に比例した垂直応力を発生するため、ウェファ接触後、3点の一定圧による、倣い動作も可能であるし、ステージの6自由度を制御することにより一定の隙間を確保した接合も可能である。例えば銀ペーストや銀ナノペーストを用いて、アライメントを伴うウェファあるいはチップ接合を行う場合、ウェファ間の隙間(ペースト厚さ)を一定に保ちたい場合に適用できる。 Since each of the three vertical bellows 2 generates normal stress proportional to the injection pressure, it is possible to perform a copying operation with a constant pressure at three points after contacting the wafer, and to control the six degrees of freedom of the stage. It is also possible to join with a certain gap. For example, when performing a wafer or chip bonding with alignment using silver paste or silver nanopaste, it can be applied when it is desired to keep the gap (paste thickness) between the wafers constant.

以上、数百~数万Nの荷重が必要とするチップあるいはウェファ接合装置において、接合に必要なストロークに限定しつつ、安価で清浄環境に耐える空圧ベローズを用いた6自由度アライメント加圧ステージを実現した。要求されるアライメント精度により、画像認識処理を含む様々な非接触距離計測装置が使用可能である。テーブルの姿勢制御に必要な6自由度を同時に計測し、6本あるいはそれ以上の空圧ベローズへの圧力を逆運動力学的に計算・出力する。ステージの固有振動数は100Hz程度であるので、1msec望ましくは100μSの時間間隔にてステージの姿勢を計測し、空気圧の制御を行うことによりサブミクロン以下の位置精度を確保することができる。 As described above, in a chip or wafer joining device that requires a load of several hundred to tens of thousands of N, a 6-DOF alignment pressurizing stage using a pneumatic bellows that is inexpensive and can withstand a clean environment while limiting the stroke required for joining. Was realized. Depending on the required alignment accuracy, various non-contact distance measuring devices including image recognition processing can be used. The 6 degrees of freedom required for table attitude control are measured at the same time, and the pressure on 6 or more pneumatic bellows is calculated and output in a reverse kinematics manner. Since the natural frequency of the stage is about 100 Hz, the position accuracy of submicron or less can be ensured by measuring the posture of the stage at a time interval of 1 msec, preferably 100 μS, and controlling the air pressure.

なお、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、今回開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示された範囲内又は特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 It should be noted that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. The scope of the present invention is not limited to the embodiments disclosed here, but includes all modifications within the scope indicated by the claims or within the scope equivalent to the claims. Is intended.

1:昇降ステージ
2:垂直方向駆動用空圧ベローズ
2-1:昇降ステージ
2-2:垂直方向駆動用空圧ベローズ
2-3:水平方向駆動用空圧ベローズ
2-4:垂直方向距離センサ
2-5:水平方向距離センサー
3:水平方向駆動用空圧ベローズ
4:垂直方向距離センサ
5:水平方向距離センサ
6:中央部垂直方向駆動用空圧ベローズ
7:アライメント用顕微鏡
8:アライメントマーク
9:斜め方向空圧ベローズ
10:ベース板
11:ストッパ兼支柱
12:上板
13:超音波ホーン
14:試料吸着ステージ
15:4軸マニピュレータ
16:赤外顕微鏡
17:XYステージ
18:4インチウェファ
19: 6インチウェファ
20: 下側試料加熱ステージ
21:Oリング
22:スプリング
1: Elevating stage 2: Pneumatic bellows for vertical drive 2-1: Elevating stage 2-2: Pneumatic bellows for vertical drive 2-3: Pneumatic bellows for horizontal drive 2-4: Vertical distance sensor 2 -5: Horizontal distance sensor 3: Horizontal drive pneumatic bellows 4: Vertical distance sensor 5: Horizontal distance sensor 6: Central vertical drive pneumatic bellows 7: Alignment microscope 8: Alignment mark 9: Diagonal pneumatic bellows
10: Base plate
11: Stopper and support
12: Top plate
13: Ultrasonic horn
14: Sample adsorption stage
15: 4-axis manipulator
16: Infrared microscope
17: XY stage
18: 4 inch Weber
19: 6 inch Weber
20: Lower sample heating stage
21: O-ring
22: Spring

Claims (5)

複数の空気圧ベローズを用い、該ベローズに座屈が生じない範囲の正圧および負圧にて該ベローズに導入する空気圧を制御することにより空間姿勢および推力を制御する、空気圧ベローズを用いた加圧ステージであって;
ステージを剛体と見なしたときの6自由度に相当する垂直、水平および回転方向の位置および力制御のための、6本以上の該ベローズが直接該ステージに接続され;
該ベローズへの同時、並列的な空気圧力フィードバック機構を有し;
垂直、水平および回転方向それぞれの仕様に対応した異なった推力およびストロークに応じて上記ベローズの空間配置、有効断面積、弾性定数および自然長が変えられていること;
を特徴とする6自由度加圧ステージ。
Pressurization using a pneumatic bellows, which uses a plurality of pneumatic bellows and controls the spatial posture and thrust by controlling the pneumatic pressure introduced into the bellows with positive and negative pressures within a range in which buckling does not occur in the bellows. On stage;
Six or more of the bellows are directly connected to the stage for vertical, horizontal and rotational position and force control corresponding to 6 degrees of freedom when the stage is considered rigid;
It has a simultaneous and parallel air pressure feedback mechanism to the bellows;
The spatial arrangement, effective cross-section, elastic constant and natural length of the bellows are changed according to different thrusts and strokes corresponding to the specifications of vertical, horizontal and rotational directions;
A 6-DOF pressurization stage featuring.
有効面積の大きい上記ベローズを垂直方向に設置し、有効断面積の小さい上記ベローズの取り付け角度をステージ水平方向あるいは、水平面に対し浅く設置することにより、位置決め精度を向上したこと;
を特徴とする請求項1記載の6自由度加圧ステージ。
The positioning accuracy was improved by installing the bellows with a large effective area in the vertical direction and installing the bellows with a small effective cross section in the horizontal direction of the stage or shallowly with respect to the horizontal plane.
The 6-DOF pressurization stage according to claim 1.
ステージを剛体と見なしたときの6自由度より冗長な数の上記空気圧ベローズを有し、有効断面積の小さい上記ベローズに引張応力を、有効断面積の大きい上記ベローズに圧縮応力を発生させ、垂直推力を増強しつつ、該ベローズの座屈を防止したこと;
を特徴とする請求項1記載の6自由度加圧ステージ。
It has more than 6 degrees of freedom of the pneumatic bellows when the stage is regarded as a rigid body, and generates tensile stress in the bellows having a small effective cross-sectional area and compressive stress in the bellows having a large effective cross-sectional area. Preventing buckling of the bellows while increasing vertical thrust;
The 6-DOF pressurization stage according to claim 1.
上記ステージを剛体と見なしたときの6自由度よりも多数の上記ベローズを有し、上記ステージの加圧推力の面分布を調整すること;
を特徴とする請求項1記載の加圧ステージ。
Having more of the bellows than 6 degrees of freedom when the stage is considered rigid; adjusting the surface distribution of the pressurized thrust of the stage;
The pressurizing stage according to claim 1.
中心座標、回転、あおりを含む上記ステージの三次元空間における位置と姿勢を非接触位置センサーあるいはアライメントマーク位置により検出し、加圧位置決めをなすこと;
を特徴とする請求項1記載の6自由度加圧ステージ
Pressurized positioning is performed by detecting the position and orientation of the stage in the three-dimensional space including the center coordinates, rotation, and tilt with the non-contact position sensor or the alignment mark position;
The 6-DOF pressurization stage according to claim 1.
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