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專利名稱：用于樣本檢測和處理的高分辨率動態(tài)定位機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體處理裝置領(lǐng)域，更具體來說涉及一種在Z軸、翻轉(zhuǎn)軸、傾斜軸和偏轉(zhuǎn)(θ)軸上相對于一晶片處理裝置將一晶片動態(tài)對準的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
有多種已有的在一半導體處理機器中調(diào)整一半導體晶片的高度和平行度的Z向—翻轉(zhuǎn)—傾斜(“ZTT”)裝置。ZTT裝置通常在半導體晶片在一諸如光學檢測系統(tǒng)之類的半導體處理機器下沿X-Y方向運動時控制對Z軸位移的定位、繞X軸的旋轉(zhuǎn)以及繞Y軸的旋轉(zhuǎn)。ZTT裝置動態(tài)補償晶片的不平整并可有力地提供高帶寬的定位。
典型的ZTT裝置安裝在一X-Y定位平臺上且應該足夠輕和緊湊，以保持X-Y平臺的動態(tài)性能。該ZTT定位裝置還應精確到數(shù)個納米之內(nèi)、幾何形狀穩(wěn)定并且具有敏感且可重復的驅(qū)動系統(tǒng)。另外，ZTT裝置應避免晶片和處理系統(tǒng)之間的接觸，不應產(chǎn)生會污染晶片的顆粒，并且應該足夠可靠以保持晶片的產(chǎn)量。
傳統(tǒng)的用于提供ZTT定位的方法結(jié)合有兩種或更多的技術(shù)或產(chǎn)品，比如將Z軸(垂直)定位以及翻轉(zhuǎn)和傾斜定位在機械上分離，這是一種通常會導致外形十分高大、質(zhì)量很大的機構(gòu)的方法。當將Z軸和翻轉(zhuǎn)/傾斜定位分離時，最常用的方法是保持晶片的Z軸固定位置，并改為移動晶片檢測/處理元件。這種方法使對檢測/處理元件(通常為一多元件光學組裝件)的設(shè)計變得復雜，并且由于垂向平移平臺通常位于晶片的正上方而會增加微粒污染的風險。同樣，由于Z軸平移平臺(及其攜帶的諸元件)的質(zhì)量比晶片卡盤的質(zhì)量大，因此所造成的動態(tài)性能對于許多高產(chǎn)量的應用是不適宜的。
另一個常用的方法也將翻轉(zhuǎn)和傾斜定位器安裝在晶片的上方。這種方法的一個問題是要保持檢測/處理系統(tǒng)的點以及翻轉(zhuǎn)和傾斜定位器軸線的協(xié)同定位，以避免檢測/處理系統(tǒng)焦點在翻轉(zhuǎn)和傾斜角度變化時的X-Y向平移。當然，質(zhì)量、復雜程度以及污染風險仍是這種位于晶片上方的結(jié)構(gòu)的問題。
存在幾種常用的方法，在晶片夾盤下方提供翻轉(zhuǎn)和傾斜的定位，比如在X-Y平臺架上的定位。例如，將兩個測角計支架平臺堆疊，使它們具有一致的旋轉(zhuǎn)軸線，這可提供繞位于晶片表面的一公共點的翻轉(zhuǎn)和傾斜旋轉(zhuǎn)。這一方法提供相對較大的翻轉(zhuǎn)和傾斜定位角，但是有問題，因為它采用機械軸承和驅(qū)動螺桿，具有較高的外形，且無法直接測量翻轉(zhuǎn)和傾斜角。一種替代方案是將該支架再與一也位于X-Y平臺架上的Z軸平臺耦合。安裝在X-Y平臺上的最常用的傳統(tǒng)Z軸平臺采用由機械致動器或線性電動機驅(qū)動的水平楔，帶有一垂直導向體的單根驅(qū)動螺桿，或者采用三根或四根小的垂直驅(qū)動螺桿，它們同步轉(zhuǎn)動以提供Z軸方向的運動。所有這些方法的設(shè)備都過分地高且重，無法達到適于高產(chǎn)量應用的動態(tài)性能。
另一個傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)和傾斜定位器的方法的設(shè)備采用由機械或壓電致動器驅(qū)動的撓曲機構(gòu)，該致動器連接于限定翻轉(zhuǎn)和傾斜旋轉(zhuǎn)中心的樞轉(zhuǎn)點上的支承板。在這個方法中，兩個間隔開90°且離開樞轉(zhuǎn)點的半徑相等的相同撓曲件提供繞一根軸線的旋轉(zhuǎn)以及沿另一根軸線的平移。旋轉(zhuǎn)和平移的結(jié)合產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和傾斜方向的定位。然而，該撓曲件必須沿旋轉(zhuǎn)軸是順從的，同時又為機械結(jié)構(gòu)提供剛度。這一折衷會或者限制旋轉(zhuǎn)范圍或者限制剛度。
另一種傳統(tǒng)的采用撓曲件的方法采用一個平臺，該平臺通過同時啟動兩個相對的撓曲件來提供翻轉(zhuǎn)、傾斜和小量(小于1mm)Z向運動。該方法采用四個撓曲件、一塊支承板，但沒有中心樞轉(zhuǎn)點。四個撓曲件繞支承板的周邊以90°間隔開。通過在相反的方向上啟動兩個相對的撓曲件來提供翻轉(zhuǎn)和傾斜運動。通過在同一方向上啟動所有四個撓曲件來提供Z軸方向的運動。這個方向也受旋轉(zhuǎn)范圍不大和機械剛度不足的限制。
除了ZTT定位以外，許多晶片處理應用中還需要繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角(θ向)定位。θ向定位通常包括在將晶片裝載到夾盤上時將其對準的靜態(tài)“θ向精細”調(diào)整以及在移動X-Y軸定位器的過程中保持對準的“θ向動態(tài)”調(diào)整。該θ向精定位器和動態(tài)定位器通常安裝在X-Y定位臺上。該θ向精定位器應該安裝在晶片附近以避免X-Y誤差，而該θ向動態(tài)定位器應安裝在較低的位置以補償晶片的寄生旋轉(zhuǎn)。
對于ZTT定位器，θ向精定位器和動態(tài)定位器應該重量較輕、緊湊并較剛勁以提供適當?shù)膭討B(tài)性能；精確度應在數(shù)個納米之內(nèi)；穩(wěn)定、靈敏且可重復；不應產(chǎn)生晶片污染顆粒；并且足夠可靠，以保持機器的產(chǎn)量。
一常用的傳統(tǒng)θ向定位器采用安裝在X-Y定位架上的機械旋轉(zhuǎn)臺。這樣的旋轉(zhuǎn)臺包括由蝸輪驅(qū)動徑向軸承組支承的旋轉(zhuǎn)架。或者，可用一直接驅(qū)動力矩電動機來驅(qū)動該平臺。然而，軸承臺的質(zhì)量、高度和固有的機械特性會影響X-Y平臺的性能。另外，為獲得θ平臺所需的零顫抖性能需要在平臺上添加一制動或鎖定機構(gòu)，這會進一步增加定位器的質(zhì)量和復雜程度。
提供合適的θ向定位性能的一種解決方案采用一種簡單的雙板空氣軸承結(jié)構(gòu)，將一平坦的參考板安裝于X-Y平臺架上。將具有壓力和真空孔的一上部板安裝在參考板的上方，在兩塊板之間形成一空氣軸承間隙。上部板由一線性致動器在一端沿切線驅(qū)動，并由一剛性撓曲機構(gòu)在相對的一端支承，從而形成用于θ向調(diào)整的樞轉(zhuǎn)點。在調(diào)整之后，阻斷空氣軸承的壓力源，保持剩下的真空，從而將上部和下部板鎖定在一起。然而，由于平臺被鎖定，它就無法提供某些應用場合中所需的θ向動態(tài)調(diào)整。另外，該方法的移動范圍受剛性撓曲機構(gòu)和發(fā)生在致動器接觸點之間的側(cè)向移動的限制。本方法的另一個缺點在于旋轉(zhuǎn)中心偏離X-Y支架中心，需要在X-Y中補償θ向偏移角。
可提供約1度之內(nèi)的十分精細的θ向調(diào)整以及高帶寬響應的一種解決方案采用對兩個由一個垂直平臺連接的平行平臺進行差動定位。被稱為H橋結(jié)構(gòu)的這種方法在單個垂直平臺的每一端采用撓曲件，以產(chǎn)生兩個所連接的平行平臺之間的小幅度移動。該移動造成單個平臺相對于平行軸線的偏移角，從而產(chǎn)生所需的θ向偏移功能。雖然這一解決方案幾乎不向X-Y系統(tǒng)添加硬件來提供θ向偏轉(zhuǎn)功能，但它仍限制移動范圍，且沒有提供鎖定θ向位置的方法。有了H橋結(jié)構(gòu)就有可能進行高帶寬θ向調(diào)整，但由于撓曲件需要適應平行平臺的差動運動，因此X-Y平臺的動態(tài)響應因撓曲件的柔性而減弱。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種在單個結(jié)合有X-Y支架機構(gòu)中提供Z軸、翻轉(zhuǎn)和傾斜定位的晶片定位臺，而又不影響X-Y平臺或相關(guān)系統(tǒng)元件的動態(tài)性能。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是它還提供θ向精定位和動態(tài)定位，它們具有精細調(diào)整功能、適中的移動范圍、高帶寬響應、在任何所需的位置上為零的角顫抖、可忽略的對X-Y平臺的產(chǎn)量影響、以及通過X-Y支架旋轉(zhuǎn)中心的角旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的ZTT定位器采用一撓性圓盤，該撓性圓盤允許Z軸方向的位移并容許翻轉(zhuǎn)和傾斜旋轉(zhuǎn)。該圓盤具有最小的質(zhì)量、在X和Y方向上的剛度以及高阻尼因數(shù)以避免振動。一種驅(qū)動系統(tǒng)采用三個非接觸式音圈電機，每個音圈電機具有一彈簧以補償運動質(zhì)量。由耦合到各個音圈電機的非接觸式線性編碼器來提供位置反饋。這些電機和編碼器繞圓盤的周邊互相間隔開120°，以提供高靈敏度和精確度。
該ZTT撓性圓盤包括多重層壓板。上部板由十分剛勁、質(zhì)量小的陶瓷材料制成。與X-Y平臺的接口取決于實際應用，但可以包括一用于角對準的θ向平臺、一起針機構(gòu)以及一晶片夾盤。ZTT定位器還包括可調(diào)整的硬限位以防止晶片和處理系統(tǒng)之間的接觸。
本發(fā)明的θ向精定位器和動態(tài)定位器一起提供精細調(diào)整功能、適中的移動范圍、高帶寬機械響應、在所需的位置上為零的角顫抖、可忽略的對X-Y平臺的產(chǎn)量影響、以及通過X-Y支架中心的角旋轉(zhuǎn)。該θ向定位器較佳地與ZTT定位器結(jié)合在一起。
該精定位器采用一空氣軸承旋轉(zhuǎn)臺，它帶有一中心樞轉(zhuǎn)點以允許通過幾度的旋轉(zhuǎn)。該空氣軸承漂浮在一帶有真空的預先加載的空氣壓力上。在θ向精對準之后，切斷該壓力，因而真空將θ向精定向機構(gòu)夾持在一參考面上。該夾持件提供具有最小尺寸和質(zhì)量的十分剛勁的機構(gòu)。該空氣軸承采用帶有一集成接口的三個空氣墊用于安裝晶片夾盤。該θ向精定位驅(qū)動系統(tǒng)采用非接觸式音圈電機。由一非接觸、高分辨度角編碼器來提供角反饋。在夾持過程中，電機和編碼器為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以確保精確的角定位。
該θ向動態(tài)定位器采用由三個繞一樞轉(zhuǎn)點間隔開120°的壓電致動器驅(qū)動的一撓性樞軸。撓性部件的取向使旋轉(zhuǎn)都集中于繞樞轉(zhuǎn)點，從而避免在角旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生寄生的X-Y位移。這三個撓性機構(gòu)都具有較小的尺寸，但安裝在離樞轉(zhuǎn)點的軸向距離較遠的位置，從而即使有數(shù)公斤負載時也可提供高度的ZXY剛度。該θ向動態(tài)定位器基本上沒有摩擦力，且干凈和可靠。
通過以下結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例的詳細描述，將使本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點變得明顯。


圖1是本發(fā)明的ZTT-θ定位器的一個優(yōu)選實施例的側(cè)向正視圖；圖2是圖1所示ZTT-θ定位器的分解等軸視圖，它示出了主要的ZTT定位器元件；圖3是圖2所示ZTT-θ定位器的撓性盤形元件的等軸視圖；圖4是ZTT定位器的撓性圓盤、陶瓷板、音圈電機以及線性編碼器標尺元件的分解等軸視圖；圖5A和5B分別是更詳細地示出了圖4所示ZTT音圈電機的可調(diào)節(jié)Z向硬限位元件的放大等軸視圖和側(cè)向剖切圖；圖6是圖1所示θ向精定位元件的分解等軸視圖；圖7是本發(fā)明的θ向動態(tài)定位元件的分解等軸視圖。
具體實施例方式
圖1和2分別示出了一ZTT-θ定位器10的優(yōu)選實施例的側(cè)向正視圖和分解圖，該定位器組裝在X-Y平臺12的頂部和晶片安裝夾盤14的底部之間。X-Y平臺12相對于一諸如花崗石板的平坦表面16沿X和Y軸方向運動。ZTT-θ定位器10安裝于X-Y平臺12的上表面18，并動作用來沿Z軸方向精確移動夾盤14、繞X軸翻轉(zhuǎn)(滾動)夾盤14、繞Y軸傾斜(俯仰)夾盤14、并繞Z軸旋轉(zhuǎn)(偏轉(zhuǎn))夾盤14。因此，夾盤14在X、Y、Z、滾動、俯仰和偏轉(zhuǎn)方向上進行六個軸上的受控運動。
ZTT-θ定位器10是低外形的組裝件，只占用X-Y平臺12、ZTT-θ定位器10和夾盤14的總高度115mm中的約35mm。X-Y平臺12由一撓性纜線20與一控制器(未示出)電氣連接。通過使質(zhì)量盡可能地小并限制旋轉(zhuǎn)慣性量，從而較低的外形使角扭矩減少。
圖3示出了作為ZTT-θ定位器10導向體的撓性圓盤22，它允許Z軸方向位移以及翻轉(zhuǎn)和傾斜旋轉(zhuǎn)，而在X軸、Y軸和θ方向上具有較高剛度。撓性圓盤22較佳地被分成三個固定扇形部分24，它們包括諸開口25和靜態(tài)安裝點26以及三個具有可移動的安裝點30的可移動的扇形部分28。較佳地，安裝點26和30離撓性圓盤22的旋轉(zhuǎn)中心的徑向距離都一樣。開口25較佳地為具有圓角的三角形，以降低撓性圓盤22的剛度并使扇形部分24和28的曲率相等。使曲率相等可提供在附加點處相對于半徑的相同的位移量。靜態(tài)安裝點26也在安裝接口元件31中形成，該安裝接口元件的形式為環(huán)形段(圖4)，并被適配在固定扇形部分24的靜態(tài)安裝區(qū)域26的頂部和底部側(cè)，從而直接或間接地將它們固定在X-Y平臺12的上表面18上。從中心徑向延伸到撓性圓盤22周邊附近的點的狹縫32與安裝接口元件31的較短側(cè)邊界相交。狹縫32形成毗鄰的固定扇形部分24和可移動扇形部分28之間的邊界線并使它們可在三個軸線方向(Z、滾動和俯仰方向)上相對運動。從一公共中心徑向延伸、形式為環(huán)形段(圖4)的安裝接口元件33包括與可移動安裝點30軸向?qū)实目?4。延伸通過孔24和可移動安裝點30的緊固件(未示出)將可移動扇形部分26固定到支承夾盤14的上部板35(圖2和4)上。
上部板35較佳地由氧化硅(SiC)陶瓷材料制成，以提供較小的質(zhì)量、較高的剛度以及較低的熱膨脹率。對撓性圓盤22的扇形部分24和28進行尺寸優(yōu)化以提供較高的X、Y和θ方向上的剛度。撓性圓盤22較佳地為多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由數(shù)層用雙面帶粘結(jié)在一起的薄鋼盤元件構(gòu)成，以提供較高的阻尼因數(shù)，從而避免振動并提高ZTT的運動帶寬。提供Z軸位移所必須的原動力大大低于單個厚圓盤所需要的力。雖然撓性圓盤22具有相對較低的位移范圍，但由于在鋼板上沒有壓力且雙面帶將很大部分的表面粘結(jié)住，因此該撓性圓盤22十分可靠。另外，撓性圓盤22十分干凈，且運行時不需要潤滑劑。
圖4示出了一種將上部板35可移動地耦合到X-Y平臺12的ZTT驅(qū)動系統(tǒng)。該驅(qū)動系統(tǒng)采用多重可延伸的機構(gòu)，較佳地為三個包括固定安裝在X-Y平臺12上的電動機磁鐵36和附加于上部板35的電動機線圈38的音圈電機。電動機磁鐵36和電動機線圈38之間沒有接觸，這導致在移動的上部板和X-Y平臺12之間有一直接驅(qū)動裝置。如圖4所示，電動機磁鐵36和電動機線圈38通過撓性圓盤22中的三角形切除區(qū)域40且不與其接觸。通過使電動機磁鐵36和電動機線圈38之間的間隙足夠大、從而避免在翻轉(zhuǎn)和前斜角最大時的接觸來提高可靠性。由圍繞撓性圓盤22的切除區(qū)域40分布并通過該區(qū)域進入電動機線圈38的卷簧42來補償移動質(zhì)量，從而提供反作用于X-Y平臺12的力。由于撓性圓盤22在其5mm的移動范圍內(nèi)并不產(chǎn)生顯著的力，卷簧有效地減少了電動機線圈38所需的電流，因而減小了溫升并增加了ZTT安裝接口的熱穩(wěn)定性。
ZTT-θ定位器10提供±2mm的Z軸方向移動范圍，可重復性為70nm，步幅為5μm，調(diào)整時間為40ms。ZTT-θ定位器10還提供±0.5毫度(mdegree)的翻轉(zhuǎn)和傾斜旋轉(zhuǎn)范圍，可重復性為2微弧度(μradian)。或者可采用包括短行程線性電動機(音圈電機是其中的一種)和壓電機構(gòu)的可延伸機構(gòu)。
ZTT的位置傳感由三個線性光學編碼器提供，其中每個包括一光學傳感頭44以及一線性標尺46(圖5A)，光學傳感頭44毗鄰電動機磁鐵36安裝在X-Y平臺12上，且線性標尺46毗鄰卷簧42安裝在上部板35上。線性標尺46具有較大范圍的角容限，在翻轉(zhuǎn)和傾斜角最大時該角容限使Z向位移測量精確。已知三個Z向位置足夠提供20nm的Z軸平移分辨率。
三個電動機線圈38和線性標尺46安裝在形成于上部板35的高度減小的凹部中。凹部中的金屬插入物提供了高剛度的安裝表面。由于形成上部板35的陶瓷材料工藝，該安裝表面也十分準確和平整。上部板35還包括用于安裝空氣軸承旋轉(zhuǎn)臺和在夾盤14上對晶片進行調(diào)平的起針機構(gòu)以及將結(jié)合圖6-8所描述的可選的θ向?qū)蕶C構(gòu)所需的接口。上部板35還包括用于安裝具體的晶片處理所需的輔助元件的可選接口。最后，在上部板35上可安裝參考反射鏡以調(diào)節(jié)干涉型X-Y定位測量。
圖5A和5B分別示出了本發(fā)明的可調(diào)節(jié)Z軸方向運動的硬限位機構(gòu)50的等軸視圖和側(cè)向剖切圖。ZTT-θ定位器10較佳地采用三個硬限位機構(gòu)50，每個都與電動機磁鐵36和電動機線圈38的支承件結(jié)合。靜態(tài)叉52安裝在電動機線圈支承件54上，而移動叉56安裝在電動機磁鐵支承件58上，電動機磁鐵支承件58附加到X-Y平臺12的上表面18。移動叉56的導向件為具有鉗夾能力的氣動起重器60。彈簧62預先加載移動叉56，以提供沿Z軸向下的位移偏置。電動機磁鐵36和電動機線圈38提供驅(qū)動原動力以調(diào)整移動叉56的位置。
在調(diào)整過程中，松開對移動叉56的鉗夾，并由氣動起重器60克服彈簧62的推力將其向上驅(qū)動。同時，ZTT控制器移動電動機線圈38，從而將靜態(tài)叉52移動到預定上部硬限位，在該位置處，移動叉56由氣動起重器60夾緊。由于采用了ZTT電動機線圈38及與其相關(guān)的線性標尺46，因此對上部硬限位的定位十分精確。因此，Z軸位移可以十分接近上部硬限位。硬限位機構(gòu)50繞ZTT-θ定位器10的周邊等間距地布置，ZTT-θ定位器10的直徑與晶片的直徑十分接近，以防止在存在翻轉(zhuǎn)和傾斜角時產(chǎn)生Z軸偏移。
ZTT-θ定位器10可選擇包括θ向精定位機構(gòu)和θ向動態(tài)定位機構(gòu)。
圖6示出了本發(fā)明的θ向精定位器70，它包括形成為多層結(jié)構(gòu)的撓性盤72，該多層結(jié)構(gòu)包括數(shù)層由雙面帶粘結(jié)在一起的薄鋼片，以提供較高的阻尼因數(shù)。撓性盤72提供X、Y和θ方向上的剛度以及在Z軸方向上的有效退耦。
撓性盤72包括三個以120°的角度間隔開的臂73。每個臂的端部包括一空氣墊74，該空氣墊從其周邊排出壓縮空氣，以形成一空氣軸承區(qū)，用于空氣墊74沿埋在上部板35中的一參考面76的無摩擦運動。參考面76內(nèi)為提供偏移真空壓力偏置的真空口77，該真空壓力略小于產(chǎn)生空氣軸承的空氣壓力。當打斷空氣壓力時，真空壓力支配空氣墊74，并將其夾持到參考面76處，從而鎖定在當前所選定的θ精定位角上。空氣軸承還可提高可靠性，撓性盤72的較高的阻尼系數(shù)也可避免振動，減少作用于空氣墊74的寄生阻力，并且提高θ精定位的帶寬。
適配進安裝于上部板35上的基架中的一滾珠軸承78浮在一中心樞轉(zhuǎn)點80中，該樞轉(zhuǎn)點適配進撓性盤72的中心81中，成為θ旋轉(zhuǎn)的中心。三個空氣墊74由撓性盤72粘附于、從而連接于滾珠軸承78。或者，空氣墊74包括用于壓力空氣和真空壓力的端口，或者永磁體、電磁體的某種組合，并且彈簧可提供適合的吸引和/或排斥力。
θ精細驅(qū)動系統(tǒng)采用音圈電機，該音圈電機包括附加到一個空氣墊74的外側(cè)的一電動機線圈82以及附加到X-Y平臺12的一電動機磁鐵84。電動機線圈82的最大徑向位置為較小、質(zhì)量較小的音圈電機提供足夠的轉(zhuǎn)矩。該音圈電機提供空氣墊74和X-Y平臺12之間的非接觸直接驅(qū)動。通過使電動機線圈82和電動機磁鐵84之間的間隙足夠大、從而在θ向精定位角度最大時避免接觸來增加可靠性。
θ向精定位位置的反饋由一旋轉(zhuǎn)編碼器提供，該編碼器包括安裝在X-Y平臺12上的光學傳感器86以及安裝在空氣墊74之一的外側(cè)的編碼器標尺88。該旋轉(zhuǎn)編碼器提供θ向精定位角度的直接角度信息。編碼器標尺88采用Renishaw編碼器，該編碼器在±3度的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可支持小于5個微弧度的解析率。
θ向精定位器70具有呈角度鉗夾的能力。在角度對準的過程中，空氣軸承受壓，因此沒有摩擦力來影響靈敏、精確的角位移。當達到目標角位置之后，切斷空氣壓力，使真空將空氣墊74夾持到參考面76上。真空的高度預載確保相對于X-Y平臺12的一個剛性的、穩(wěn)定的θ向角度。在夾持過程中，控制器伺服環(huán)路閉合，保證目標對準角準確。夾持后伺服環(huán)斷開，以消除流經(jīng)電動機線圈82的電流，從而避免產(chǎn)生熱量以確保熱穩(wěn)定性。
每個空氣墊74還包括一夾盤安裝接口90，該安裝接口由減弱來自夾盤14的θ向壓力的一錐體和一球體組成。夾盤14通過螺栓剛性附著于空氣墊74。
圖7示出了本發(fā)明的一θ向動態(tài)定位器100，該定位器包括以120°的間隔安裝在諸如X-Y平臺12之類的一參考面上的三個靜態(tài)基座102。θ向動態(tài)定位器100還包括通過撓曲件106連接到靜態(tài)基座102上的三個可移動基座104。撓曲件106提供靜態(tài)和可移動基座102和104之間的退耦，靜態(tài)和可移動基座102和104由壓電致動器108連接在一起。可移動基座104與撓性圓盤22的靜態(tài)點26(圖3)連接。當選擇安裝時，θ向動態(tài)定位器100使圖4所示的安裝接口元件31變得不需要，從而將其取代。
靜態(tài)和可移動基座102和104之間退耦的取向徑向指向一中心樞轉(zhuǎn)點110，該樞轉(zhuǎn)點提供精確的θ向旋轉(zhuǎn)而沒有附加的X-Y向位移。對撓曲件106進行優(yōu)化以確保X-Y方向上的高剛度。三對互相連接的靜態(tài)和可移動基座102和104的相鄰兩個之間的間距足夠大，以提供Z軸、翻轉(zhuǎn)和傾斜方向的高剛度。該間距還提供用于結(jié)合其它功能的空閑區(qū)域112，比如用于幫助將晶片裝載到夾盤14上的ZTT、θ向精定位以及可選的起針機構(gòu)114。起針機構(gòu)114與θ向精定位器70(圖6)相結(jié)合并包括三個向上延伸穿過夾盤14中的孔118(圖2)的管狀真空供應管116。起針機構(gòu)114提供具有約6mm行程的真空供應管116，以用于夾持住晶片，并向著和離開夾盤14移動晶片。所有其它的綜合功能安裝在θ向動態(tài)定位器100之上，以確保適當?shù)摩认騽討B(tài)對準。
壓電致動器108預先加載，從而向前和向后位移而沒有滯后。壓電致動器108包括集成的位置傳感器，以提供精確的位移而沒有偏移或滯后。
角位置反饋可由在XY位移時測量晶片對準的光學系統(tǒng)來提供，或者由安裝在夾盤14或晶片附近的帶有參考反射鏡的干涉儀來提供。在任意一個替代方案中，θ向動態(tài)定位器100在±10微弧度的角位移行程中為晶片提供0.5微弧度的旋轉(zhuǎn)。
再參見圖2，圖中所示的是本發(fā)明的ZTT定位器、θ向精定位器70和θ向動態(tài)定位器100的不同元件之間的空間關(guān)系。
熟練的工人會認識到可以對本發(fā)明的各個部分根據(jù)上述優(yōu)選實施例描述的實施方式進行不同的實施。
對于熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員來說，顯然可以對上述實施例的細節(jié)進行許多的改變而不會背離本發(fā)明所包含的原理。因此，本發(fā)明的范圍應該只由所附權(quán)利要求來決定。
權(quán)利要求
1.一種高分辨率樣本動態(tài)定位機構(gòu)包括一可運動的平臺，該可運動的平臺可操作以沿多根軸線的方向的運動；一板，該板與一樣品安裝夾盤工作連接以將它支承；多個線性位移機構(gòu)，這些線性位移機構(gòu)將該板與該可運動的平臺耦合，這些線性位移機構(gòu)在可運動的平臺和板之間的空間中的不同位置處互相間隔開，并可對它們進行控制以改變不同位置處可運動的平臺和板之間的空間距離；以及一撓性件，該撓性件與可運動的平臺和板工作連接，該撓性件在三根運動軸線上的運動受限制，而在另外三根不同的運動軸線上進行順從運動，該撓性件響應線性位移機構(gòu)的線性位移而允許該樣本安裝夾盤沿三根進行順從運動的運動軸線進行線性運動和繞這些軸線進行旋轉(zhuǎn)運動。
2.如權(quán)利要求1所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，將撓性件分成作相對運動的有多重部分結(jié)構(gòu)的兩組，第一組固定于可運動的平臺上，第二組固定于板上。
3.如權(quán)利要求2所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，撓性件的形狀通常為圓盤形；以及，兩組多重部分包括被布置成兩組中的一組中的一個部件位于另一組的諸部件之間。
4.如權(quán)利要求3所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該撓性件具有一中心和一周邊；以及，兩組部件中毗鄰的各對由從中心徑向延伸到撓性件的周邊附近的一縫隙分開。
5.如權(quán)利要求4所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，第一組在諸第一附著點處固定于可移動平臺，而第二組在諸第二附著點處固定于板，第一和第二附著點離撓性件的中心的距離基本相等。
6.如權(quán)利要求1所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，可操作可運動的平臺沿X和Y軸運動；以及，撓性件可順從一Z軸以及滾動和俯仰軸線運動。
7.如權(quán)利要求1所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，每個線性位移機構(gòu)包括一以非接觸的關(guān)系固定在可運動惡平臺和板之間的可延伸機構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，至少一個線性位移機構(gòu)包括一短行程線性電機。
9.如權(quán)利要求8所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該短行程線性電機包括一音圈電機。
10.如權(quán)利要求7所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，還包括一彈簧，該彈簧在可運動的平臺和板之間延伸以補償其運動質(zhì)量。
11.如權(quán)利要求7所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該撓性件包括被切除的部分，可延伸的機構(gòu)通過該被切除的部分，從而防止與撓性件的物理接觸。
12.如權(quán)利要求1所述的樣本處理機構(gòu)，其特征在于，進行順從運動的軸線方向中的一個限定了諸線性位移機構(gòu)的線性位移方向；以及，還包括一角定位機構(gòu)，該角定位機構(gòu)與板和樣本安裝夾盤工作耦合，以使樣本安裝夾盤繞線性位移的方向進行角位移。
13.如權(quán)利要求12所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該板包括多重參考面；該角定位機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)地安裝在板上，該角定位機構(gòu)包括多根臂，每根臂上安裝有一流體墊；以及多根臂從一中心部分伸出，并繞該中心部分呈角度地間隔開，多根臂與不同的參考面空間對準以形成諸流體軸承壓力表面；以及，還包括一驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置與角定位機構(gòu)工作耦合以使它相對于板可旋轉(zhuǎn)地運動。
14.如權(quán)利要求13所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，這些流體軸承壓力表面包括正流體壓力區(qū)和負流體壓力區(qū)。
15.如權(quán)利要求13所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，這些流體軸承壓力表面由空氣壓力、真空壓力、磁引力、磁斥力和彈簧拉力中的至少一種偏置分開或在一起。
16.如權(quán)利要求12所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，角定位機構(gòu)包括由多層材料粘結(jié)在一起形成的一撓性盤。
17.如權(quán)利要求13所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該驅(qū)動機構(gòu)包括一機電裝置，該機電裝置包括分別固定在角定位機構(gòu)和可運動的平臺之一上的一磁體和一線圈。
18.如權(quán)利要求17所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，機電裝置包括一音圈電機。
19.如權(quán)利要求12所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該角定位機構(gòu)包括用于樣本安裝夾盤的一夾盤安裝接口，從而從它上面消除角定位壓力。
20.如權(quán)利要求12所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，還包括一提供角位置反饋的旋轉(zhuǎn)編碼器，該旋轉(zhuǎn)編碼器包括分別與角定位機構(gòu)和可移動平臺中不同的一個相關(guān)聯(lián)的一光學傳感器和一編碼器標尺。
21.如權(quán)利要求1所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，進行順從運動的運動軸線之一限定線性位移機構(gòu)的線性位移方向；以及，還包括一動態(tài)定位機構(gòu)，該動態(tài)定位機構(gòu)包括第一和第二基座部分，它們分別與可運動的平臺和撓性件工作耦合；以及一驅(qū)動機構(gòu)，該驅(qū)動機構(gòu)與第一和第二基座部分工作耦合以使它們相對運動，由此使樣本安裝夾盤繞線性位移的方向角位移。
22.如權(quán)利要求21所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，第一基座部分包括安裝于可運動的平臺的多個互相呈角度分隔開的靜態(tài)基座元件，第二基座部分包括由諸撓性件附加到不同的靜態(tài)基座元件上的諸元件，該撓性件提供相關(guān)的靜態(tài)和可運動基座元件對之間沿可運動平臺的多根運動軸線的耦合；以及驅(qū)動機構(gòu)將每對相關(guān)的靜態(tài)和可運動基座元件連接在一起以使它們之間相對運動。
23.如權(quán)利要求21所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，將撓性件分成多個運動限制部分和多個順從運動部分；以及，諸可運動基座元件與撓性件的運動限制部分耦合。
24.一種高分辨率樣本動態(tài)定位機構(gòu)包括一可運動的平臺，該可運動的平臺可操作以沿多根軸線的方向的運動；一板，該板與一樣品安裝夾盤工作連接以將它支承；多個線性位移機構(gòu)，這些線性位移機構(gòu)將該板與該可運動的平臺耦合，將這些線性位移機構(gòu)置于可運動的平臺和板之間的空間中，并可對它們進行控制以改變可運動的平臺和板之間的空間距離；一撓性件，該撓性件與可運動的平臺和板工作連接，該撓性件在三根運動軸線上進行順從運動，這三根軸線之一限定線性位移機構(gòu)的線性位移，且該撓性件響應線性位移機構(gòu)的線性位移而允許該樣本安裝夾盤沿三根進行順從運動的運動軸線進行線性運動和繞這些軸線進行旋轉(zhuǎn)運動；以及一角定位機構(gòu)，該角定位機構(gòu)與板和樣本安裝夾盤工作耦合，以使樣本安裝夾盤繞線性位移的方向進行角位移。
25.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，將撓性件分成作相對運動的有多重部分結(jié)構(gòu)的兩組，第一組固定于可運動的平臺上，第二組固定于板上。
26.如權(quán)利要求25所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，撓性件的形狀通常為圓盤形；以及，兩組多重部分包括被布置成兩組中的一組中的一個部件位于另一組的諸部件之間。
27.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，可操作可運動的平臺沿X和Y軸運動；以及，撓性件可順從一Z軸以及滾動和俯仰軸線運動。
28.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，每個線性位移機構(gòu)包括一以非接觸的關(guān)系固定在可運動的平臺和板之間的可延伸機構(gòu)。
29.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，該板包括多重參考面；該角定位機構(gòu)可旋轉(zhuǎn)地安裝在板上，該角定位機構(gòu)包括多根臂，每根臂上安裝有一流體墊；以及多根臂從一中心部分伸出，并繞該中心部分呈角度地間隔開，多根臂與不同的參考面空間對準以形成諸流體軸承壓力表面；以及，還包括一驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置與角定位機構(gòu)工作耦合以使它相對于板可旋轉(zhuǎn)地運動。
30.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，角定位機構(gòu)包括由多層材料粘結(jié)在一起形成的一撓性盤。
31.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，角定位機構(gòu)包括用于樣本安裝夾盤的一夾盤安裝接口，從而從它上面消除角定位壓力。
32.如權(quán)利要求24所述的樣本定位機構(gòu)，其特征在于，還包括一動態(tài)定位機構(gòu)，該動態(tài)定位機構(gòu)包括第一和第二基座部分，它們分別與可運動的平臺和撓性件工作耦合；以及一驅(qū)動機構(gòu)，該驅(qū)動機構(gòu)與第一和第二基座部分工作耦合以使它們相對運動，由此使樣本安裝夾盤繞線性位移的方向角位移。
全文摘要
一種樣本定位機構(gòu)(10)包括可沿多根軸線運動的一可運動平臺(12)；與一樣品安裝夾盤(14)連接以將它支承的一板(35)；多個線性位移機構(gòu)(36、38)，這些線性位移機構(gòu)將板與可運動的平臺耦合，并且在可運動的平臺和板之間的不同位置處互相間隔開，并可對它們進行控制以改變平臺和板之間的距離；以及與可運動平臺和板工作耦合的一撓性件(22)。該撓性件在三根運動軸線上進行順從運動。該撓性件響應線性位移機構(gòu)的線性位移而允許樣本安裝夾盤沿三根進行順從運動的軸線進行線性運動和繞這些軸線進行旋轉(zhuǎn)運動。
文檔編號G01B11/00GK1839348SQ200480024210
公開日2006年9月27日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月17日
發(fā)明者A·珍尼, E·杜蘭德, R·德賽里 申請人:紐波特股份有限公司