CN112276384B - 半导体晶圆激光切割用气浮平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体晶圆激光切割用气浮平台，大理石底座上布置X轴导轨一和X轴导轨二，X轴气浮导向运动件与X轴导轨一相配，底面设有气浮水平方向正压节流孔一，X轴气浮导向运动件的凹槽侧面设有气浮侧向正压节流孔一；X轴气浮导向运动件通过柔性连接件与Y轴SiC横梁相连，X轴导轨一设有X轴磁钢一，Y轴SiC横梁一端设有X轴线圈一，X轴导轨二设有X轴磁钢二，Y轴SiC横梁另一端设有X轴线圈二；Y轴气浮导向运动件与Y轴SiC横梁相配，底面中部设有负压型腔一，底面设有气浮水平方向正压节流孔二；Y轴气浮导向运动件的槽孔侧面设有气浮侧向正压节流孔二；Y轴SiC横梁底面设有X轴气浮水平导向件。运行稳定，精度高。

Description

半导体晶圆激光切割用气浮平台

技术领域

本发明涉及一种半导体晶圆激光切割用气浮平台，属于激光加工技术领域。

背景技术

精密定位平台是精密机械设备中的关键部件之一，为微光刻技术、数控加工、生物技术、纳米表面形貌测量等领域提供一个能够实现精密定位和精确运动的载物平台。基于气浮支承和直线电机直线驱动技术的精密气浮平台是国内外高精密技术研究的一个热点。直线驱动气浮平台是一个机电一体化***，集直线驱动技术、数控技术、动静态特性分析与优化、自动控制原理、测试与实验分析等多种技术于一体的综合技术。在半导体晶圆切割领域，随着大规模集成电路集成化程度的不断提高，半导体产业对硅晶圆尺寸大小的要求越来越高，对其加工精度的要求也更加严格，晶圆级别加工定位平台作为晶圆制造装备中极其关键的部分，对其性能要求越来越高。

目前精密定位平台主要以直线导轨和直线电机直线驱动为主，结构上采用十字叠加的形式。加工幅面主要集中在8英寸晶圆及以下，12寸晶圆加工幅面的平台不多。同时，平台的定位精度在±1um左右，重复定位精度在±0.5um左右。另外，平台的动态精度在600mm/s的匀速直线运动时，运动载台在12寸晶圆加工幅面内的动态直线度在±1um级别。由于硅晶圆的折射率与空气比在4倍左右，因此在晶圆内部直线度误差会被放大4倍，也就是±4um左右。对于片厚较薄的硅晶圆产品，这样的误差级别影响产品的加工品质。因此，急需设计高精度的定位平台来满足晶圆产品的切割加工要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种半导体晶圆激光切割用气浮平台。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

半导体晶圆激光切割用气浮平台，特点是：包含大理石底座、置于其上沿X轴向平行布置的X轴导轨一与X轴导轨二，X轴气浮导向运动件通过其凹槽与X轴导轨一相配，X轴气浮导向运动件的底面设有朝向大理石底座的气浮水平方向正压节流孔一，X轴气浮导向运动件的凹槽两内侧面均设有朝向X轴导轨一的气浮侧向正压节流孔一；X轴气浮导向运动件通过柔性连接件与Y轴SiC横梁相连，X轴导轨一上沿X轴向设有X轴磁钢一，Y轴SiC横梁的一端设有与其配对的X轴线圈一，X轴导轨二上沿X轴向设有X轴磁钢二，Y轴SiC横梁的另一端设有与其配对的X轴线圈二；

Y轴气浮导向运动件通过其槽孔与Y轴SiC横梁相配，Y轴气浮导向运动件的底面设有正对于大理石底座的负压型腔一，气浮水平方向负压节流孔一与负压型腔一连通，负压型腔一侧部的Y轴气浮导向运动件的底面设有朝向大理石底座的气浮水平方向正压节流孔二；Y轴气浮导向运动件的槽孔两内侧面均设有朝向Y轴SiC横梁的气浮侧向正压节流孔二；Y轴SiC横梁上沿Y轴向设有Y轴磁钢，Y轴气浮导向运动件上设有与其配对的Y轴线圈；

Y轴SiC横梁的底面设有X轴气浮水平导向件，X轴气浮水平导向件的底面设有正对于大理石底座的负压型腔二，气浮水平方向负压节流孔二与负压型腔二连通，负压型腔二侧部的X轴气浮水平导向件的底面设有朝向大理石底座的气浮水平方向正压节流孔三。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，Y轴气浮导向运动件上安装有θ轴气浮旋转单元，所述θ轴气浮旋转单元包含旋转轴联接顶板、旋转轴内转子、旋转轴外定子、旋转轴联接底板、旋转轴线圈以及旋转轴磁钢，旋转轴外定子固定于旋转轴联接底板上，旋转轴外定子的中部有用于容纳旋转轴内转子的圆孔，其外圆沿周向安装有旋转轴线圈，旋转轴联接顶板与旋转轴内转子连接，旋转轴内转子置于旋转轴外定子中部的圆孔中，旋转轴联接顶板的外缘沿周向安装有用于与旋转轴线圈配对的旋转轴磁钢；

旋转轴外定子的圆孔内壁上设有朝向旋转轴内转子的气浮径向正压节流孔，旋转轴外定子的上顶面设有朝向旋转轴联接顶板的气浮轴向正压节流孔，旋转轴外定子的上顶面设有正对于旋转轴联接顶板的负压型腔三，气浮轴向负压节流孔与负压型腔三连通。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，Y轴SiC横梁的底面左右对称设有两只等高共面的X轴气浮水平导向件。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，柔性连接件为一圆柱形结构，上下分别沿径向开有多道开口槽，其两端面设有螺纹孔。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，负压型腔二的中心部位开设气浮水平方向负压节流孔二，经负压气体流道连通至负压气体***；

X轴气浮水平导向件的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔三，多只气浮水平方向正压节流孔三位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使多只气浮水平方向正压节流孔三串联连通，气浮水平方向正压节流孔三经正压气体流道连通至正压气体***。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，气浮水平方向负压节流孔二和气浮水平方向正压节流孔三的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，负压型腔一的中心部位开设气浮水平方向负压节流孔一，经负压气体流道连通至负压气体***；

Y轴气浮导向运动件的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔二，多只气浮水平方向正压节流孔二位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使气浮水平方向正压节流孔二串联连通，气浮水平方向正压节流孔二经正压气体流道连通至正压气体***；

气浮侧向正压节流孔二经正压气体流道连通至正压气体***。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，气浮水平方向负压节流孔一、气浮水平方向正压节流孔二和气浮侧向正压节流孔二的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，X轴气浮导向运动件的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔一，多只气浮水平方向正压节流孔一位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使气浮水平方向正压节流孔一串联连通，气浮水平方向正压节流孔一经正压气体流道连通至正压气体***；

气浮侧向正压节流孔一经正压气体流道连通至正压气体***。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，气浮侧向正压节流孔一和气浮水平方向正压节流孔一的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，气浮径向正压节流孔、气浮轴向正压节流孔和气浮轴向负压节流孔的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，X轴气浮导向运动件上连接有U型结构件，U型结构件的两端与X轴气浮导向运动件的凹槽两侧部连接固定。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，X轴导轨一上安装有X轴光栅尺一，X轴导轨二上安装有X轴光栅尺二，Y轴SiC横梁上安装有Y轴光栅尺。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，X轴光栅尺一、X轴光栅尺二和Y轴光栅尺均为分辨率5nm的雷尼绍绝对式光栅尺。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，Y轴气浮导向运动件呈回字形结构。

进一步地，上述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其中，Y轴SiC横梁的两侧面的平面度小于1um，两侧面的平行度小于1.5um。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本发明设计独特、结构新颖，气浮平台的结构布局呈H型， X轴向采用双驱同步控制，Y轴向采用单驱控制，θ轴气浮旋转单元采用气浮与直驱方式；精度较传统十字叠加平台有显著提高；

②H型结构形式使载台的重量直接由整个大理石底座承载，在X-Y的两维加工范围内，载台的支撑方式始终没有改变，载台的重心也没有发生改变，极大增加整个平台的稳定性；而传统十字叠加平台，载台在全幅面加工时，载台重心是随时变化的，稳定性不够；

③X轴向、Y轴向以及θ轴旋转向均采用气浮导向，利用气体浮力，两个相对运动的部件是不接触的，运动件和导轨永远不会磨损；相比于传统直线导轨导向，运行更平稳，快速响应性高；

④本发明气浮精密运动平台达到百纳米级水准，X轴气浮导向运动件通过柔性连接件与Y轴SiC横梁相连，方便调整X、Y轴正交度，正交度达到0.0005°；采用小孔式节流孔，增加平台运动刚性和平稳性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明气浮平台的结构示意图；

图2：X轴导轨一和X轴导轨二部分的结构示意图；

图3：Y轴SiC横梁部分的结构示意图；

图4：θ轴气浮旋转单元的结构示意图；

图5：旋转轴外定子的结构示意图；

图6：柔性连接件的结构示意图；

图7：X轴气浮水平导向件的仰视示意图；

图8：图7的D-D剖视示意图；

图9：Y轴SiC横梁的结构示意图；

图10：Y轴SiC横梁初始位置的示意图；

图11：Y轴SiC横梁绕柔性连接件偏转2°的示意图。

图中各附图标记的含义：

1、大理石底座；2、X轴导轨一； 3、X轴导轨二；4、X轴气浮导向运动件；5、Y轴SiC横梁；6、X轴气浮水平导向件；7、Y轴气浮导向运动件；8、θ轴气浮旋转单元；9、气浮侧向正压节流孔一；10、气浮水平方向正压节流孔一；11、X轴磁钢一；12、X轴线圈一；13、柔性连接件；14、气浮水平方向正压节流孔三；15、气浮水平方向负压节流孔二；16、X轴线圈二；17、X轴磁钢二；18、气浮侧向正压节流孔二；19、气浮水平方向负压节流孔一；20、气浮水平方向正压节流孔二；21、Y轴线圈；22、Y轴磁钢；23、旋转轴联接底板；24、旋转轴外定子；25、旋转轴内转子；26、旋转轴联接顶板； 27、旋转轴线圈；28、旋转轴磁钢；29、气浮径向正压节流孔；30、气浮轴向正压节流孔；31、气浮轴向负压节流孔；32、U型结构件；33、开口槽；34、螺纹孔；35、正压气体流道；36、负压气体流道；37、正压气体导流槽；A、负压型腔一；B、负压型腔二；C、负压型腔三。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1、图2所示，半导体晶圆激光切割用气浮平台，包含大理石底座1、置于其上沿X轴向平行布置的X轴导轨一2与X轴导轨二3，X轴气浮导向运动件4通过其凹槽与X轴导轨一2相配，X轴气浮导向运动件4的底面设有朝向大理石底座1的气浮水平方向正压节流孔一10，X轴气浮导向运动件4的凹槽两内侧面均设有朝向X轴导轨一2的气浮侧向正压节流孔一9；X轴气浮导向运动件4通过柔性连接件13与Y轴SiC横梁5相连，X轴导轨一2上沿X轴向设有X轴磁钢一11，Y轴SiC横梁5的一端设有与其配对的X轴线圈一12，X轴导轨二3上沿X轴向设有X轴磁钢二17，Y轴SiC横梁5的另一端设有与其配对的X轴线圈二16；

Y轴SiC横梁5的底面左右对称设有两只等高共面的X轴气浮水平导向件6，X轴气浮水平导向件6的底面中部设有正对于大理石底座1的负压型腔二B，气浮水平方向负压节流孔二15与负压型腔二B连通，负压型腔二B侧部的X轴气浮水平导向件6的底面设有朝向大理石底座1的气浮水平方向正压节流孔三14。

X轴气浮导向运动件4上连接有U型结构件32，U型结构件32的两端与X轴气浮导向运动件4的凹槽两侧部连接固定。

X轴导轨一2上安装有X轴光栅尺一，X轴导轨二3上安装有X轴光栅尺二，Y轴SiC横梁5上安装有Y轴光栅尺。X轴光栅尺一、X轴光栅尺二和Y轴光栅尺均为分辨率5nm的雷尼绍绝对式光栅尺。

如图3所示，Y轴气浮导向运动件7呈回字形结构，Y轴气浮导向运动件7通过其槽孔与Y轴SiC横梁5相配，Y轴气浮导向运动件7的底面中部设有正对于大理石底座1的负压型腔一A，气浮水平方向负压节流孔一19与负压型腔一A连通，负压型腔一A侧部的Y轴气浮导向运动件7的底面设有朝向大理石底座1的气浮水平方向正压节流孔二20；Y轴气浮导向运动件7的槽孔两内侧面均设有朝向Y轴SiC横梁5的气浮侧向正压节流孔二18；Y轴SiC横梁5上沿Y轴向设有Y轴磁钢22，Y轴气浮导向运动件7上设有与其配对的Y轴线圈21。

如图4、图5所示，Y轴气浮导向运动件7上安装有θ轴气浮旋转单元8，θ轴气浮旋转单元8包含旋转轴联接顶板26、旋转轴内转子25、旋转轴外定子24、旋转轴联接底板23、旋转轴线圈27以及旋转轴磁钢28，旋转轴外定子24固定于旋转轴联接底板23上，旋转轴外定子24的中部有用于容纳旋转轴内转子25的圆孔，其外圆沿周向安装有旋转轴线圈27，旋转轴联接顶板26与旋转轴内转子25连接，旋转轴内转子25置于旋转轴外定子24中部的圆孔中，旋转轴联接顶板26的外缘沿周向安装有用于与旋转轴线圈27配对的旋转轴磁钢28；

旋转轴外定子24的圆孔内壁上设有朝向旋转轴内转子25的气浮径向正压节流孔29，旋转轴外定子24的上顶面设有朝向旋转轴联接顶板26的气浮轴向正压节流孔30，旋转轴外定子24的上顶面设有正对于旋转轴联接顶板26的负压型腔三C，气浮轴向负压节流孔31与负压型腔三C连通；

气浮径向正压节流孔29、气浮轴向正压节流孔30和气浮轴向负压节流孔31的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

如图6所示，柔性连接件13为一圆柱形结构，上下分别沿径向开有多道开口槽33，其两端面设有螺纹孔34。

如图7、图8所示，更加理想设计是，X轴气浮水平导向件6的负压型腔二B的中心部位开设气浮水平方向负压节流孔二15，经负压气体流道36连通至负压气体***；X轴气浮水平导向件6的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔三14，多只气浮水平方向正压节流孔三14位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽37使多只气浮水平方向正压节流孔三14串联连通，气浮水平方向正压节流孔三14经正压气体流道35连通至正压气体***。气浮水平方向负压节流孔二15和气浮水平方向正压节流孔三14的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

相应的，Y轴气浮导向运动件7的负压型腔一A的中心部位开设气浮水平方向负压节流孔一19，经负压气体流道连通至负压气体***；Y轴气浮导向运动件7的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔二20，多只气浮水平方向正压节流孔二20位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使气浮水平方向正压节流孔二20串联连通，气浮水平方向正压节流孔二20经正压气体流道连通至正压气体***；气浮侧向正压节流孔二18经正压气体流道连通至正压气体***。气浮水平方向负压节流孔一19、气浮水平方向正压节流孔二20和气浮侧向正压节流孔二18的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

相应的，X轴气浮导向运动件4的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔一10，多只气浮水平方向正压节流孔一10位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使气浮水平方向正压节流孔一10串联连通，气浮水平方向正压节流孔一10经正压气体流道连通至正压气体***；气浮侧向正压节流孔一9经正压气体流道连通至正压气体***。气浮侧向正压节流孔一9和气浮水平方向正压节流孔一10的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

如图9所示，Y轴SiC横梁5采用SiC材料加工而成，由于受制于横梁本体的结构设计限制，大理石材质的横梁是无法加工成横梁结构，传统的做法是采用铝合金材料加工。相对于铝合金材料，SiC材料的横梁具有高硬度、高耐磨性等优点，同时弹性模量远高于铝合金材料，接近于钢件，因此具有较高的机械强度，受温度变化影响特别小，不易变形。

Y轴SiC横梁5的两侧导向面可通过人工研磨抛光的方式达到非常高的精度，两侧面的平面度小于1um，两侧面的平行度小于1.5um。另外，受环境因素影响的变化非常小，横梁不变型，精度保持性佳。

气浮平台采用H型结构布局，大理石底座1是整个气浮平台的安装基座，在大理石底座1上布置X轴导轨一2和X轴导轨二3，X轴气浮导向运动件4置于X轴导轨一2上，X轴气浮导向运动件4通过柔性连接件13与Y轴SiC横梁5相连，H型平台结构使晶圆产品在全行程范围内均承载于大理石底座1上，重心始终不变，受力均匀。相对于传统的十字叠加精密平台，从力学结构上分析，能较好保证更高的行走精度，H型结构更为科学合理。

激光切割时对气浮平台X、Y轴的正交度有严格要求，需要在直径300mm的直径范围内，两轴的直角度小于0.0005°的误差。传统晶圆切割平台采用X、Y轴两轴叠加，形成X、Y互为垂直的两个直线轴。这时，通过光刻板在影像视觉识别***中对两个轴进行正交度调整，由于两个轴采用十字叠加结构，需要通过手动方式松紧X、Y轴的联接螺钉，来调整正交度。调整比较麻烦，工作量也较大，同时，最终的调整精度也不会太高，极限可以调整到0.001°左右的误差。

如图10、图11所示，本发明气浮平台采用柔性连接技术，X轴导轨一2上的X轴气浮导向运动件4通过柔性连接件13与Y轴SiC横梁5相连，使得Y轴和双驱X轴形成柔性连接。当X轴线圈一12和X轴线圈二16以及Y轴线圈21不上电时，手动摆动Y轴SiC横梁5，这时Y轴SiC横梁5会以柔性连接件13为圆心绕着柔性连接件13偏转，可产生±2°左右的偏摆，用于X、Y两轴的正交度调整。同时，如果释放掉手动偏转力，Y轴SiC横梁5偏转恢复到一开始的初始位置。当X轴线圈一12和X轴线圈二16以及Y轴线圈21上电时，通过电气控制，X轴线圈一12与 X轴磁钢一11产生的相对运动和X轴线圈二16 与X轴磁钢二17产生的相对运动，其运动方向相反，使Y轴SiC横梁5相对于柔性连接件13偏转运动，再通过光刻板在影像视觉识别***中的数据，控制好X轴一向与X轴二向的行走距离，从而达到电动控制X、Y轴正交度满足0.0005°的目的。调整起来非常方便，可由控制***自动完成正交度补偿，同时精度较高，可达到绝对90度，没有误差。

X轴导轨一2上配置有X轴气浮导向运动件4，X轴导轨二3上无需配置，气浮平台的X轴向为双驱控制，X轴线圈一12与 X轴磁钢一11产生相对运动，使X轴气浮导向运动件4沿X轴导轨一2进行单轴直线往复运动；X轴线圈二16 与X轴磁钢二17也产生相对运动。X轴向采用气浮导向，保证平台运动时的动态刚性和平稳性，采用小孔节流的气浮技术，相对于蜂窝状多孔气浮板，有更高的刚性和平稳性。向X轴气浮导向运动件4底面的多只气浮水平方向正压节流孔一10提供正压气体，向气浮侧向正压节流孔一9提供正压气体，限制四个直线方向的自由度， X轴导轨一2两侧用来限制两侧的自由度，利用两侧正压的方式实现；引入垂直向下的正压气体，起到整体限制X轴左右侧向两个自由度的目的。

Y轴SiC横梁5的底面设有两个等高共面的X轴气浮水平导向件6，位于Y轴SiC横梁5与大理石底座1之间，限制X轴上下两个方向的自由度，有两个气路通道，一个正压，一个负压，向X轴气浮水平导向件6底面的多只气浮水平方向正压节流孔三14提供正压气体，通过气浮水平方向负压节流孔二15向负压型腔二B提供负压气体；正压的目的是将整个Y轴SiC横梁5浮起来，负压的目的是紧紧地吸附住上浮起来的Y轴SiC横梁5，最终使得Y轴SiC横梁5处于一种平衡状态，同时也限制X轴上下两个方向的自由度。通过以上四个自由度的限制，使得整体X轴的刚性得到加强，运动更加平稳。搭载绝对式双光栅尺进行闭环和同步控制，光栅尺采用雷尼绍品牌，光栅尺分辨率达到5nm。

Y轴线圈21与Y轴磁钢22可产生相对运动，使Y轴气浮导向运动件7沿Y轴SiC横梁5进行直线往复运动，为单驱控制；Y轴气浮导向运动件7呈“回”字形结构。Y轴向采用气浮导向，保证产品切割过程中的平稳性，限制Y向运动时的四个自由度。首先，Y轴SiC横梁两侧限制两侧的自由度，由两侧正压的方式实现；有两个气路通道，一正压，一负压，向Y轴气浮导向运动件7底面的多只气浮水平方向正压节流孔二20提供正压气体，向气浮侧向正压节流孔二18提供正压气体，通过气浮水平方向负压节流孔一19向负压型腔一A提供负压气体。正压的目的是将整个回字形Y轴气浮导向运动件7浮起来，负压的目的是紧紧地吸附住上浮起来的Y轴气浮导向运动件7，最终使Y轴气浮导向运动件7处于一种平衡状态，限制Y轴上下两个方向的自由度，通过四个自由度的限制，使整体Y轴SiC横梁5的刚性得到加强，运动更加平稳。Y轴SiC横梁5搭载绝对式光栅尺进行闭环控制。

旋转轴外定子24加工有正压和负压的气体流道，包括环形气体流道，提供气浮的正负压，用于限制旋转部分的三个自由度。当旋转轴线圈27通电后，通过旋转轴线圈27与旋转轴磁钢28的作用，电能和磁场作用产生圆周运动的推力，带动旋转轴联接顶板26和旋转轴内转子25产生一回转运动。当通入正压气体时通过内部环形气槽和气路流道，向气浮径向正压节流孔29和气浮轴向正压节流孔30提供正压气体，分别流向旋转轴外定子24与旋转轴内转子25之间的圆周结合面，以及旋转轴外定子24顶面与旋转轴联接顶板26底面之间的平面结合面。气浮径向正压节流孔29和气浮轴向正压节流孔30的末端均安装有红宝石孔节流器，通过红宝石孔节流器中间0.1mm直径的小孔产生8～10um左右的正压气膜，从而使旋转部分（旋转轴联接顶板和旋转轴内转子）在气浮导向作用下进行旋转运动。旋转轴内转子25的底面与旋转轴联接底板23的顶面是悬浮不接触的，这样就限制了圆周方向和垂直方向向下的自由度。当通入负压气体时，向气浮轴向负压节流孔31提供负压气体，流向旋转轴外定子24上顶面的若干个负压型腔三C，建立负压真空，用来限制气浮旋转部分垂直方向向上的自由度。这样，气浮旋转部分的三个自由度全部限制，有利于气浮旋转部分的刚性和稳定性。同时所有气浮轴向负压节流孔31的末端均安装有红宝石孔节流器，通过红宝石孔节流器中间0.1mm直径的小孔产生的真空负压，将旋转轴联接顶板26紧紧吸附住，这时的气膜厚度变为5um左右的正负压气膜。真空正负压吸附的气浮结构非常紧凑，使运动部件的设计更加简单实用。

在X轴气浮水平导向件6内部加工出正压和负压的气体流道，相互独立，不相通。X轴气浮水平导向件6的底面加工出负压型腔二B，用于建立负压环境。没有接入压力气体时，X轴气浮水平导向件6和与大理石底座上平面贴合，X轴气浮水平导向件6的下底面的平面度可以做到1um以内，因此两者之间是无法移动的，类似于X轴气浮水平导向件6与大理石底座上平面产生了局部真空。当向气浮水平方向正压节流孔三14提供正压气体时，通过孔节流器的节流作用，使X轴气浮水平导向件6与大理石底座上平面之间产生8～10um左右的气膜厚度的高压气体，将整个运动部分悬浮起来，可以自由地移动。当向气浮水平方向负压节流孔二15提供负压气体时，负压型腔二B建立真空吸附环境，通过真空的作用将运动部分吸附住，由于引入了真空，这时气膜厚度会受到真空负压吸附的影响而变薄，由之前的8～10um左右的气膜厚度减薄到5um左右。使运动部分始终保持一种气膜厚度，由于限制了上下两个方向的自由度，极大地提升了运动部件的刚性和稳定性。真空正负压吸附的气浮结构非常紧凑，使运动部件的设计更加简单实用。

θ轴气浮旋转单元8安装在Y轴气浮导向运动件7上，θ轴气浮旋转单元8采用气浮旋转导向与直驱相结合的方式，旋转轴联接顶板26上安装有多孔陶瓷吸盘，用于吸附晶圆产品，晶圆产品直径200mm，厚度0.7mm左右，通过一层膜的作用将晶圆产品与晶圆用钢环连接，然后通过多孔陶瓷吸盘和钢环真空吸嘴的同时作用，将晶圆产品牢牢吸住，固定在多孔陶瓷台面上。采用旋转气浮结构，由于运动部件与固定部件之间不接触，旋转运动更加平稳，旋转部分的轴向跳动可以做到1um以内的超高精度。传统采用圆柱滚子轴承导向的旋转轴的轴向窜动，由于受到轴承自身的预压和滚珠直径误差的影响，轴向跳动的误差在3um左右。因此，旋转气浮结构的精度优势更为显著。

经过实测，本发明气浮平台的定位精度：±0.2um×±0.2um×±0.0009°，重复定位精度：±0.15um×±0.13um×±0.0005°，综合平面度：4um（12寸晶圆范围内），X-Y轴正交度：0.0005°，达到百纳米级的水准。

综上所述，本发明设计独特、结构新颖，气浮平台的结构布局呈H型， X轴向采用双驱同步控制，Y轴向采用单驱控制，θ轴气浮旋转单元采用气浮与直驱方式；精度较传统十字叠加平台有显著提升。

H型结构形式使载台的重量直接由整个大理石底座承载，在X-Y的两维加工范围内，载台的支撑方式始终没有改变，载台的重心也没有发生改变，极大增加整个平台的稳定性；而传统十字叠加平台，载台在全幅面加工时，载台重心是随时变化的，稳定性不够。

X轴向、Y轴向以及θ轴旋转向均采用气浮导向，利用气体浮力，两个相对运动的部件是不接触的，运动件和导轨永远不会磨损；相比于传统直线导轨导向，运行更平稳，快速响应性高。

本发明气浮精密运动平台达到百纳米级水准，X轴气浮导向运动件通过柔性连接件与Y轴SiC横梁相连，方便调整X、Y轴正交度，正交度达到0.0005°；采用小孔式节流孔，增加平台运动刚性和平稳性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (16)

1.半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：包含大理石底座（1）、置于其上沿X轴向平行布置的X轴导轨一（2）与X轴导轨二（3），X轴气浮导向运动件（4）通过其凹槽与X轴导轨一（2）相配，X轴气浮导向运动件（4）的底面设有朝向大理石底座（1）的气浮水平方向正压节流孔一（10），X轴气浮导向运动件（4）的凹槽两内侧面均设有朝向X轴导轨一（2）的气浮侧向正压节流孔一（9）；X轴气浮导向运动件（4）通过柔性连接件（13）与Y轴SiC横梁（5）相连，X轴导轨一（2）上沿X轴向设有X轴磁钢一（11），Y轴SiC横梁（5）的一端设有与其配对的X轴线圈一（12），X轴导轨二（3）上沿X轴向设有X轴磁钢二（17），Y轴SiC横梁（5）的另一端设有与其配对的X轴线圈二（16）；

Y轴气浮导向运动件（7）通过其槽孔与Y轴SiC横梁（5）相配，Y轴气浮导向运动件（7）的底面设有正对于大理石底座（1）的负压型腔一（A），气浮水平方向负压节流孔一（19）与负压型腔一（A）连通，负压型腔一（A）侧部的Y轴气浮导向运动件（7）的底面设有朝向大理石底座（1）的气浮水平方向正压节流孔二（20）；Y轴气浮导向运动件（7）的槽孔两内侧面均设有朝向Y轴SiC横梁（5）的气浮侧向正压节流孔二（18）；Y轴SiC横梁（5）上沿Y轴向设有Y轴磁钢（22），Y轴气浮导向运动件（7）上设有与其配对的Y轴线圈（21）；

Y轴SiC横梁（5）的底面设有X轴气浮水平导向件（6），X轴气浮水平导向件（6）的底面设有正对于大理石底座（1）的负压型腔二（B），气浮水平方向负压节流孔二（15）与负压型腔二（B）连通，负压型腔二（B）侧部的X轴气浮水平导向件（6）的底面设有朝向大理石底座（1）的气浮水平方向正压节流孔三（14）。

2.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：Y轴气浮导向运动件（7）上安装有θ轴气浮旋转单元（8），所述θ轴气浮旋转单元（8）包含旋转轴联接顶板（26）、旋转轴内转子（25）、旋转轴外定子（24）、旋转轴联接底板（23）、旋转轴线圈（27）以及旋转轴磁钢（28），旋转轴外定子（24）固定于旋转轴联接底板（23）上，旋转轴外定子（24）的中部有用于容纳旋转轴内转子（25）的圆孔，其外圆沿周向安装有旋转轴线圈（27），旋转轴联接顶板（26）与旋转轴内转子（25）连接，旋转轴内转子（25）置于旋转轴外定子（24）中部的圆孔中，旋转轴联接顶板（26）的外缘沿周向安装有用于与旋转轴线圈（27）配对的旋转轴磁钢（28）；

旋转轴外定子（24）的圆孔内壁上设有朝向旋转轴内转子（25）的气浮径向正压节流孔（29），旋转轴外定子（24）的上顶面设有朝向旋转轴联接顶板（26）的气浮轴向正压节流孔（30），旋转轴外定子（24）的上顶面设有正对于旋转轴联接顶板（26）的负压型腔三（C），气浮轴向负压节流孔（31）与负压型腔三（C）连通。

3.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：Y轴SiC横梁（5）的底面左右对称设有两只等高共面的X轴气浮水平导向件（6）。

4.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：柔性连接件（13）为一圆柱形结构，上下分别沿径向开有多道开口槽，其两端面设有螺纹孔（34）。

5.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：负压型腔二（B）的中心部位开设气浮水平方向负压节流孔二（15），经负压气体流道（36）连通至负压气体***；

X轴气浮水平导向件（6）的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔三（14），多只气浮水平方向正压节流孔三（14）位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽（37）使多只气浮水平方向正压节流孔三（14）串联连通，气浮水平方向正压节流孔三（14）经正压气体流道（35）连通至正压气体***。

6.根据权利要求1或5所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：气浮水平方向负压节流孔二（15）和气浮水平方向正压节流孔三（14）的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

7.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：负压型腔一（A）的中心部位开设气浮水平方向负压节流孔一（19），经负压气体流道连通至负压气体***；

Y轴气浮导向运动件（7）的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔二（20），多只气浮水平方向正压节流孔二（20）位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使气浮水平方向正压节流孔二（20）串联连通，气浮水平方向正压节流孔二（20）经正压气体流道连通至正压气体***；

气浮侧向正压节流孔二（18）经正压气体流道连通至正压气体***。

8.根据权利要求1或7所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：气浮水平方向负压节流孔一（19）、气浮水平方向正压节流孔二（20）和气浮侧向正压节流孔二（18）的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

9.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：X轴气浮导向运动件（4）的底面间隔设有多只气浮水平方向正压节流孔一（10），多只气浮水平方向正压节流孔一（10）位于长方形的轨迹上，由正压气体导流槽使气浮水平方向正压节流孔一（10）串联连通，气浮水平方向正压节流孔一（10）经正压气体流道连通至正压气体***；

气浮侧向正压节流孔一（9）经正压气体流道连通至正压气体***。

10.根据权利要求1或9所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：气浮侧向正压节流孔一（9）和气浮水平方向正压节流孔一（10）的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

11.根据权利要求2所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：气浮径向正压节流孔（29）、气浮轴向正压节流孔（30）和气浮轴向负压节流孔（31）的末端均安装有孔节流器，孔节流器的材质为红宝石，其内沿中心设有与气路相通的直径0.1mm的通气孔。

12.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：X轴气浮导向运动件（4）上连接有U型结构件（32），U型结构件（32）的两端与X轴气浮导向运动件（4）的凹槽两侧部连接固定。

13.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：X轴导轨一（2）上安装有X轴光栅尺一，X轴导轨二（3）上安装有X轴光栅尺二，Y轴SiC横梁（5）上安装有Y轴光栅尺。

14.根据权利要求13所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：X轴光栅尺一、X轴光栅尺二和Y轴光栅尺均为分辨率5nm的雷尼绍绝对式光栅尺。

15.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：Y轴气浮导向运动件（7）呈回字形结构。

16.根据权利要求1所述的半导体晶圆激光切割用气浮平台，其特征在于：Y轴SiC横梁（5）的两侧面的平面度小于1um，两侧面的平行度小于1.5um。

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