CN117074739B - 一种用于晶圆检测的气浮运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于晶圆检测的气浮运动装置，包括机架、基台、气浮承载座、Y轴运动模块、X轴运动模块。本发明的气浮运动装置采用独立的气浮承载座支撑载物台移动，Y轴运动模块直接以基台作为气浮工作面，X轴运动模块整体堆叠设置在Y轴运动模块上，Y轴运动模块和X轴运动模块均采用气浮轴承实现气浮式移动，装置整体刚度高，承载能力强，运动稳定性好，可以满足晶圆高精度检测要求。

Description

一种用于晶圆检测的气浮运动装置

技术领域

本发明涉及半导体检测设备技术领域，具体而言，涉及一种用于晶圆检测的气浮运动装置。

背景技术

随着芯片制程的不断升级，不仅对芯片制造设备，同时也对芯片检测设备提出了更高的精度要求。晶圆一般装载在载台装置上，载台装置搭载在精密运动平台上使用，由运动平台实现XY轴扫描运动。

现有运动平台主要可以分为机械运动平台和气浮运动平台，传统机械运动平台受机械传动限制，传动级数越多精度越差，且运动加速度低，响应速度慢。而气浮运动平台采用气浮轴承或者气浮导轨传动，具有阻力低、动态响应快的优点。但现有的气浮运动平台仍然存在一些不足，如发明申请CN114878864A公开一种晶圆检测高精度气浮运动平台，其仅在Z轴上使用了气浮传动方式，稳定性差，承载能力低，刚度不足；且该技术在XY轴运动上未使用气浮，装置在运动过程中仍存在机械传动部分，这会影响到装置的整体精度。又如发明申请CN115773445A公开一种多自由度龙门气浮运动***，装置整体结构的刚性差；其Y轴和Z轴采用双直线电机驱动，不仅会提高控制的难度，同时会带来严重的同步运动误差；且Y轴气浮导轨是以气套包围导轨的形式实现的，这种结构十分依赖导轨的加工精度和安装精度，同时运动过程对导轨和气浮轴承的磨损大。因此现有的运动平台存在运动稳定性差，刚度低，承载能力不足的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是如何提高运动平台的运动稳定性、刚度和承载能力，实现高精度检测要求。

为解决上述问题，本发明提供一种用于晶圆检测的气浮运动装置，包括

机架；

基台，所述基台设置在所述机架上，所述基台的材质为大理石；

气浮承载座，所述气浮承载座的气浮面朝向所述基台，所述气浮承载座上设有载物台；

Y轴运动模块，包括两组对称的设置的Y轴直线电机和滑动梁，所述Y轴直线电机沿Y轴方向布置，各所述Y轴直线电机与对应所述滑动梁驱动连接，所述滑动梁上设有至少一个气浮端面朝向所述基台的气浮轴承；

X轴运动模块，包括X轴直线电机、滑动架、第一横梁和第二横梁，所述X轴直线电机、所述第一横梁和所述第二横梁沿X轴方向设置，所述第一横梁和所述第二横梁的两端架设在两侧所述滑动梁上，所述载物台位于所述第一横梁和所述第二横梁之间，所述X轴直线电机设置在所述第二横梁上，所述X轴直线电机与所述滑动架驱动连接，所述滑动架与所述气浮承载座固定连接，所述滑动架上设有至少一个气浮端面朝向所述第二横梁的气浮轴承，所述载物台上设有至少一个气浮面朝向所述第一横梁的气浮轴承。

相对于现有技术，本发明用于晶圆检测的气浮运动装置具有以下有益效果：采用独立的气浮承载座支撑载物台移动，减少对运动组件的负载和摩擦，避免零件受力变形，提高响应速度和精度，降低功耗；Y轴运动模块直接以基台作为气浮工作面，加工安装简单，减少***误差，且Y轴运动模块采用对称式设计，提高双驱同步性；X轴运动模块整体堆叠设置在Y轴运动模块上，提高运动装置刚度，第一横梁和第二横梁设置在载物台两侧，使载物台运动时拥有更好的平面度，保证运动稳定；Y轴运动模块和X轴运动模块均采用气浮轴承实现气浮式移动，不需要采用封闭式导轨，本发明的气浮实现方式结构简单，对气浮轴承磨损小，装置整体刚度高，承载能力强，运动稳定性好，可以满足晶圆高精度检测要求。

在优选或可选方案中，所述基台包括水平设置的底板和两个侧板，两侧所述侧板平行设置，所述侧板与所述底板垂直设置，两个所述Y轴直线电机分别设置在一侧所述侧板上，所述滑动梁包括相互垂直的第一滑板和第二滑板，所述第一滑板与所述侧板平行设置，所述第二滑板与所述底板平行设置。基台设置两侧侧板，便于Y轴运动模块固定安装，滑动梁的截面为L形，结构强度提高，运动稳定性更好。

在优选或可选方案中，所述第一滑板在Y轴方向靠近两端位置分别设置一个气浮端面朝向所述侧板的气浮轴承，所述第二滑板在Y轴方向靠近两端位置分别设置一个气浮端面朝向所述底板的气浮轴承。Y轴运动模块的气浮轴承在空间布置上形成两个长方形，与基座的底板和侧板形成气浮接触，支撑面广，承载能力强，刚度好。

在优选或可选方案中，所述第一滑板和所述第二滑板的一侧表面具有多个三角形的凹槽。设置三角形凹槽可以减轻滑动梁质量，提高刚度，降低运行负载，减小电机功耗，减少发热，进而提高运动精度。

在优选或可选方案中，所述基台上设有两组Y轴运动反馈机构，每个所述Y轴运动反馈机构用于检测对应所述滑动梁的移动行程，从而精确控制滑动梁在Y轴方向的位移。

在优选或可选方案中，在所述基台上与每个所述滑动梁的行程起点和终点对应位置均安装一个Y轴行程接近开关，所述滑动梁沿Y轴方向的两端分别设有Y轴防撞块，在所述基台上与所述滑动梁的行程起点和终点对应位置均安装一个Y轴防撞阻尼器。设置Y轴行程接近开关，当滑动梁运动到极限位时会发出反馈，限定滑动梁的最大行程； Y轴防撞块和Y轴防撞阻尼器配合，能使滑动梁接近行程终点时移动速度快速降低，提高运动精度。

在优选或可选方案中，所述X轴运动模块包括第三横梁，所述第三横梁设置在所述第二横梁的上方，所述X轴直线电机设置在所述第二横梁和所述第三横梁之间。这种结构设计的目的是为了质心驱动，消除偏置和扭转，并提高X轴运动模块整体的刚度。

在优选或可选方案中，所述滑动架包括第一立板、第二立板和连接板，所述第一立板和所述第二立板平行设置在所述第二横梁和所述第三横梁的两侧，所述第一立板和第二立板的上端与所述连接板固定连接，所述第一立板和所述第二立板的下端与所述气浮承载座固定连接。

在优选或可选方案中，所述第一立板靠近四角位置分别设置一个气浮端面朝向所述第二横梁或所述第三横梁的气浮轴承，所述第二立板靠近四角位置分别设置一个气浮端面朝向所述第二横梁或所述第三横梁的气浮轴承，所述载物台沿X轴方向的两侧分别设有一个气浮面朝向所述第一横梁的气浮轴承。第一横梁与两个气浮轴承对应，第二横梁和第三横梁的两侧分别与两个气浮轴承对应，形成立体布局的气浮支撑空间，使X轴运动模块整体刚度好，运动稳定性高。

在优选或可选方案中，所述第一横梁、所述第二横梁和所述第三横梁的一侧表面具有多个三角形的凹槽。设置三角形凹槽可以减轻横梁质量，提高刚度和承载能力。

在优选或可选方案中，所述滑动架上设有X轴运动反馈机构，用于检测所述滑动架的移动行程，从而精确控制滑动架在X轴方向的位移。

在优选或可选方案中，两侧所述滑动梁上分别安装一个X轴行程接近开关，两侧所述滑动梁上分别安装一个X轴防撞块，所述载物台沿X轴方向的两侧分别设有一个X轴防撞阻尼器。设置X轴行程接近开关，当载物台运动到极限位时会发出反馈，限定载物台沿X轴方向移动的最大行程；X轴防撞块和X轴防撞阻尼器配合，能使载物台接近行程终点时移动速度快速降低，提高运动精度。

在优选或可选方案中，所述气浮承载座的底部均匀分布多个出气孔和对应的均压槽。气浮承载座底部形成压力稳定的气浮支撑面，保证运动稳定性。

在优选或可选方案中，所述机架与所述基台通过主动减震器连接。基台使用主动减震器，有效过滤地面振动，提高运动精度。

附图说明

图1为本发明实施例中用于晶圆检测的气浮运动装置的整体结构图。

图2为本发明实施例中Y轴运动模块和X轴运动模块的布局立体图。

图3为本发明实施例中Y轴运动模块和X轴运动模块的布局正视图。

图4为本发明实施例中Y轴运动模块和X轴运动模块的布局后视图。

图5为本发明实施例中Y轴运动模块和X轴运动模块的布局侧视图。

附图标记说明：

1-机架，11-主动减震器，2-基台，21-底板，22-侧板，23-龙门架，31-Y轴直线电机，32-滑动梁，321-第一滑板，322-第二滑板，33-Y轴运动反馈机构，34-Y轴行程接近开关，35-Y轴防撞阻尼器，36-Y轴拖链，41-X轴直线电机，42-滑动架，421-第一立板，422-第二立板，423-连接板，43-第一横梁，44-第二横梁，45-第三横梁，46-X轴运动反馈机构，47-X轴防撞阻尼器，5-气浮承载座，6-载物台，7-气浮轴承。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

应注意到：相似的标记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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明的实施例的附图中设置有坐标系XYZ，其中X轴的正向对应前方，X轴的反向对应后方，Y轴的正向对应右方，Y轴的反向对应左方，Z轴的正向对应上方，Z轴的反向对应下方。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1至图5所示，本发明的实施例提供一种用于晶圆检测的气浮运动装置，包括机架1和设置在机架1上的基台2。机架1用于支撑基台2，便于装置整体移动。基台2上设有气浮承载座5、Y轴运动模块和X轴运动模块，气浮承载座5上设有用于装载晶圆的载物台6，Y轴运动模块和X轴运动模块分别用于控制气浮承载座5在Y轴方向和X轴方向移动，载物台6可以进行Z轴方向的移动和转动，由此实现晶圆检测过程中的移动定位。

结合图1所示，机架1与基台2之间设有多个通过主动减震器11，通过主动减震器11可以有效过滤地面振动，提高气浮运动装置的运动精度。

基台2的材质为大理石，气浮承载座5的底面为气浮面，其上均匀分布有多个出气孔，气浮面朝向基台2。气浮运动装置采用独立的气浮承载座5支撑载物台6移动，减少对运动组件的负载和摩擦，避免零件受力变形，提高响应速度和精度，降低功耗。优选地，气浮承载座5底部设有多个均压槽，各均压槽将各出气孔连接在一起，从而在气浮承载座5底部形成压力稳定的气浮支撑面，提高运动稳定性。

结合图2所示，基台2包括水平设置的底板21和两个侧板22，两侧侧板22平行设置，且侧板22与底板21垂直设置，底板21与侧板22之间的空间构成运动部件的安装空间，两个侧板22的上部与一龙门架23连接，提高基台2整体刚度。

Y轴运动模块和X轴运动模块安装在基台2的底板21与侧板22构成的凹陷区域，整体为堆叠式设计，Y轴运动模块又称下轴模块，X轴运动模块又称上轴运动模块，X轴运动模块搭建在Y轴运动模块上，这种结构可以提高装置刚度和承载能力，运动稳定性好。

结合图3所示，Y轴运动模块包括两组对称的设置的Y轴直线电机31和滑动梁32。Y轴直线电机31沿Y轴方向布置，两个Y轴直线电机31分别设置在一侧侧板22上，Y轴直线电机31与对应的滑动梁32驱动连接，Y轴运动模块采用对称式设计，提高双驱同步性。滑动梁32上设有至少一个气浮端面朝向基台2的气浮轴承7，以实现气浮式移动。Y轴运动模块直接以基台2作为气浮工作面，加工安装简单，减少***误差。

基台2上设有两组Y轴运动反馈机构33，每个Y轴运动反馈机构33用于检测对应滑动梁32的移动行程，从而精确控制滑动梁32在Y轴方向的位移。具体而言，Y轴运动反馈机构33设置在基台2的侧板22上，位于Y轴直线电机31的上方，Y轴运动反馈机构33由编码器和光栅组成。

结合图4所示，滑动梁32包括相互垂直的第一滑板321和第二滑板322，第一滑板321与侧板22平行设置，第二滑板322与底板21平行设置，滑动梁32的截面为L形，结构强度提高，且便于架设X轴运动模块，运动稳定性更好。

本实施例中，Y轴运动模块共包括八个气浮轴承7，具体设置位置如下：第一滑板321靠近左右两端位置分别设置一个气浮端面朝向侧板22的气浮轴承7，第二滑板322在靠近左右两端位置分别设置一个气浮端面朝向底板21的气浮轴承7。Y轴运动模块的气浮轴承7在空间布置上形成两个长方形，与基座的底板21和侧板22形成气浮接触，支撑面广，承载能力强，刚度好。

结合图5所示，第一滑板321和所述第二滑板322的一侧表面具有多个三角形的凹槽，这种结构可以提高滑动梁32的刚度，减轻质量，降低运行负载，减小电机功耗，减少发热，进而提高运动精度。

进一步地，在基台2上与每个滑动梁32的行程起点和终点对应位置均安装一个Y轴行程接近开关34，当滑动梁32运动到极限位时会发出反馈，限定滑动梁32的最大行程。

进一步地，滑动梁32沿的左右两端分别设有一个Y轴防撞块，在基台2上与滑动梁32的行程起点和终点对应位置均安装一个Y轴防撞阻尼器35， 滑动梁32接近行程终点时，Y轴防撞块和Y轴防撞阻尼器35接触，能使滑动梁32移动速度快速降低，从而提高Y轴运动模块的精度。

结合图2至图5所示，X轴运动模块包括X轴直线电机41、滑动架42、第一横梁43和第二横梁44。第一横梁43和第二横梁44沿X轴方向平行设置，且第一横梁43和第二横梁44分布在载物台6的左右两侧。两根横梁的前后两侧架设在两根滑动梁32上，横梁的底部与滑动梁32的第二滑板322相抵，形成固定连接。X轴直线电机41设置在第二横梁44上，且与第二横梁44平行设置。X轴直线电机41与滑动架42驱动连接，滑动架42与气浮承载座5固定连接，由此X轴直线电机41可以驱动气浮承载座5和载物台6沿X轴方向移动。滑动架42的位置靠近第二横梁44，滑动架42上设有至少一个气浮端面朝向第二横梁44的气浮轴承7，载物台6上设有至少一个气浮面朝向第一横梁43的气浮轴承7，X轴运动模块均采用气浮轴承7实现气浮式移动，气浮实现方式结构简单，对气浮轴承7磨损小，装置整体刚度高。

进一步地， X轴运动模块包括第三横梁45，第三横梁45平行设置在第二横梁44的上方，X轴直线电机41设置在第二横梁44和所述第三横梁45之间。这种结构设计的目的是为了质心驱动，消除偏置和扭转，还能提高X轴运动模块整体的刚度。

结合图4和图5所示，滑动架42包括第一立板421、第二立板422和连接板423，第一立板421和第二立板422平行设置在第二横梁44和第三横梁45的左右两侧，第一立板421和第二立板422的上端与连接板423固定连接，滑动架42对第二横梁44和第三横梁45形成了半包围结构，第一立板421和第二立板422的下端与气浮承载座5固定连接。

滑动架42上设有X轴运动反馈机构46，用于检测所述滑动架42的移动行程，从而精确控制滑动架42在X轴方向的位移。具体而言，X轴运动反馈机构46由编码器和光栅组成，编码器设置在滑动架42的连接板423的下表面，光栅设置在第三横梁45的上方。

本实施例中，X轴运动模块共包括十个气浮轴承7，具体设置位置如下：第一立板421下部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向第二横梁44的气浮轴承7，上部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向第三横梁45的气浮轴承7。第二立板422上的气浮轴承7与第一立板421上的气浮轴承7对称设置，其下部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向第二横梁44的气浮轴承7，上部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向第三横梁45的气浮轴承7。载物台6的前后两侧设有一个气浮面朝向第一横梁43的气浮轴承7。由上述气浮轴承7形成立体布局的气浮支撑空间，使X轴运动模块整体刚度好，运动稳定性高。

进一步地，两侧滑动梁32上分别安装一个X轴行程接近开关（图中未示出），当载物台6运动到极限位时会发出反馈，限定载物台6沿X轴方向移动的最大行程。

进一步地，两侧滑动梁32上分别安装一个X轴防撞块（图中未示出），载物台6的前后两侧分别设有一个X轴防撞阻尼器47， 载物台6接近行程终点时，X轴防撞块和X轴防撞阻尼器47接触，能使载物台6移动速度快速降低，从而提高X轴运动模块的精度。

基台2上位于Y轴运动模块和X轴运动模块安装部位的右侧还设有多个固定支架，用于固定运动模块的接头和气管，另外设置有连接件固定Y轴拖链36。

上述实施例气浮运动装置的Y轴运动模块、X轴运动模块、载物台6均采用气浮运动方式，运动稳定高效；且Y轴运动模块和X轴运动模块采用多个气浮轴承7实现气浮运动，气浮实现方式结构简单，加工精度和安装精度要求低，运动磨损和误差小；气浮轴承7的布置结构、气浮承载座5支撑载物台6的结构设计均考虑了装置的整体刚度，提高了装置的承载能力和运动稳定性，可以满足晶圆高精度检测要求。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，包括

机架(1)；

基台(2)，所述基台(2)设置在所述机架(1)上，所述基台(2)的材质为大理石；

气浮承载座(5)，所述气浮承载座(5)的气浮面朝向所述基台(2)，所述气浮承载座(5)上设有载物台(6)；

Y轴运动模块，包括两组对称的设置的Y轴直线电机(31)和滑动梁(32)，所述Y轴直线电机(31)沿Y轴方向布置，各所述Y轴直线电机(31)与对应所述滑动梁(32)驱动连接，所述滑动梁(32)上设有至少一个气浮端面朝向所述基台(2)的气浮轴承(7)；

X轴运动模块，包括X轴直线电机(41)、滑动架(42)、第一横梁(43)和第二横梁(44)，所述X轴直线电机(41)、所述第一横梁(43)和所述第二横梁(44)沿X轴方向设置，所述第一横梁(43)和所述第二横梁(44)的两端架设在两侧所述滑动梁(32)上，所述载物台(6)位于所述第一横梁(43)和所述第二横梁(44)之间，所述X轴直线电机(41)设置在所述第二横梁(44)上，所述X轴直线电机(41)与所述滑动架(42)驱动连接，所述滑动架(42)与所述气浮承载座(5)固定连接，所述滑动架(42)上设有至少一个气浮端面朝向所述第二横梁(44)的气浮轴承(7)，所述载物台(6)上设有至少一个气浮面朝向所述第一横梁(43)的气浮轴承(7)；

所述基台(2)包括水平设置的底板(21)和两个侧板(22)，两侧所述侧板(22)平行设置，所述侧板(22)与所述底板(21)垂直设置，两个所述Y轴直线电机(31)分别设置在一侧所述侧板(22)上，所述滑动梁(32)包括相互垂直的第一滑板(321)和第二滑板(322)，所述第一滑板(321)与所述侧板(22)平行设置，所述第二滑板(322)与所述底板(21)平行设置，所述第一滑板(321)在Y轴方向靠近两端位置分别设置一个气浮端面朝向所述侧板(22)的气浮轴承(7)，所述第二滑板(322)在Y轴方向靠近两端位置分别设置一个气浮端面朝向所述底板(21)的气浮轴承(7)；

所述X轴运动模块包括第三横梁(45)，所述第三横梁(45)设置在所述第二横梁(44)的上方，所述滑动架(42)包括第一立板(421)、第二立板(422)和连接板(423)，所述第一立板(421)和所述第二立板(422)平行设置在所述第二横梁(44)和所述第三横梁(45)的两侧，所述第一立板(421)和第二立板(422)的上端与所述连接板(423)固定连接，所述第一立板(421)和所述第二立板(422)的下端与所述气浮承载座(5)固定连接，所述第一立板(421)下部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向所述第二横梁(44)的气浮轴承(7)，上部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向所述第三横梁(45)的气浮轴承(7)，所述第二立板(422)下部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向所述第二横梁(44)的气浮轴承(7)，上部的两角位置分别设置一个气浮端面朝向所述第三横梁(45)的气浮轴承(7)，所述载物台(6)沿X轴方向的两侧分别设有一个气浮面朝向所述第一横梁(43)的气浮轴承(7)。

2.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述第一滑板(321)和所述第二滑板(322)的一侧表面具有多个三角形的凹槽。

3.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述基台(2)上设有两组Y轴运动反馈机构(33)，每个所述Y轴运动反馈机构(33)用于检测对应所述滑动梁(32)的移动行程。

4.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，在所述基台(2)上与每个所述滑动梁(32)的行程起点和终点对应位置均安装一个Y轴行程接近开关(34)，所述滑动梁(32)沿Y轴方向的两端分别设有Y轴防撞块，在所述基台(2)上与所述滑动梁(32)的行程起点和终点对应位置均安装一个Y轴防撞阻尼器(35)。

5.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述X轴直线电机(41)设置在所述第二横梁(44)和所述第三横梁(45)之间。

6.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述第一横梁(43)、所述第二横梁(44)和所述第三横梁(45)的一侧表面具有多个三角形的凹槽。

7.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述滑动架(42)上设有X轴运动反馈机构(46)，用于检测所述滑动架(42)的移动行程。

8.根据权利要求1所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，两侧所述滑动梁(32)上分别安装一个X轴行程接近开关，两侧所述滑动梁(32)上分别安装一个X轴防撞块，所述载物台(6)沿X轴方向的两侧分别设有一个X轴防撞阻尼器(47)。

9.根据权利要求1-8任一所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述气浮承载座(5)的底部均匀分布多个出气孔和对应的均压槽。

10.根据权利要求1-8任一所述的用于晶圆检测的气浮运动装置，其特征在于，所述机架(1)与所述基台(2)通过主动减震器(11)连接。