TWI572542B - Workpiece cable assembly - Google Patents

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TWI572542B
TWI572542B TW102148649A TW102148649A TWI572542B TW I572542 B TWI572542 B TW I572542B TW 102148649 A TW102148649 A TW 102148649A TW 102148649 A TW102148649 A TW 102148649A TW I572542 B TWI572542 B TW I572542B
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Description

工件台線纜裝置
本發明涉及半導體光刻設備領域，尤其涉及一種工件台線纜裝置。
在半導體光刻設備中，矽片台和掩模台等精密矽片台運動系統是極其重要的關鍵部件，其定位精度直接影響光刻設備的性能，其運行速度直接影響光刻設備的生產效率。隨著超大型積體電路器件集成度的不斷提高，光刻解析度的不斷增強，對光刻機的特徵線寬指標要求也在不斷提升，對應的矽片台的運行速度、加速度以及精度要求也不斷提高。
光刻機矽片台系統典型的結構形式為粗、微動相結合的結構，由於平面電機具有出力密度高、速度快、可靠性高等特點，且易於將其集成到被控物件中，具有回應速度快、控制靈敏度高、機械結構簡單等優點，目前已經被應用於半導體光刻設備中，實現矽片台的長行程粗動。但由於採用平面電機來實現長行程粗動的矽片台無X、Y向導軌，而用於給矽片台配套的各種通信線纜、功率線纜以及氣管、水管等管線設施需要跟隨矽片台在XY平面內運動，因此，需要設置線纜支撐導向裝置。常見的矽片台線纜設施是被動跟隨著矽片台在XY平 面內運動，在矽片台進行高速運動和奈米級精確定位時，拖動的管線設施對矽片台產生的擾動將不可忽略。
目前有一種採用平面電機驅動矽片台實現長行程粗動的矽片台系統，其線纜支撐導向裝置主要包括一組通過一個轉動偶連接在一起的V型連桿元件，連桿元件的一端通過轉動偶安裝在滑台上，另一端通過轉動偶安裝在矽片台上，矽片台線纜設施從滑台沿連桿元件傳送到矽片台上，並與連桿組件一起在Y向被動跟隨著矽片台運動。此方案管線設施在垂直方向有支撐，避免了下垂時與工作台面摩擦，但在Y向被動跟隨著矽片台運動，仍然會影響矽片台運動定位精度。
還有一種採用多關節機械手的光刻機矽片台的線纜台，此種線纜台包含一個控制裝置和至少一個多關節機械手，矽片台管線設施通過多關節機械手走到矽片台上，通過控制各關節驅動器的轉角，來保證管線設施主動跟隨著矽片台在XY平面內運動，避免了管線設施對矽片台運動定位精度的影響。但，該線纜台結構複雜，線纜在高速運動過程中折彎次數過多，影響線纜的使用壽命；機械手關節數較多導致使用的驅動器數量較多，同時冗餘自由度機械手控制系統設計比較複雜，開發成本相對較高。
本發明提供一種工件台線纜裝置，以解決現有技術中線纜被動跟隨矽片台運動的問題。
為解決上述技術問題，本發明提供一種工件台線纜裝置，包括：工件台；矽片台，安裝於該工件台的上側；線纜連接台， 安裝於該工件台的下側；線纜設備，其兩端分別連接至該矽片台和線纜連接台；X向運動設備，連接至該線纜連接台，並帶動線纜連接台跟隨著矽片台沿X向運動；以及，Y向運動設備，連接至該線纜連接台，並帶動線纜連接台跟隨著矽片台沿Y向運動，其中，X向和Y向是水平面內相互正交的兩個方向。
較佳地，該線纜設備與該矽片台之間安裝有差分感測器。
較佳地，該Y向運動設備包括：滑台，沿Y向固定於該工件台底部的一側；滑塊，能夠沿該滑台滑動；以及，導向裝置，該導向裝置沿X方向設置，其一端安裝於該滑塊上，另一端安裝於該線纜連接台上，使滑塊和線纜連接台的Y向相對位置保持不變；該X向運動設備包括：運動機構，其一端安裝於該滑塊上，另一端安裝於該線纜連接台上；以及，控制電機，用於控制該運動機構沿X向的運動。
較佳地，該導向裝置為導向桿，該導向桿的一端固定連接於該線纜連接台，該導向桿的另一端穿設於該滑塊內，並能夠在該滑塊內沿X方向滑動。
較佳地，該導向桿為直線導向裝置，該導向桿與該滑塊之間設有機械軸承、或氣浮軸承、或磁浮軸承。
較佳地，該運動機構為機械臂，該機械臂包括第一連桿和第二連桿，該第一連桿的第一端與該控制電機相連，該的第一連桿的第二端與該第二連桿的第一端通過一旋轉接點相連，該第二連桿的第二端與該線纜連接台鉸接。
較佳地，該控制電機為旋轉電機，該旋轉電機控制該第一連桿的第一端的旋轉。
較佳地，該旋轉電機上還設有旋轉編碼器。
較佳地，該運動機構為直線滑軌，該直線滑軌包括X向的軌道、及沿該軌道滑動的固定塊，該軌道的一端固定連接至該滑塊，該線纜連接台固定於該固定塊上。
較佳地，該控制電機為直線電機，該直線電機控制該固定塊沿該軌道做直線運動。
較佳地，該直線電機上還設有直線編碼尺。
較佳地，該工件台底部設有第一磁鋼陣列，該線纜連接台上設有與該第一磁鋼陣列相對應的第二磁鋼陣列。
較佳地，該工件台底部設有第一線圈陣列，該線纜連接台上設有與該第一線圈陣列相對應的第二線圈陣列。
較佳地，該矽片台內部設有霍爾感測器陣列，該線纜設備與該矽片台之間設有跟隨感測器。
較佳地，該線纜設備包括線纜、及套設於該線纜外側的線纜套，該線纜套中設有隔層。
較佳地，該線纜採用柔性線纜。
較佳地，該線纜套採用高彈性模量、高剛度、低密度材料製成，如碳纖維、陶瓷、或碳化矽。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明提供的工件台線纜裝置具有如下優點： 1．本發明可以有效支撐並驅動線纜設備同步跟隨矽片台運動，線纜採用高剛度、高彈性模量、低密度結構件進行封裝，運動時線纜與矽片台相對靜止，線纜結構剛度及模態高，將線纜設備運動過程中對矽片台產生的擾動降低到最小，進而提高矽片台的運動定位精度；2．機械結構及控制演算法相對簡單，針對不同的光刻機工件台，可以根據矽片台在X向的極限行程，來靈活設計X向運動設備的長度，結構簡單。
110‧‧‧工件台
120‧‧‧矽片台
130‧‧‧線纜設備
131‧‧‧線纜
132‧‧‧線纜套
133‧‧‧隔層
140‧‧‧線纜連接台
151‧‧‧滑台
152‧‧‧滑塊
153‧‧‧導向裝置；導向桿
161‧‧‧機械臂
162‧‧‧旋轉電機
210‧‧‧工件台
220‧‧‧矽片台
230‧‧‧線纜設備
240‧‧‧線纜連接台
251‧‧‧滑台
252‧‧‧滑塊
261‧‧‧軌道
262‧‧‧固定塊
310‧‧‧工件台
320‧‧‧矽片台
330‧‧‧線纜設備
340‧‧‧線纜連接台
350‧‧‧(第一)磁鋼陣列；(第一)線圈陣列
1611‧‧‧連桿
1611a‧‧‧(第一)連桿
1611b‧‧‧(第二)連桿
1612‧‧‧旋轉接點
X‧‧‧X向
Y‧‧‧Y向
圖1為本發明實施例1的工件台線纜裝置的結構示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3和圖4分別為本發明實施例1中的線纜連接台處於最大行程和最小行程時的佈局圖。
圖5為本發明的工件台線纜裝置的線纜裝置的結構示意圖。
圖6為圖5的剖面圖。
圖7為本發明實施例2的工件台線纜裝置的結構示意圖。
圖8為本發明實施例3的工件台線纜裝置的結構示意圖。
圖9為圖8的俯視圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。需說明的 是，本發明附圖均採用簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
本發明提供的工件台線纜裝置，如圖1至圖4所示，包括工件台110、矽片台120、線纜設備130、線纜連接台140，以及，X向運動設備和Y向運動設備，矽片台120與線纜連接台140分別安裝於工件台110的上側和下側，線纜設備130的兩端分別連接至矽片台120和線纜連接台140。具體地，線纜設備130與矽片台120為柔性連接，以保證線纜設備130與矽片台120之間的柔性解耦，線纜設備130與線纜連接台140剛性連接，使線纜連接台140在運動過程中帶動線纜設備130同步運動，兩者間無需如線纜設備130和矽片台120之間需要跟隨控制。該X向運動設備連接至線纜連接台140並沿X向運動，該Y向運動設備連接至線纜連接台140並沿Y向運動。其中，矽片台120通過平面電機(圖中未示出)的動、定子之間的作用力，懸浮在工件台110上，矽片台120通過平面電機實現空間內六自由度的運動和定位，該X向運動設備和Y向運動設備帶動線纜連接台140跟隨矽片台120同步運動，以減少線纜設備130對矽片台120運動產生的擾動，並減少線纜設備130在矽片台120運動中的彎折次數，增加線纜設備130的使用壽命，同時，本發明結構簡單，成本較低。
實施例1：
請繼續參考圖1至圖4，該Y向運動設備包括固定於工件台110底部邊緣的滑台151，能夠沿滑台151滑動的滑塊152、及沿X方向設置的導 向裝置153，導向裝置153的一端安裝於滑塊152上，另一端安裝於線纜連接台140上。該X向運動設備包括運動機構和控制電機，該運動機構的一端與控制電機相連，另一端安裝於線纜連接台140上，該控制電機控制該運動機構的X向運動。較佳地，該導向裝置為導向桿153，較佳地，導向桿153為直線導向裝置，導向桿153與滑塊152之間設有機械軸承、或氣浮軸承、或磁浮軸承。導向桿153的一端固定連接於線纜連接台140，導向桿153的另一端穿設於滑塊152內，並能夠相對於滑塊152沿X方向滑動，與滑塊152在Y方向保持同步，從而，當滑塊152沿滑台151在Y向運動時，導向桿153帶動線纜連接台140跟隨滑塊152在Y向作同步運動；較佳地，該運動機構為機械臂161，此機械臂161包括分別為第一連桿1611a和第二連桿1611b的兩根連桿、及連接該兩根連桿1611a和1611b的旋轉接點1612，第一連桿1611a的第一端與該控制電機相連，第一連桿1611a的第二端與第二連桿1611b的第一端通過旋轉接點1612相連，第二連桿1611b的第二端與線纜連接台140鉸接，使線纜連接台140在Rz向解耦；較佳地，該控制電機為旋轉電機162，此旋轉電機162控制第一連桿1611a的第一端旋轉，從而，帶動第二連桿1611b及線纜連接台140在X向作相應的移動。較佳地，旋轉電機162上還設有旋轉編碼器(圖中未示出)，用以測量機械臂161的運動狀態。運動過程中只需通過旋轉電機162驅動機械臂161並配合滑台151在Y向的運動，即可帶動線纜連接台140跟隨矽片台120在XY平面進行主動跟隨運動，由於，矽片台120運動時，旋轉電機162帶動兩根連桿1611a和1611b運動、機械臂161帶動線纜連接台140運動、線纜設備130一端和線纜連 接台140為剛性連接，故，線纜連接台140和線纜設備130一起實現在X、Y方向的主動跟隨，並能保證線纜設備130與矽片台120的運動軌跡、速度、加速度上的一致性，使矽片台120、線纜設備130、線纜連接台140三者在運動時保持相對靜止。
較佳地，請繼續參考圖1至圖4，線纜設備130與矽片台120之間安裝有差分感測器(圖中未示出)，當矽片台120在X、Y向運動時，通過該差分感測器，線纜設備130跟隨矽片台120運動，並始終保持兩者的相對位置不變，並且，在矽片台120初始化時，其位置上的差分感測器可以為矽片台120提供零位測量。
具體地，請繼續參考圖1至圖4，矽片台120的初始化過程為：通電之後，滑台151通過Y向的光柵尺(圖中未示出)測量與工件台110之間的位置關係，由於，線纜連接台140與滑台151相連，所以，線纜設備130、線纜連接台140、及滑台151在初始化過程中可視為一體，故，三者的位置即為滑台151的位置；線纜設備130與矽片台120之間設有差分感測器，在初始化時刻，矽片台120通過差分感測器測量到與線纜設備130的相對位置，從而確定矽片台120與滑台151之間的位置關係，這樣，通過相對測量，即可確定矽片台120相對於工作台110的位置關係，以完成初始化。
請重點參考圖3和圖4，當矽片台120處於交接片位時，矽片台120會運動到離工件台110邊緣較遠的距離(如圖3所示)，此時，通過機械臂161的帶動，線纜連接台140可帶動線纜設備130跟隨矽片台120到達交接位，並保持線纜設備130兩端相對位置保持不變(雙交接 片工位元情況，則無需考慮此種工況)；當矽片台120處於交換位時，兩個矽片台120運動到工件台110最邊緣極限位(如圖4所示)，此時，機械臂161折彎後帶動線纜連接台140運動到工件台110之X向的邊緣位置，跟隨矽片台120運動，線纜設備130通過機械臂161的冗餘自由度，可實現在X向長短距離間的直線運動。
需要說明的是，由於機械臂161為懸臂結構，在線纜連接台140中可預裝磁鐵及氣浮墊，工件台110底部可安裝矽鋼板，提供線纜連接台140在垂向的預載力，從而提高機械臂161和線纜連接台140在垂向的剛度。
較佳地，請重點參考圖5和圖6，線纜設備130包括線纜131、及套設於線纜131外側的線纜套132，線纜套132中設有隔層133。具體地，線纜131採用柔性線纜；線纜套132採用碳纖維、陶瓷、或碳化矽中的一種材料製成。在矽片台120中，需要用到的線纜131包括：信號線、功率線、氣管、和水管，本實施例中採用材質更輕、線寬更小的柔性線纜代替傳統線纜。柔性線纜的線寬一般在0.2~1mm，遠小於普通線纜寬度，且封裝後品質更輕，可有效降低線纜131對矽片台120運動產生的干擾。線纜套132採用低密度、高剛度、高彈性模量的材料製作，如碳纖維、陶瓷、碳化矽等，對線纜131起支撐及導向的作用，同時，提高線纜131的高度及結構模態，並消除了線纜131在U型彎一端產生晃動、下垂等可能影響導軌運動的現象。線纜套132內設有隔層133，將不同類型線纜131單獨放置，防止各層管線之間的相互干擾。
請繼續參考圖5和圖6，線纜131佈局時將水管、氣管等 線寬較大的排管作為單獨一層(如圖6中的右半部分)，線寬小的排線通過上下重疊為二至三層，並與水管、氣管等線寬較大的排管並排放置(如圖6中的左半部分)。通過線纜套132內的隔層133，將各層排線隔開，減小排線間相互干擾。線纜設備130採用排線橫向並排佈局，減少線纜設備130的整體厚度，並且，採用垂向U型打彎方式(見圖5)，可將線纜體積進一步減小。
本實施例採用線纜設備130相對矽片台120靜止的運動方式，此方案可最大程度減小線纜設備130在運動時給矽片台120造成的擾動，提高矽片台120的運動定位精度。並且由於線纜設備130在運動過程中自身不產生伸縮、拉扯等動作，因此，可有效延長線纜設備130的使用壽命。
實施例2：
如圖7所示，本實施例與實施例1的區別在於：其運動機構為直線滑軌，此直線滑軌包括X向的軌道261、及沿軌道261滑動的固定塊262，軌道261的一端固定連接至滑塊252，線纜連接台240固定於固定塊262上；其控制電機為直線電機(圖中未示出)，此直線電機控制固定塊262沿軌道261做直線運動，較佳地，該直線電機上還設有直線編碼尺(圖中未示出)。也就是說，其Y向運動設備與實施例1相同，包括固定於工件台210底部邊緣的滑台251、及能夠沿滑台251滑動的滑塊252；而其X向運動設備中的運動機構則為直線滑軌，如直線電機、絲桿、旋轉電機等；其控制電機則為直線電機，導向裝置則為軌道261，這樣，驅動 設備(圖中未示出)驅動滑塊252沿滑台251運動，帶動線纜連接台240沿Y方向運動，該直線電機控制該直線滑軌中的固定塊262沿軌道261滑動，帶動線纜連接台240沿X方向運動，從而達到線纜設備230與矽片台220相對的靜止，以減小線纜設備230在運動時給矽片台220造成的擾動，提高矽片台220的運動定位精度，同時，有效延長線纜設備230的使用壽命。
實施例3：
本實施例與實施例1和2的區別在於：其X向運動設備和Y向運動設備均由磁鋼陣列或線圈陣列提供。
較佳地，請參考圖8和圖9，工件台310底部設有第一磁鋼陣列(或第一線圈陣列)350，線纜連接台340上設有與第一磁鋼陣列(或第一線圈陣列)350相對應的第二磁鋼陣列(或第二線圈陣列)。第一磁鋼陣列(或第一線圈陣列)350與該第二磁鋼陣列(或第二線圈陣列)組成平面電機，從而控制線纜連接台340在X、Y方向上的相對運動。
較佳地，請繼續參考圖8和圖9，矽片台320內部設有霍爾感測器陣列(圖中未示出)，線纜設備330與矽片台320之間設有跟隨感測器(圖中未示出)，用於測量線纜設備330與矽片台320之間的相對位置。
具體地，請繼續參考圖8和圖9，矽片台320的初始化過程為：矽片台320內部設有霍爾感測器陣列，線纜設備330與矽片台320 之間設有跟隨感測器，在工件台310位置確定的情況下，通過霍爾感測器陣列可測得矽片台320、線纜連接台340相對於工件台310的位置；線纜設備330與矽片台320連接的一端裝有跟隨感測器，例如是跟隨用的差分感測器，此時，此差分感測器用以測量矽片台320和線纜設備330之間的位置關係，並完成初始化。
本實施例中，當矽片台320在X、Y方向運動時，通過磁鋼陣列或線圈陣列組成的平面電機的控制，底部的線纜連接台340根據矽片台320的軌跡，同軌跡跟隨並帶動線纜設備330一起運動，實現線纜設備330在X、Y方向的主動跟隨。
綜上所述，本發明提供的工件台線纜裝置，包括：工件台、矽片台、線纜設備、線纜連接台，以及，X向運動設備和Y向運動設備，該矽片台與線纜連接台分別安裝於該工件台的上側和下側，該線纜設備的兩端分別連接至該矽片台和線纜連接台，該X向運動設備連接至該線纜連接台並沿X向運動，該Y向運動設備連接至該線纜連接台並沿Y向運動。本發明利用沿X向運動的X向運動設備、和沿Y向運動的Y向運動設備，帶動該線纜連接台跟隨該矽片台在XY向同步運動，使得，線纜設備跟隨該矽片台運動，以減少線纜設備對該矽片台運動產生的擾動，並減少線纜設備在矽片台運動中的彎折次數，增加線纜設備的使用壽命，同時，本發明結構簡單，便於實現。
顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型，而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也 意圖包括這些改動和變型在內。
110‧‧‧工件台
120‧‧‧矽片台
130‧‧‧線纜設備
140‧‧‧線纜連接台
151‧‧‧滑台
152‧‧‧滑塊
153‧‧‧導向裝置；導向桿
161‧‧‧機械臂
162‧‧‧旋轉電機
1611a‧‧‧(第一)連桿
1611b‧‧‧(第二)連桿
1612‧‧‧旋轉接點
X‧‧‧X向
Y‧‧‧Y向

Claims (17)

  1. 一種工件台線纜裝置，其特徵在於包括：工件台；矽片台，安裝於該工件台的上側；線纜連接台，安裝於該工件台的下側；線纜設備，其兩端分別連接至該矽片台和線纜連接台；X向運動設備，連接至該線纜連接台，並帶動線纜連接台跟隨著矽片台沿X向運動；以及Y向運動設備，連接至該線纜連接台，並帶動線纜連接台跟隨著矽片台沿Y向運動，其中，X向和Y向是水平面內相互正交的兩個方向，該X向運動設備和該Y向運動設備帶動該線纜連接台跟隨該矽片台同步運動，並始終保持兩者的相對位置不變。
  2. 如申請專利範圍第1項之工件台線纜裝置，其中，還包括一差分感測器安裝在該線纜設備與該矽片台之間。
  3. 如申請專利範圍第1項之工件台線纜裝置，其中，該Y向運動設備包括：滑台，沿Y向固定於該工件台底部的一側；滑塊，能夠沿該滑台滑動；以及導向裝置，該導向裝置沿X方向設置，其一端安裝於該滑塊上，另一端安裝於該線纜連接台上，使滑塊和線纜連接台的Y向相對位置保持不變； 該X向運動設備包括：運動機構，其一端安裝於該滑塊上，另一端安裝於該線纜連接台上；以及控制電機，用於控制該運動機構沿X向的運動。
  4. 如申請專利範圍第3項之工件台線纜裝置，其中，該導向裝置為導向桿，該導向桿的一端固定連接於該線纜連接台，該導向桿的另一端穿設於該滑塊內，並能夠在該滑塊內沿X方向滑動。
  5. 如申請專利範圍第4項之工件台線纜裝置，其中，該導向桿為直線導向裝置，該導向桿與該滑塊之間設有機械軸承、或氣浮軸承、或磁浮軸承。
  6. 如申請專利範圍第3項之工件台線纜裝置，其中，該運動機構為機械臂，該機械臂包括第一連桿和第二連桿，該第一連桿的第一端與該控制電機相連，該的第一連桿的第二端與該第二連桿的第一端通過一旋轉接點相連，該第二連桿的第二端與該線纜連接台鉸接。
  7. 如申請專利範圍第6項之工件台線纜裝置，其中，該控制電機為旋轉電機，該旋轉電機控制該第一連桿的第一端的旋轉。
  8. 如申請專利範圍第7項之工件台線纜裝置，其中，該旋轉電機上還設有旋轉編碼器。
  9. 如申請專利範圍第3項之工件台線纜裝置，其中，該運動機構為直線滑軌，該直線滑軌包括X向的軌道、及沿該軌道滑動的固定塊，該軌道的一端固定連接至該滑塊，該線纜連接台固定於該固 定塊上。
  10. 如申請專利範圍第9項之工件台線纜裝置，其中，該控制電機為直線電機，該直線電機控制該固定塊沿該軌道做直線運動。
  11. 如申請專利範圍第10項之工件台線纜裝置，其中，該直線電機上還設有直線編碼尺。
  12. 如申請專利範圍第1項之工件台線纜裝置，其中，該工件台底部設有第一磁鋼陣列，該線纜連接台上設有與該第一磁鋼陣列相對應的第二磁鋼陣列。
  13. 如申請專利範圍第1項之工件台線纜裝置，其中，該工件台底部設有第一線圈陣列，該線纜連接台上設有與該第一線圈陣列相對應的第二線圈陣列。
  14. 如申請專利範圍第12或13項之工件台線纜裝置，其中，該矽片台內部設有霍爾感測器陣列，該線纜設備與該矽片台之間設有跟隨感測器。
  15. 如申請專利範圍第1項之工件台線纜裝置，其中，該線纜設備包括線纜、及套設於該線纜外側的線纜套，該線纜套中設有隔層。
  16. 如申請專利範圍第15項之工件台線纜裝置，其中，該線纜採用柔性線纜。
  17. 如申請專利範圍第15項之工件台線纜裝置，其中，該線纜套採用碳纖維、陶瓷、或碳化矽中的一種材料製成。
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