本實(shí)用新型涉及微電子專用設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向精確定位的機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

光刻機(jī)(Mask Aligner)又名掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等。根據(jù)不同的客戶群，光刻機(jī)有高端和低端之分。

高端的投影式光刻機(jī)可分為步進(jìn)投影和掃描投影光刻機(jī)兩種，分辨率通常在十幾納米至幾微米之間，高端光刻機(jī)追求高對(duì)準(zhǔn)精度，通常在工件臺(tái)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用電機(jī)加減速器來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)向角度的驅(qū)動(dòng)和細(xì)分，或者采用直驅(qū)技術(shù)，傳感器選用圓光柵形成角度的閉環(huán)控制。當(dāng)然，高端光刻機(jī)的成本也很高，世界上已有7000萬美金的光刻機(jī)。高端光刻機(jī)堪稱現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花，其制造難度之大，全世界只有少數(shù)幾家公司能夠制造。國外品牌主要以荷蘭ASML(鏡頭來自德國)，日本Nikon(intel曾經(jīng)購買過Nikon的高端光刻機(jī))和日本Canon 三大品牌為主。

對(duì)于低端光刻機(jī)，工件臺(tái)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通常采用手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方式或電動(dòng)的開環(huán)控制方式。手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方式機(jī)構(gòu)簡單、成本低廉，但對(duì)準(zhǔn)精度因操作者不同存在差異，可想而知精度并不高，通常在數(shù)微米以上，并且自動(dòng)化程度低；電動(dòng)機(jī)構(gòu)的開環(huán)控制方式成本也較低，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)間隙以及無閉環(huán)控制，在旋轉(zhuǎn)方向需要運(yùn)動(dòng)數(shù)次才能達(dá)到較好的對(duì)準(zhǔn)精度，生產(chǎn)效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了兼顧成本、對(duì)準(zhǔn)精度、生產(chǎn)效率以及自動(dòng)化程度，本實(shí)用新型提供一種實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向精確定位的機(jī)構(gòu)。

本實(shí)用新型的具體方案如下：

一種實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向精確定位的機(jī)構(gòu)，包括基板和與基板連接并能在基板上旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有旋轉(zhuǎn)向頂塊，所述基板上還設(shè)置有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括在基板上做直線運(yùn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)向頂塊轉(zhuǎn)動(dòng)的頂桿；所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括用于復(fù)位旋轉(zhuǎn)向頂塊和防止旋轉(zhuǎn)向頂塊做慣性運(yùn)動(dòng)的彈性端，所述彈性端包括連接設(shè)置的跟蹤滑桿和彈性裝置；所述基板上還設(shè)置有用于采集頂桿直線運(yùn)動(dòng)距離的光柵傳感器組件。

進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、滾珠絲杠、位于基板上的滑動(dòng)導(dǎo)軌和螺母連接塊；滑動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)有滑塊，螺母連接塊的下端面與滑塊連接；所述頂桿另一端安裝在螺母連接塊上，螺母連接塊與滾珠絲杠的螺母同軸連接固定；所述電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與滾珠絲杠連接。

進(jìn)一步地，所述滾珠絲杠靠近聯(lián)軸節(jié)的一端由軸承支承單元固定，軸承支承單元安裝在基板上。

進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括限位機(jī)構(gòu)，限位機(jī)構(gòu)包括光電開關(guān)、光電開關(guān)座和擋片，光電開關(guān)位于光電開關(guān)座下方，所述光電開關(guān)座與基板固定連接，擋片與螺母連接塊，擋片與光電開關(guān)起限位作用。

進(jìn)一步地，所述跟蹤滑桿和彈性裝置設(shè)置于跟蹤滑桿座內(nèi)，且跟蹤滑桿可在跟蹤滑桿座中滑動(dòng)。

優(yōu)選地，所述彈性裝置為彈簧，且所述跟蹤滑桿座內(nèi)設(shè)有與彈簧連接的彈簧頂塊，彈簧頂塊可更換，彈簧頂塊的作用是對(duì)彈簧的彈性大小進(jìn)行自由設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述電機(jī)下方設(shè)有電機(jī)彎板，電機(jī)彎板安裝在基板上。

優(yōu)選地，所述電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。

進(jìn)一步地，所述光柵傳感器組件包括光柵尺、用于采集光柵尺信號(hào)的讀數(shù)頭、與光柵尺連接的光柵尺架、與讀數(shù)頭連接的讀數(shù)頭彎板，所述光柵尺架還與螺母連接塊連接，且保證在螺母連接塊整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)讀數(shù)頭能采集到光柵尺的信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸套、外層旋轉(zhuǎn)保持架、鋼球、下端面保持架、端面軸承板、壓緊螺母。所述轉(zhuǎn)軸套位于轉(zhuǎn)軸外，且安裝在外層旋轉(zhuǎn)保持架上，所述外層旋轉(zhuǎn)保持架內(nèi)填充潤滑脂，并安裝鋼球，鋼球在油膜面上做滾動(dòng)，摩擦小，安裝在外層旋轉(zhuǎn)保持架內(nèi)的鋼球上表面與轉(zhuǎn)軸套接觸，下表面與基板上端面接觸；所述下端面保持架內(nèi)填充潤滑脂，并安裝鋼球，鋼球上表面與基板下端面接觸，下表面與端面軸承板上端面接觸；所述壓緊螺母通過轉(zhuǎn)軸套上的外螺紋與端面軸承板的下端面壓緊，從而轉(zhuǎn)軸套可繞旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸在基板中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述旋轉(zhuǎn)向頂塊固連在轉(zhuǎn)軸套側(cè)面，是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的零件。

所述基板為整個(gè)機(jī)構(gòu)的基面，可安裝在光刻機(jī)工件臺(tái)的XY運(yùn)動(dòng)臺(tái)上；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在基板上，并且可以繞基板中心旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)向頂塊對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及跟蹤；光柵傳感器組件安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行檢測。

本實(shí)用新型的原理如下：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)向頂塊從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在基板上的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾動(dòng)導(dǎo)軌作為導(dǎo)向部件，螺母連接塊上的頂桿在滾動(dòng)導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)，由于螺母連接塊和頂桿連接，所以頂桿移動(dòng)的直線距離和螺母連接塊移動(dòng)的直線距離相同。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括彈性端，使得被驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)向頂塊可以更好的復(fù)位，以免由于慣性作用導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)向頂塊實(shí)際的旋轉(zhuǎn)距離更大。使用時(shí)，首先將該機(jī)構(gòu)安裝在自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)的XY 工件臺(tái)上，該機(jī)構(gòu)上方安裝光刻機(jī)的承片臺(tái)機(jī)構(gòu)以及掩模架機(jī)構(gòu)。采用實(shí)驗(yàn)的方法標(biāo)定轉(zhuǎn)軸套中心到頂桿與旋轉(zhuǎn)向頂塊初始接觸位置的距離L，根據(jù)光刻機(jī)中的視頻圖像系統(tǒng)采集到的掩模板標(biāo)記與基片標(biāo)記的相對(duì)坐標(biāo)位置計(jì)算出基片所需旋轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)公式S＝tanθ×L計(jì)算出頂桿所需移動(dòng)的直線距離(也就是螺母連接塊移動(dòng)的直線距離)S，于是電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)螺母連接塊和頂桿精確移動(dòng)距離S，保證工件臺(tái)實(shí)現(xiàn)角度的精確旋轉(zhuǎn)。整個(gè)機(jī)構(gòu)由光柵傳感器組件精確測量螺母連接塊(頂桿)的直線移動(dòng)距離S，最終換算成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ，形成半閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，安裝在光刻機(jī)工件臺(tái)的XY運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)較好的旋轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)精度。

采用上述方案后，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

1.光刻機(jī)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將精確的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工件臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過絲杠以及細(xì)分控制對(duì)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)分，實(shí)現(xiàn)了較高的精度。

2.采用進(jìn)行直線測定的光柵傳感器組件作為檢測裝置，通過直線光柵對(duì)直線運(yùn)動(dòng)形成反饋，對(duì)光柵的初始零位進(jìn)行標(biāo)定，將直線運(yùn)動(dòng)換算成旋轉(zhuǎn)角度，形成旋轉(zhuǎn)臺(tái)的半閉環(huán)控制，大大降低了光刻機(jī)的成本。

3.步進(jìn)電機(jī)、直線光柵相比電機(jī)加減速器、直驅(qū)電機(jī)以及圓光柵成本低廉，整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，適用于要求工件臺(tái)工作效率高且具備一定對(duì)準(zhǔn)精度的光刻機(jī)。

4.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)有彈性端，方便帶動(dòng)跟蹤滑桿進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。

5.彈性端中設(shè)有彈簧頂塊，方便調(diào)節(jié)彈性端的彈性大小，使得整個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)用性更強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例1的標(biāo)記更加詳細(xì)的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖中標(biāo)記：100-基板，200-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，300-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，400-光柵傳感器組件，201-轉(zhuǎn)軸套，202-外層旋轉(zhuǎn)保持架，203-鋼球，204-下端面保持架，205- 端面軸承板，206-壓緊螺母，207-旋轉(zhuǎn)向頂塊，301-電機(jī)，302-電機(jī)彎板，303- 聯(lián)軸節(jié)，304-軸承支承單元，305-滾珠絲杠，306-滾動(dòng)導(dǎo)軌，307-螺母連接塊， 308-頂桿，309-跟蹤滑桿座，310-彈簧頂塊，311-彈簧，312-跟蹤滑桿，313- 擋片，314-光電開關(guān)，315-光電開關(guān)座，401-讀數(shù)頭，402-光柵尺，403-光柵尺架，404-讀數(shù)頭彎板。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征和以外，均可以以任何方式組合。下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，本實(shí)用新型的實(shí)施例包括但不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例1進(jìn)行更加清楚、完整的說明。

如圖1所示，一種實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)工件臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向精確定位的機(jī)構(gòu)，包括基板100、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300、光柵傳感器組件400。

基板100為整個(gè)機(jī)構(gòu)的基面，安裝在光刻機(jī)工件臺(tái)的XY運(yùn)動(dòng)臺(tái)上；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200安裝在基板100上，并且可以繞基板旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200上固連的旋轉(zhuǎn)向頂塊207對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及跟蹤；光柵傳感器400安裝在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300上，對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300上的頂桿308的直線運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行檢測。

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200包括轉(zhuǎn)軸套201、外層旋轉(zhuǎn)保持架202、鋼球203、下端面保持架204、端面軸承板205、壓緊螺母206、旋轉(zhuǎn)向頂塊207。

轉(zhuǎn)軸套201安裝在外層旋轉(zhuǎn)保持架202上，外層旋轉(zhuǎn)保持架202內(nèi)填充潤滑脂，并安裝鋼球203，鋼球203在油膜面上做滾動(dòng)，摩擦小，安裝在外層旋轉(zhuǎn)保持架202內(nèi)的鋼球203上表面與轉(zhuǎn)軸套201接觸，下表面與基板100上端面接觸；下端面保持架204內(nèi)填充潤滑脂，并安裝鋼球203，鋼球203上表面與基板100 下端面接觸，下表面與端面軸承板205上端面接觸；壓緊螺母206通過轉(zhuǎn)軸套 201上的外螺紋與端面軸承板205的下端面壓緊，從而轉(zhuǎn)軸套201可繞基板100 中心軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)向頂塊207固連在轉(zhuǎn)軸套201側(cè)面，是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200 與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的零件。

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300包括電機(jī)301、電機(jī)彎板302、聯(lián)軸節(jié)303、軸承支撐單元304、滾珠絲杠305、滾動(dòng)導(dǎo)軌306、螺母連接塊307、頂桿308、跟蹤滑桿座309、彈簧頂塊310、彈簧311、跟蹤滑桿312、擋片313、光電開關(guān) 314、光電開關(guān)座315。電機(jī)301安裝在電機(jī)彎板302上，電機(jī)彎板302安裝在基板100上；聯(lián)軸節(jié)303一端連接電機(jī)301軸，另一端連接滾珠絲杠305；滾珠絲杠305靠近聯(lián)軸節(jié)303的一端由軸承支承單元304固定，軸承支承單元304 安裝在基板100上；螺母連接塊307與滾珠絲杠305的螺母同軸連接固定，螺母連接塊307的下端面與滾動(dòng)導(dǎo)軌306的滑塊連接；滾動(dòng)導(dǎo)軌306安裝在基板100 上；頂桿308一端安裝在螺母連接塊307上，另一端與旋轉(zhuǎn)向頂塊207接觸；旋轉(zhuǎn)向頂塊207的另一側(cè)與跟蹤滑桿312接觸，跟蹤滑桿312安裝在跟蹤滑桿座 309內(nèi)部并且可以滑動(dòng)，兩者之間用彈簧311連接；彈簧頂塊310安裝在跟蹤滑桿座309內(nèi)部，用螺釘頂彈簧頂塊310可以調(diào)節(jié)彈簧311力的大??；光電開關(guān) 314安裝在光電開關(guān)座315上，光電開關(guān)座315與基板100固連，擋片313與螺母連接塊307連接，擋片313與光電開關(guān)314起限位作用。

如圖3所示，光柵傳感器組件400包括讀數(shù)頭401、光柵尺402、光柵尺架 403、讀數(shù)頭彎板404。

讀數(shù)頭401與讀數(shù)頭彎板404連接；讀數(shù)頭彎板404安裝在基板100上；光柵尺402與光柵尺架403連接，光柵尺架404與螺母連接塊307連接；調(diào)節(jié)讀數(shù)頭401在讀數(shù)頭彎板404上的位置以及讀數(shù)頭彎板404在基板100上的位置，保證在螺母連接塊307整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)讀數(shù)頭404能采集到光柵尺402的信號(hào)。

如圖1、圖2和圖3所示，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300通過旋轉(zhuǎn)向頂塊207與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200接觸，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)300由電機(jī)301驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠305，滾動(dòng)導(dǎo)軌306作為導(dǎo)向部件，螺母連接塊307上的頂桿308在滾動(dòng)導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)向頂塊207運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)200繞基板100中心軸旋轉(zhuǎn)，并且在旋轉(zhuǎn)向頂塊207的另一側(cè)采用跟蹤滑桿312作為跟蹤機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由光柵傳感器400精確定位頂桿308的直線運(yùn)動(dòng)，從而形成半閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，安裝在光刻機(jī)工件臺(tái)的XY運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)較好的旋轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)精度。