DE69937547T2

DE69937547T2 - Geraet zur genauen hochgeschwindigkeits-positionierung

Info

Publication number: DE69937547T2
Application number: DE69937547T
Authority: DE
Inventors: Steven P. Newton CAHILL; Bradley L. Lexington HUNTER
Original assignee: GSI Group Corp
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: EP1055163A4; JP5562789B2; JP2002525858A; TW449680B; US6949844B2; EP1055163B1; JP2011091392A; US6144118A; JP4970651B2; EP1055163A1; US20040140780A1; WO2000017724A1; KR20010032211A; US6744228B1; DE19982072T1; WO2000017724A9; ATE378625T1; KR100583040B1; DE69937547D1; JP2014140049A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Positionierapparate, die sehr schnell und hochgenau arbeiten und nützlich sind für das Bearbeiten von Vorrichtungen wie Halbleiterwafern, für das Experimentieren auf kleinster Skala oder für die hochauflösende Elektronenmikroskopie von biologischen oder anderen Proben.
Halbleiterbearbeitungsgeräte benötigen oft eine hochpräzise Positionierung eines Siliziumwafers. Große Wafer mit sehr feinen Strukturen benötigen oft eine hochpräzise Positionierung verbunden mit einer großen Bewegungsreichweite der Bühne, die den Wafer haltert.
Zusätzlich zur hohen Präzision und zu einer großen Bewegungsreichweite ist ein Hochgeschwindigkeitsabtasten nützlich für das Erreichen eines hohen Produktionsdurchsatzes.
Ein typisches Beispiel eines Halbleiterbearbeitungsgeräts ist ein in der Mikrolithographie verwendeter Laser. Manche herkömmlichen Systeme für Halbleiterlaserbearbeitung besitzen einen Verschiebetisch, der den Wafer haltern und unter einem ortsfesten Laserstrahl bewegen kann. Der Waferverschiebetisch kann z.B. entlang der X- oder der Y-Richtung bewegt werden.
In manchen Bearbeitungsgeräten verwendet man einen Linearmotor und ein Tragsystem für das Bewegen des Waferverschiebetischs entlang einer Schiene in der X-Richtung. Für die Bewegung des Waferverschiebetischs in der Y-Richtung verwendet man eine Zwischenschiene, welche die Schiene und den Waferverschiebetisch in der Y-Richtung trägt, wobei der Waferverschiebetisch gleiten kann entlang der Schiene in der X-Richtung.
Zusätzlich zu Antriebsmotoren, verschiedenen beweglichen Teilen, Halterungen und Wafern kann der Waferverschiebetisch einen Positionsdetektor tragen. Der Positionsdetektor kann ein Laserentfernungsinterferometer sein, das üblicherweise schwer ist, eine Abschirmung des optischen Wegs von der Umwelt und eine langsame Bewegung benötigt für das Erreichen einer hohen Messgenauigkeit.
Hollis ( US-Patent 5 153 494 ) beschreibt einen Apparat, der in der Lage ist leichte Lasten zu bewegen in X-, Y- und zirkularer (Rotation um die Z-Achse) Richtung in einem eingeschränkten Bereich und mit hoher Geschwindigkeit. Schwingungen der ortsfesten Teile des Apparats werden verringert durch eine Impuls ausgleichende Entwicklung. Die Impuls ausgleichende Entwicklung enthält zusätzlich zum beweglichen Waferverschiebetisch ein nicht-planparalleles bewegliches Bauteil, welches sich in Bezug auf den Waferverschiebetisch in einer Weise bewegt, die den Impuls ausgleicht. Die Motoren beinhalten feste Permanentmagnete und Spulen, die befestigt sind am Waferverschiebetisch und sich bewegen mit dem Waferverschiebetisch.
Trumper ( US-Patent 5 196 745 ) beschreibt einen Apparat, der Bewegung ermöglicht im 200 bis 300 mm Bereich in einem oder in zwei Bewegungsfreiheitsgraden und mit einer Genauigkeitskontrolle im 10 nm Bereich in den übrigen Bewegungsfreiheitsgraden. Für die eindimensionale Bewegung des Waferverschiebetischs sorgt ein Motor, der eine Anordnung von Permanentmagneten besitzt, die befestigt sind am beweglichen Waferverschiebetisch und eine Anordnung von gleichgerichteten Spulen, die am Stator befestigt sind. Die gleichgerichteten Spulen besitzen gekoppelte magnetische Flusslinien. Strom kann nur in den Bereichen der Anordnung fließen, die bewegt werden, so dass Energieverluste in den Spulen verringert werden. Die Bewegung wird durch magnetische Halterungen erleichtert.
EP 0 905 869 ist Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPC. Es beschreibt eine Vorrichtung zur eindimensionalen Bewegung und in einer Ausführungsform eine Vorrichtung zur Bewegung in X-Y-Richtung mit einem Wafertisch, der synchron bewegt wird mit einem Fadenkreuztisch durch Antriebsvorrichtungen.
Das US-Patent 5 751 585 beschreibt ein mehrstufiges Positioniergerät, welches umfasst eine schnelle Bühne, eine langsame Bühne entlang der X-Achse, eine langsame Bühne entlang der Y-Achse und weitere herkömmliche mit den Bühnen verbundene Träger und Galvano-Antriebswellen nach dem Stand der Technik, welche die Spiegel haltern. Das Bauelementbearbeitungsgerät umfasst weiterhin einen Laser.
Das US-Patent 5 109 148 offenbart ein Positioniergerät für einen Bearbeitungsapparat, der umfasst einen ersten Tisch, der gesteuert wird durch eine Antriebsvorrichtung in einer X-Richtung, einen zweiten Tisch, der in einer Y-Richtung verschoben wird, und einen dritten Tisch, der den Bearbeitungskopf trägt.
EP 0 502 578 und das US-Patent 5 744 924 offenbaren lithographische Geräte, die umfassen eine Positioniervorrichtung für das Bewegen eines Objekttisches in zwei Dimensionen.
Das US-Patent 4 507 597 beschreibt ein elektromagnetisches Ausrichtungsbauteil für die Positionierung eines Wafers in der X-Y-Ebene. Der weitere Stand der Technik in Bezug auf lithographische Geräte und Positioniergeräte findet sich in US 5 623 853 , US 5 760 564 , US 4 952 858 , US 4 808 892 und EP 0 421 527 , in den Referenzen von EP 1 055 163 , EP 0 799 439 , EP 0 559 397 , US 5 751 585 , EP 0 738 556 und in den Referenzen zu WO 00 17724 .
Ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Positioniergeräts und ein Verfahren das Positioniergerät zu betätigen, wobei das Verfahren ein Positionieren mit hoher Präzision erlaubt verbunden mit einer größeren Bewegungsreichweite.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel wird erreicht mit einem Positionierapparat zum Positionieren eines Bauelements, welches umfasst ein Bauelementbearbeitungsgerät 118, 120 zum Bearbeiten des Bauelements, eine erste Bühne 108, 110 für eine Verschiebung in einer ersten Bewegungsebene, eine zweite Bühne 102 für ein Haltern des Bauelements 106 und für ein Umpositionieren des Bauelements von einer Ausgangs- in eine Endposition parallel zur ersten Bewegungsebene der ersten Bühne 108, 110, eine Arbeitsplatte 104 für ein Haltern der zweiten Bühne 102, mindestens einen Antriebsmotor 112a–d, der ohne mechanischen Kontakt mit der Bühne direkt eine Kraft auf die zweite Bühne 102 ausübt für ein Umpositionieren der Bühne in mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad, eine Anzahl Fluidlager 144a–d, die zwischen der zweiten Bühne 102 und der Arbeitsplatte 104 ihre Arbeit verrichten, und eine Steuerung 210 für ein Steuern des Betriebs des mindestens einen Antriebsmotors 112a–d, wird die zweite Bühne 102 umpositioniert. Der Positionierapparat umfasst weiterhin die neuen Merkmale, dass die erste Bühne 108, 110 ausgelegt ist zum Haltern und Versetzen des Bauelementbearbeitungsgeräts 118, 120 in einer Bewegungsebene, sodass das Bauelementbearbeitungsgerät 118, 120 mit der ersten Bühne 108, 110 bewegt wird, wobei das Bauelementbearbeitungsgerät 118, 120 einen Laser umfasst, wobei die Fluidlager 144a–d die Bewegung der zweiten Bühne 102 in allen noch verbliebenen Freiheitsgraden begrenzen.
Das Verfahren zum Betrieb des Bauelementbearbeitungsgeräts umfasst die Schritte: in Bewegung setzen einer ersten Bühne 108, 110 in einer ersten Bewegungsebene; Umpositionieren eines Bauelements 106, das von einem Bauelementbearbeitungsgerät zu bearbeiten ist, durch Umpositionieren einer zweiten Bühne 102 in mindestens einem Freiheitsgrad, indem der Betrieb mindestens eines Antriebsmotors 112a–d gesteuert wird zur Bereitstellung einer Kraft direkt auf die zweite Bühne 102, wobei kein mechanischer Kontakt mit der Bühne bei der Umpositionierung der Bühne erfolgt, die zweite Bühne 102 von einer Ausgangs- in eine Endposition in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Bewegungsebene der ersten Bühne umpositioniert wird, und die zweite Bühne 102, das von dem Bauelementbearbeitungsgerät zu bearbeitende Bauelement haltert; und Bearbeiten des Bauelements mit Hilfe der Bauelementbearbeitungsgerätschaft. Das Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass die erste Bühne 108, 110 die Bauelementbearbeitungsgerätschaft 118, 120 in einer ersten Bewegungsebene haltert und in Bewegung setzt, wobei die Bauelementbearbeitungsgerätschaft 118, 120 zu einer Bewegung mit der ersten Bühne 108, 110 gebracht wird, die zweite Bühne von einer Anzahl Fluidlager (144a–d) gehaltert wird, welche zwischen der zweiten Bühne 102 und einer Arbeitsplatte 104 angeordnet sind, wobei die Lager die plane Bühnenbewegung in allen verbleibenden Freiheitsgraden begrenzen, und die Bauelementbearbeitungsgerätschaft 118, 120 einen Laser umfasst.
In einer Ausführungsform bietet die Erfindung einen Bauelementpositionierapparat mit einer Bühne zum Haltern des Bauelements, einer Arbeitsplatte zum Haltern der Bühne und einer Anzahl Antriebsmotoren planparallel mit der Bühne und um die Bühne angeordnet, die Antriebskräfte direkt auf die Bühne ausüben, ohne dass mechanischer Kontakt zur Bühne besteht. Die Antriebskräfte vermitteln eine plane Bewegung der Bühne in mindestens drei Bewegungsfreiheitsgraden. Eine Anzahl Fluidlager verrichten zwischen der Bühne und der Arbeitsplatte Ihre Arbeit und begrenzen die plane Bewegung der Bühne in allen noch verbliebenen Freiheitsgraden. Eine Steuerung, die mit den Antriebsmotoren verbunden ist, steuert den Betrieb der Antriebsmotoren. Jeder Antriebsmotor besitzt eine obere stationäre Spule, eine untere stationäre Spule und einen beweglichen Magneten, der ausgelegt ist in einem Spalt vorgegebener Größe zwischen der oberen und der unteren Spule bewegt zu werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es in manchen Ausführungsformen nur ein bewegliches Teil aus einem Guss zu haben. In dieser Anordnung kann man die Bühne sehr fest herstellen, damit wiederum begünstigt man den Gebrauch sehr hoher Servoverstärkungen in der Steuerung. Die Vorteile diese Anordnungen können umfassen eine gute Präzision, schnelle Absetzzeit und kleine Servo-Nachführfehler.
Weil die Motoren in einer beweglichen Magnetanordnung bereitgestellt sind, können die Antriebsspulen stationär bleiben, und beseitigen damit jeden Bedarf die Leitungen an die bewegliche Bühne anzuschließen. Diese Anordnung verbessert die Zuverlässigkeit der Spulen, da ihre Leitungen nicht gebogen werden.
In manchen Ausführungsformen kann die zweite Bühne eine Bühne mit geringer Beweglichkeit sein und der Apparat kann umfassen eine erste Bühne mit großer Beweglichkeit, die bewegt wird in einer Ebene parallel zur Bewegungsebene der zweiten Bühne mit geringer Beweglichkeit. Diese Anordnung erlaubt es einem schweren Bearbeitungsgerät, z.B. einem Laser, getragen zu werden von einem Element mit geringer Leistung und großer Bewegung, welches die gesamte Größe des Wafers durchfahren kann. Der leichte Wafer kann gehaltert werden von einer hochgenauen, sehr schnellen Bühne mit geringer Beweglichkeit, welche die kleinen Bereiche der einzelnen Strukturen des Wafers durchfährt.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Kräfteaufhebungssystem, das Aufhebungskräfte ausübt auf den Bauelementpositionierapparat. Die Aufhebungskräfte sind planparallel zum Schwerpunkt der Bühne und jeglichen Komponenten, die mit der Bühne bewegt werden, und heben die Kräfte auf, die durch die plane Bewegung erzeugt werden. Weil die Antriebs- und die Aufhebungskräfte in einer Ebene liegen, entstehen keine aus der Ebene gerichtete Nettodrehmomente, die Auslenkungen der Bühne bewirken können und zu einer geringeren Präzision führen. Diese plane Anordnung führt zu einer hohen Regelschleifenfestigkeit, einer kurzen Absetzzeit und einer hohen Genauigkeit.
In einer anderen Ausführungsform bietet die Erfindung einen Positionsdetektor, der mindestens einen Interferometer-Messgeber umfasst. Die Messgeber sind unempfindlich gegenüber äußeren Störungen wie eine Veränderung der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit oder des Luftdrucks und reduzieren damit die Notwendigkeit die Umgebung des Positionierapparats zu überprüfen und senken so die Kosten. Interferometer-Messgeber können relativ kostengünstig sein, wenig wiegen und angeordnet sein auf einer beweglichen Gitteranordnung, welche die Lesekopfelektronik und die angeschlossenen Leiter stationär lässt. Die Zuverlässigkeit kann erhöht werden durch die Vermeidung von Biegungen der Kabel bei der Bewegung der Bühne.
In einer anderen Ausführungsform bietet die Erfindung eine Steuerung, die den Betrieb der Antriebsmotoren steuert und einen Bewegungsablaufsplaner umfasst, der eine Beschreibung des gewünschten Bewegungsablaufs erhält, Bühnenantriebs- sowie Kräfteaufhebungsbefehle für die Antriebsmotoren beziehungsweise das Kräfteaufhebungssystem erstellt und den Phasenverzug zwischen den Bühnenantriebs- und den Kräfteaufhebungsbefehlen ausgleicht. Die Steuerung umfasst auch eine Digitalsteuerung, welche Befehle vom Bewegungsablaufsplaner und Feedbacksignale erhält, welche die Feedbacksignale mit den Befehlen vergleicht und die Korrektursignale erzeugt für die Antriebsmotoren.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindungen ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Seitenansicht eines Waferpositionierapparats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Waferpositionierapparats und der Antriebs- und der Kräfteaufhebungsmotoren des Apparats von 1.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Bühne des Waferpositionierapparats.
4 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Teils der Bühne.
5 und 6 sind schematische Ansichten der Bühne bei der Bewegung in X-Richtung.
7 zeigt eine Seitenansicht eines Teils der Bühne und eines Teils eines Antriebsmotors.
8 zeigt eine Untenansicht der Bühne.
9 ist eine Zeichnung eines Interferometer-Messgebers, der zusammen mit dem Waferpositionierapparat von 1 verwendet wird.
10 ist eine Zeichnung von Teilen eines Interferometer-Messgebers, wobei ein Strahlengangsignal abgebildet ist.
11 zeigt eine schematische Darstellung von drei Detektoranordnungen des Interferometer-Messgebers sowie Detektoranordnungssignale und ein Interferenzmuster, das mit den Detektoranordnungen verbunden ist.
12 zeigt eine Übersicht des Bühnensteuerungssystems, das verwendet werden kann zur Steuerung der Bühne des Apparats von 1.
13 zeigt eine Übersicht einer Digitalsteuerung des Bühnensteuerungssystems von 12.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Siehe 1. Ein erfindungsgemäßer Halbleiterwaferpositionierapparat 100 umfasst eine X-Y-Bühne mit geringer Beweglichkeit 102, die verwendet werden kann für das Haltern eines Halbleiterwafers 106. Die Bühne 102 kann den Wafer 106 über einen kleinen Bereich in X- und in Y-Richtung bewegen. In einer Ausführungsform ist der Bereich 35 × 35 Quadratmillimeter groß und die Genauigkeit der Bewegung beträgt 10 Nanometer.
Die Bühne 102 wird von einer Arbeitsplatte 104 gehaltert. Luftlager 144a bis 144d verrichten ihre Arbeit zwischen der Bühne und der Arbeitsplatte. Die Anordnung bestehend aus Bühne und Arbeitsplatte steht auf einem optischen Tisch 124, der auf schwingungsisolierten Beinen 122 angebracht ist.
Zwei Bühnen mit großer Beweglichkeit 108 und 110 bewegen einen Gerätekasten 116 entlang der X-Achse beziehungsweise der Y-Achse. In einer Ausführungsform beträgt der große Bewegungsbereich 300 × 300 Quadratmillimeter.
Der Gerätekasten 116 kann enthalten einen Mikrolithographie-Laser 118, ein Kontrolllinsensystem 120 oder andere Betriebsmittel. Die Kombination der gestapelten Bühnen 102, 108 und 110 führt zu einer Entkopplung der großen Bewegung des Bearbeitungsgeräts für große Lasten 118, 120 von der sehr schnellen und hochgenauen kleinen Bewegung der leichten Bühne 102, die den Wafer haltert.
Die Bühne 102 ist beweglich in X- und in Y-Richtung, angetrieben durch zwei Paare von Antriebsmotoren 112a, 112c und 112b, 112d (siehe 2). Die Antriebsmotoren liegen in derselben Ebene wie die Bühne und sind symmetrisch um die Bühne auf gegenüber liegenden Seiten der Bühne angeordnet. Sie übertragen die Antriebskräfte direkt auf die Bühne ohne mechanischen Kontakt. Zusätzlich zur Bewegung in X- und in Y-Richtung können die Motoren die Bühne um die Z-Richtung rotieren lassen (Gieren).
Siehe 3. Die Bühne 102 besitzt vier Flügel 130a bis 130d. Am freien Ende jedes Flügels, z.B. 130a, befinden sich zwei entgegengesetzt magnetisierte Permanentmagnete, z.B. 132a und 134a. Die Permanentmagnete liegen in einem Spalt 160, der ausgebildet ist zwischen zwei stationären Spulen 140 und 142 (siehe 4). Die stationären Spulen sind ausgebildet auf der Oberfläche eines magnetisch permeablen Materials 138, welches als Rückführungsplatte für die magnetischen Flusslinien 150 dient, die von den Permanentmagneten ausgehen (siehe 7). Die Permanentmagnete bilden den Rotor des Motors und die stationären Spulen mit der Rückführungsplatte bilden den Stator des Motors. Da Strom an die stationären Spulen angelegt wird, wird eine Kraft auf die Permanentmagnete induziert, die zu einer Bewegung der Permanentmagnete mit der Bühne führt. In einer Ausführungsform sind die Permanentmagnete Eisen-Neodym-Bor-Magnete und das magnetisch permeable Material ist Weicheisen.
Siehe 5 und 6. Die Ausdehnung der Spulen der vier Motoren ist groß genug gewählt, sodass bei jeglicher Bewegung in einer Richtung (z.B. X) die Flusslinien der Permanentmagnete in der anderen Richtung (z.B. Y) vollständig mit den Spulen gekoppelt bleiben.
In der Anordnung der beweglichen Magnete bleibt der Punkt, an den die Antriebskräfte jedes Flügels der Bühne angreifen, stationär relativ zum Mittelpunkt der beweglichen Bühne. Diese Anordnung führt zu einer einfachen Servosteuerung.
Siehe 2. Zum Antrieb der Bühne 102 werden vier Antriebsmotoren verwendet. In anderen Ausführungsformen können drei oder mehr als vier Motoren verwendet werden (drei Motoren werden mindestens benötigt zur Steuerung von drei Freiheitsgraden). Die Vier-Motoren-Anordnung kann auch die Mindestspulengröße verwenden, die für die Abdeckung des rechteckigen Gebiets nötig ist. Kurze Spulen führen zu geringen Energieverlusten.
Siehe 4 und 7. Die Antriebsspule ist in zwei Spulen aufgeteilt: die obere Spule 140 und die untere Spule 142. Die beiden Spulen 140, 142 können in Reihe oder parallel geschaltet sein oder können unabhängig voneinander betrieben werden für eine Kontrolle der Kräfte, die von den beiden Hälften den Antriebsspulen erzeugt werden. Diese Anordnung kann ausgenutzt werden für die Erzeugung von kleinen Rollbewegungen (Rotation um die X-Achse) und Nickbewegungen (Rotation um die Y-Achse) zusätzlich zu den Bewegungen in X- und Y-Richtung und dem Gieren. Eine aktive Steuerung der Roll- und Nickbewegungen kann verwendet werden für ein Ausgleichen von Fehlstellen in der Fertigungstoleranz, die führen können zu einer Fehlausrichtung der Bühne und die aktive Steuerung kann gewährleisten, dass kein Nettodrehmoment angreift an den Fluidlagern 144a–144d (siehe 8) als Ergebnis der Motorkräfte. Wenn die Spulen 140, 142 unabhängig voneinander betrieben werden, kann das Verhältnis des Stroms in der oberen Spule 140 zum Strom in der unteren Spule 142 gesteuert werden, sodass sichergestellt ist, dass die resultierende Nettokraft in der Schwerpunktebene der bewegten Komponenten angreift.
Wärme wird erzeugt an den Spulen 140, 142. Weil die Spulen verbunden sind mit dem magnetisch permeablen Material 138, können sie gekühlt werden ohne die Bewegung der Bühne zu stören und ohne jegliche in die Bühne eingebaute Präzisionsmesstechnik zu stören.
Die Statoren, einschließlich der oberen und unteren Spulen 140, 142 und des magnetisch permeablen Materials 138, sind kinematisch an der Arbeitsplatte angebracht. Dieser Aufbau ermöglicht es den Statoren ihre Größe zu ändern aufgrund thermischer Ausdehnung ohne die Arbeitsplatte zu belasten und senkt die Wärmeleitung von den Statoren auf die Arbeitsplatte, wobei dadurch die Wärmesteuerung der Statoren einfach und kostengünstig sein kann. In einem anderen Aufbau ist die Arbeitsplatte kinematisch befestigt an einem Untergestell, welches sich thermisch ausdehnen kann ohne die Präzisionsmesstechnik zu beeinträchtigen.
Siehe 8. Luftlager 144a bis 144d verrichten ihre Arbeit zwischen der unteren Fläche 170 der Bühne 102 und der oberen Fläche der Arbeitsplatte 102. Die Festigkeit der Luftlager wird verbessert durch ein Vorladen der Lager mit einem Vakuum 146, das in die Lücke 180 gesogen wird zwischen der Bühne 102 und der Arbeitsplatte 104 (siehe 1). Da die Luftlagerfestigkeit gesteuert wird, ist die Bühne mit geringer Beweglichkeit eingeschränkt in der Z-Richtung und in der Rotation um die X-Achse (Rollbewegung) und um die Y-Achse (Nickbewegung).
Luftlager bieten eine reibungslose Halterung zwischen der stationären Arbeitsplatte und der Bühne, die frei ist von hochräumlichen kinematischen Frequenzmessabweichungen. Ein einmaliger Messprozess kann leicht die kleinen Auslenkungen eingebauter Formfehler abbilden, die in der Arbeitsplatte existieren.
Die bewegliche Magnetanordnung ermöglicht eine große Vorbelastung der Fluidlager durch Versetzen der Magnete im senkrechten Spalt zwischen den Antriebsspulen und den Flussrückleitungen. Die zusätzliche Vorbelastung durch die Magnete trägt bei zu einer verbesserten Festigkeit der Lager, welche die Vorteile einer guten Präzision, einer schnellen Absetzzeit und kleiner Servo-Nachführfehler bringt.
Die Bewegungsebene der Antriebsmotoren entspricht der Ebene des Schwerpunkts der beweglichen Komponenten. Die Kräfte, die den Schwerpunkt der beweglichen Komponenten antreiben, führen nicht zu unerwünschten Ablenkungen der Fluidlager. Die Entkopplung der Antriebskräfte und der Ablenkung der Fluidlager verbessert die Regelschleifenfestigkeit und verringert die Zeit, die benötigt wird für das Erreichen einer hohen Präzision nach einer Beschleunigung.
Die Luftlager sind nicht übereingeschränkt. Übereingeschränkte Luftlager sind schwer herzustellen wegen der geringen zulässigen Maßabweichung, die über relativ großen Bereichen eingehalten werden muss. Da die Lager in ihrer Herstellung keine geringen zulässigen Maßabweichungen benötigen, können ihre Kosten gering sein.
Ein Verfahren für das Positionsfeedback basiert auf dem Gebrauch von Interferometer-Messgebern 136a bis 136d, die angebracht sind an der Unterseite 170 der Bühne (siehe 8). Siehe 9. Ein Interferometer-Messgeber umfasst ein zweidimensionales Messgebergitter 182, einen Sensorkopf 184 und einen Anschlussstecker 186, der den Sensor mit einer Schnittstellenkarte 188 verbindet, die man an einen Computer (nicht dargestellt) anschließen kann. Das zweidimensionale Gitter 182 besitzt eine 10 Mikrometer Skala, die geätzt ist auf ein Borsilikatglas. Das Gitter ist an der beweglichen Bühne befestigt. Der Sensorkopf 184 ist befestigt an der Arbeitsplatte und umfasst (siehe 10) eine Laserdiodenquelle 192, Linsen 194, Prismaspiegel 196 und Detektoren 198a, 198b. Der Strahlengang zwischen dem Gitter und dem Sensorkopf ist eingeschlossen. Der Laser 192 richtet einen Lichtstrahl 200, der von den Linsen 194 fokussiert wird, auf das Gitter 182. Der Strahl 200 wird am Gitter gebeugt und Interferenzmuster 202a und 202b werden gebildet von den beiden Dimensionen des Gitters. Beide Interferenzmuster 202a und 202b werden abgebildet auf Detektoranordnungen 198a und 198b. Die Detektor anordnungen erzeugen Signale, die verarbeitet werden können für genaue Phasenmessungen. Wenn das Beugungsgitter relativ zum Sensorkopf bewegt wird, bewegt sich das Interferenzmuster über die Detektoranordnung und erzeugt (siehe 11) Signale R, S und T, die um 120 Grad phasenverschoben sind. Diese Signale werden von einem Computer elektronisch verarbeitet für eine genaue Phasenmessung. Dieses Verfahren ergibt eine Phasenauflösung von 1 zu 2¹⁴, was einer Längenauflösung von 0.3 nm entspricht.
Die Interferometer-Messgeber können beispielsweise hergestellt sein von Micro E (Massachusetts) oder Optra, Inc. (Topsfield, Massachusetts).
Die Messgeber sind unempfindlich gegenüber äußeren Störungen wie eine Veränderung der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit oder des Luftdrucks und beseitigen damit jegliche Notwendigkeit die Umgebung des Waferpositionierapparats zu überprüfen und senken so die Kosten. Der eingeschlossene Strahlengang der Messgeber unter der Bühne ist frei von Turbulenzen und ermöglicht es der Positionierelektronik auf einer hohen Bandbreite zu arbeiten, was eine höhere Regelschleifenfestigkeit ermöglicht.
Interferometer-Messgeber sind relativ kostengünstig, haben ein geringes Gewicht und sind angeordnet auf einer beweglichen Gitteranordnung, welche die Sensorkopfelektronik und die angeschlossenen Leiter stationär lässt. Weil die Kabel nicht gebogen werden bei der Bewegung der Bühne, ist die Zuverlässigkeit hoch.
Die Genauigkeit der Messgeber ist durch das Messgebergitter festgelegt. Es kann Fehler im Gitter geben, aber diese Fehler können einmal gemessen werden und die Fehlerbehebung kann Teil der Messtechniksteuerung sein. Eine Nachschlagetabelle, die einmal aufgestellt wird wenn der Waferpositionierapparat zusammengesetzt wird, kann leicht die Gitterfehler berichtigen.
Das Positionsfeedback kann durch herkömmliche Laserinterferometer umgesetzt werden.
Für die Aufhebung der Kräfte, die durch die Bewegung der Bühne auftreten, ist bereitgestellt ein Kräfteaufhebungssystem als eingebaute Komponente des Waferpositionierapparats. Siehe 2. Das Kräfteaufhebungssystem umfasst vier Kräfteaufhebungsmotoren 114a bis 114d, die planparallel mit der Bühne 102 und um die Bühne angeordnet sind. Die Aufhebungsmotoren übertragen auf die stationären Teile des Waferpositionierapparats Aufhebungskräfte, die wirken gegen die Richtung der Kräfte, die erzeugt werden von der planen Bewegung der Bühne.
Eine eingebaute Kräfteaufhebung ermöglicht wesentlich höhere Beschleunigungen und eine geringere Liegezeit nach den Beschleunigungsintervallen und bevor die volle Genauigkeit erreicht ist. Die Befähigung zur Kräfteaufhebung hilft auch zu vermeiden, dass die Bühne Präzisionskomponenten schüttelt, die mit der Bühne bewegt werden.
Die Wirkungsebene der Kräfteaufhebung entspricht der Schwerpunktebene der beweglichen Teile des Apparats (Bühne 102 in Verbindung mit jeglicher Komponente, die von der Bühne gehaltert und bewegt werden soll). Weil die Antriebs- und die Aufhebungskräfte in einer Ebene liegen, werden keine Nettomomente erzeugt aus der Ebene heraus, die führen zu einer Ablenkung der Bühne und einer geringeren Genauigkeit. Diese plane Anordnung führt zu einer hohen Regelschleifenfestigkeit, einer kurzen Absetzzeit und einer hohen Genauigkeit.
Siehe 12. Die Hauptbestandteile des Steuerungssystems 50 sind der Bewegungsablaufsplaner 200 und die Digitalsteuerung 210.
Der Bewegungsablaufsplaner 200 erhält eine Beschreibung des gewünschten Bewegungsablaufs 202 und erzeugt Vorgaben für die Bühnenpositionsservoeinrichtung und die entsprechenden Kräftevorkopplungsbefehle für die Bühnenantriebsmotoren 230 und die Kräfteaufhebungsmotoren 240. Der Bewegungsablaufsplaner ist ausgerichtet den Phasenverzug auszugleichen zwischen den Bühnenantriebsvorkopplungsbefehlen und den Kräfteaufhebungsvorkopplungsbefehlen.
Die Digitalsteuerung 210 erhält vom Bewegungsablaufsplaner 200 die Bühnenposition und die Vorkopplungsbefehle 204 für die Antriebs- und die Kräfteaufhebungsmotoren. Die Digitalsteuerung 210 erhält auch Feedbacksignale 244, 234 und 211 von den Kräfteaufhebungssensoren 242, den Bühnenpositionssensoren 232 und den Analogsteuerungen der Antriebsmotoren 212. Die Digitalsteuerung verarbeitet die Sensorsignale 242, 234 und 211 für die Bestimmung der Stellung des Waferpositionierapparats, vergleicht die Stellung mit der gewünschten Stellung und erzeugt geeignete Korrektursignale 213 und 215, die übertragen werden an Analogsteuerungen 212 und 214. Die Digitalsteuerung liefert auch Stellungsinformationen 246 an einen Parameterschätzer 220.
Analogsteuerungen 212 und 214 steuern den Strom der Spulen der Bühnenantriebsmotoren 216 und der Spulen der Kräfteaufhebungsmotoren 218. Die Analogsteuerung der Antriebsmotoren 212 versorgt die Digitalsteuerung mit einem Feedbacksignal des Antriebsmotors 211. Das Feedbacksignal des Antriebsmotors 211 ist eine Schätzung der Bühnengeschwindigkeit berechnet unter Verwendung eines Modells der Antriebsmotoren und einer Messung der Spannung und des Stroms der Antriebsspule.
Die Analogsteuerungen 212 und 214 liefern relativ große Ströme 224 und 222, die benötigt werden für den Antrieb der Linearantriebsmotoren und der Kräfteaufhebungsmotoren. Jede Analogsteuerung verfügt über lineare Doppelendstufen. Die Doppelend stufen können parallel geschaltet sein für eine Bereitstellung des doppelten Antriebsstroms für eine Spule niedriger Impedanz. Die beiden Ausgänge können auch betrieben werden in einer Master-Slave-Anordnung für den Antrieb der oberen beziehungsweise unteren Spulen jedes Bühnenantriebsmotors. In einem Beispiel liefert der Slave-Ausgang einen Bruchteil zwischen 0,95 und 1,05 des Stroms des Master-Ausgangs. Dieses feste Verhältnis kann angepasst werden, sodass die Fertigungstoleranzen des Waferpositionierapparats und der Antriebsmotoren ausgeglichen werden und dabei gewährleistet ist, dass die Nettoantriebskraft jedes Antriebsmotors auf den Schwerpunkt der beweglichen Komponenten wirkt.
Die Digitalsteuerung erhält Bühnenpositionsfeedback 234 vom Bühnenantriebssystem 230 durch vier Kanäle von Positionssensoren 232 (Messgeber oder Interferometer). Da die Bühne nur drei Freiheitsgrade besitzt, ist ein Feedbackkanal redundant. Diese Redundanz wird in der Digitalsteuerung ausgenutzt für die Ableitung einer Bestabschätzung der Bühnenposition und auch für eine Abschätzung der Qualität der Sensorsignale. Die Qualität der Sensorsignale ist einfach der Rest zwischen der Bestabschätzung der Bühnenposition und den vier Messungen, aus denen der Fit geschätzt wurde. Die Software der Digitalsteuerung überwacht die Qualitätsmessung und führt Abschaltanweisungen aus, wenn die Qualität festgesetzte Grenzen überschreitet.
Vibrationssensoren 242 (Geophone oder Beschleunigungsmesser) sind im Waferpositionierapparat enthalten für eine Überwachung der Kräfteaufhebungseffizienz. Ein Kalibriersystem 260 überwacht die Kräfteaufhebungseffizienz während der Herstellung des Waferpositionierapparats und passt die Vorkopplungsverstärkung 208 (statischer Parameter) an.
Ein Parameterschätzer 220 ist ebenfalls bereitgestellt in der Überwachungssoftware. Der Parameterschätzer 220 betrachtet den gewünschten Bewegungsablauf und die tatsächlichen Stellungsvariablen des Bühnenantriebssystems und des Kräfteaufhebungssystems und erzielt eine verbesserte Schätzung 206 der Parameter, die vom Bewegungsablaufsplaner 200 zu verwenden sind. Es ist Aufgabe des Parameterschätzers den dynamischen Fehler der Bühne zu jedem Zeitpunkt gegen Null gehen zu lassen. Damit diese Bedingung eintritt, muss der Bewegungsablaufsplaner 200 Kräftebefehle erstellen, die fast perfekt mit dem gewünschten Positionsbewegungsablauf übereinstimmen. Eine fast perfekte Übereinstimmung erfordert eine sehr genaue Kenntnis der Verstärkungsgewinne, der Masse der Bühne, der Motorposition relativ zur Bühne und ähnlicher Parameter. Fehler im Modell des Waferpositionierapparats können führen zu Fehlern in der Positionsbestimmung, wenn die Bühne eine bestimmte Bewegung ausführt.
Wenn das Modell des Systems besser wird durch die Arbeit des Parameterschätzers 220, wodurch die Genauigkeit des Modells kontinuierlich gesteigert wird, führt die Bühne einen Bewegungsablauf mit einer geringeren Absetzzeit aus. Wenn das Modell verbessert wird, können zusätzlich zur verbesserten Leistung die Grenzen in der Digitalsteuerung für die Fehler in der Positionsbestimmung immer enger gesetzt werden. Sehr enge Toleranzen für Fehler in der Positionsbestimmung erlauben der Digitalsteuerung eine schnellere Entdeckung von Fehlern, Kollisionen oder von anderen unvorhergesehenen Ereignissen, was eine gute Sicherheit des Systems gewährleistet.
Das Kalibriersystem 260 misst und korrigiert geometrische Fehler der Bühnenpositionssensoren 232 und erstellt Grundparameterwerte, die anschließend verbessert werden vom Parameterschätzer. Das Kalibriersystem 260 kann auch verwendet werden für eine Offline-Kalibrierung. Bei einer Offline-Kalibrierung kann das Kalibriersystem 260 zusätzliche Sensoren und Software verwenden.
Der Bewegungsablaufsplaner 200 ist ausgelegt für die Durchführung bestimmter Aufgaben. Beispielsweise für die Aufgabe der Neupositionierung eines Halbleiterelements für eine Speicherreparatur ist der Bewegungsablauf beschrieben als eine Sequenz von Segmenten. Die Segmente umfassen ein Positions-/Geschwindigkeits-/Zeit-Segment und ein Fahr-/Entfernungs-Segment.
Das Positions-/Geschwindigkeits-/Zeit-Segment beschreibt Anfangs- und Endposition, Geschwindigkeiten und die Zeit, die für die Bewegung vorgesehen ist. Der Bewegungsablaufsplaner bestimmt die Position und die entsprechenden Kräfte, die benötigt werden für das Erreichen der Endpunktbedingungen. Die Bewegungsbahn ist nicht eingeschränkt. Die besondere Bedingung, dass keine Zeit zur Verfügung steht, zeigt an, dass der Bewegungsablaufsplaner die minimale, für die Bewegung benötigte Zeit verwenden soll, die möglich ist mit dem Krafterzeuger oder anderen Einschränkungen.
Das Fahr-/Entfernungs-Segment wird verwendet für die Durchführung der meisten Arbeitsschritte. Nur die Länge dieses Segments ist vorgegeben. Die Geschwindigkeit für das Segment ist vorgegeben durch den Endpunkt des vorhergehenden Segments. Das Fahr-/Entfernungs-Segment kann nicht das erste Segment eines Bewegungsablaufs sein. Arbeitsanweisungen können mit der Fahr-/Entfernungs-Segmentart verbunden sein.
Andere Segmentarten können in anderen Anwendungen verwendet werden. Der Bewegungsablaufsplaner 200 entfaltet einen Bewegungsablauf, der beschrieben ist als geordnete Liste von Bewegungsablaufssegmenten, in eine Liste von Bewegungsablaufspunkten, wobei die Liste der Digitalsteuerung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit übermittelt wird. Der Bewegungsablaufsplaner arbeitet fast in Echtzeit mit nur einem knappen Vorschauintervall zur tatsächlichen Bewegung. Es gibt zwischen dem Bewegungsablaufsplaner, der Digitalsteuerung und dem Parameterschätzer einen Bewegungsablaufszwischenspeicher 300 (13). Der Bewegungsablaufszwischenspeicher 300 ermöglicht eine Entkopplung der Ausführungsgeschwindigkeit des Bewegungsablaufsplaners von der Geschwindigkeit der Digitalsteuerung. Der Bewegungsablaufsplaner muss oft genug laufen, sodass gewährleistet ist, dass der Bewegungsablaufszwischenspeicher nie leer ist. Es gibt zu Beginn einer Bewegungssequenz eine sehr kurze Verzögerung, die es dem Bewegungsablaufsplaner ermöglicht genug Vorsprung gegenüber der Digitalsteuerung zu bekommen, dass der Bewegungsablaufszwischenspeicher nicht leer ist. Nach der Anstoßverzögerung (ein paar Millisekunden) ist die für eine Bewegung benötigte Zeit vollständig von den physikalischen Beschränkungen der Geräte abhängig. Es gibt im System keine weiteren Verzögerungen, die durch die Software bedingt sind.
Der Bewegungsablaufsplaner verwendet für das Erstellen der Bewegungsablaufssegmente geschlossene Bewegungsformen. Eine sich linear ändernde zykloide Beschleunigungsform wird verwendet für kleine Bewegung für die Einbindung einer Positions-/Geschwindigkeits-/Zeit-Segmentart: A(t) = (sin(π·t/T)·(k0 + k1·t))wobei

A die Beschleunigungsform (oder auch Kräfteform) ist,
k₀ und k₁ Formkonstanten sind, die verwendet werden für ein Abgleichen der Bewegungsablaufsendpunkte,
T die Segmentdauer (Zeit) ist,
t die Zeit (unabhängige Größe) ist.

Diese Form ist eine sich langsam ändernde Kräfteform über den Verlauf des Segments und besitzt genug Flexibilität die Endpunkteinschränkungen des Bewegungsablaufssegments zu erreichen. Weil die Form glatt ist, sind die Vorkopplungskräftesignale, die der Form entsprechen, ebenfalls glatt. Dieses Ergebnis ist günstig, da die Vorkopplungskräftesignale ohne weiteres Filtern direkt auf die Verstärker und die Motoren angewendet werden. Weil die Vorkopplungskräftesignale angewendet werden in einer prozessparallelen Anordnung, beeinflusst die Dynamik des Waferpositionierapparats nicht die angewendeten Kräftesignale, wodurch eine sehr einfache Systemdynamik entsteht.
Siehe 13. Die Schlüsselelemente der Digitalsteuerung 210 sind der Bewegungsablaufszwischenspeicher 300, eine Steuerbefehlszwischenspeicherschnittstelle 302, eine Kontrollzwischenspeicherschnittstelle 304, ein Feedbackumwandler 306, ein Fehlererkennungsbereich 308, eine Kontrollvorschrift 310, ein Outputumwandler 314 und ein Motorzustandsfeedbackbereich 312.
Der Bewegungsablaufsplaner gibt Bewegungsablaufsbefehle an die Digitalsteuerung über den Bewegungsablaufszwischenspeicher 300. Die Digitalsteuerung gibt auch Daten an den Parameterschätzer 220 über den Bewegungsablaufszwischenspeicher 300 zurück. Diese Anordnung ist eingerichtet über einen geteilten Speicherbereich, der angesprochen werden kann vom Low-Level Prozessor (Digitalsteuerung) und vom High-Level Prozessor (Bewegungsablaufsplaner und Parameterschätzer).
Die Steuerbefehlszwischenspeicherschnittstelle 302 entnimmt Vorkopplungskräftebefehle und Positionssollwertbefehle aus dem Bewegungsablaufszwischenspeicher 300 und verwendet sie in jeder Aktualisierung der Digitalsteuerung.
Der Kontrollzwischenspeicher 304 übergibt Zustandsinformationen an den Parameterschätzer, indem er die gemessenen Größen an den Bewegungsablaufszwischenspeicher 300 übergibt.
Vier Bühnenpositionskanäle werden gemessen über Bühnensensorschnittstellen 316. Die vier Sensormessergebnisse werden vom Feedbackumwandler 306 in Bestabschätzungen der drei Freiheitsgrade der Bühnenposition (X, V, Scherung) umgerechnet. Die Qualität der Sensoren wird ebenfalls vom Fehlererkennungsbereich 308 berechnet und überwacht gemeinsam mit zusätzlichen Messungen des Verstärkers. Der Fehlererkennungsbereich 308 leitet Abschaltanweisungen ein, sobald ein Fehler entdeckt wird aufgrund von Messungen außerhalb des Messbereichs. Das Abschalten kann eingeleitet werden wegen schlechter Sensorqualität (z.B. überschüssige Reste im Feedbackumwandler), wenn der Positionsfehler eine vorgegebene Grenze überschreitet, wenn die geschätzte Bühnengeschwindigkeit eine vorgegebene Grenze überschreitet und wenn die Motortemperatur oder der Motorstrom eine vorgegebene Grenze überschreitet.
Die Kontrollvorschrift 310 erhält als Input ein Drei-Freiheitsgrad-Positionsfehlersignal und zusätzliche Zustandsinformationen von den Motoren und erzeugt drei Kräftebefehle, die ausgelegt sind den Nachführfehler gegen Null zu senken. Die drei Kräfte aus der Kontrollvorschrift 310 werden umgewandelt vom Outputumwandler 314 in einen minimalen Kraftvektor, der von den vier Motoren im bewegten Magnetkoordinatensystem angewendet wird. Die Fehlerkräfte im bewegten Magnetkoordinatensystem werden aufsummiert, wobei die Vorkopplungskräftebefehle direkt vom Bewegungsablaufszwischenspeicher kommen. Die resultierende Vektorsumme der Kräfte wird geschickt an die vier Analogsteuerungen.
Der Bühnenmotorzustandsfeedbackbereich 312 überwacht das Feedback der Analogsteuerungen. Die überwachten Größen umfassen Motorstrom, Rotorgeschwindigkeit und Statortemperatur.
Das Bühnenkontrollsystem bietet eine hoch vorhersehbare Rückmeldung der Bühne auf Kräftebefehle. Das hohe Maß an Vorhersehbarkeit ermöglicht eine Schätzung der Vorkopplungskräfte mit hoher Genauigkeit.
Die tatsächlich für den Antrieb der Bühne benötigte Kraft kann leicht abweichen von der vorausberechneten Kräfteform. Wegen der hohen Regelschleifenverstärkungen (die auch möglich sind aufgrund der Einfachheit des Waferpositionierapparats und der Abwesenheit von Niederfrequenz-Schwingungsformen) können jegliche Fehler der vorausberechneten Kräfte korrigiert werden mit minimalen Nachführfehlern. In einem Beispiel kann das benötigte Kräfteprofil vorausberechnet werden mit einer Genauigkeit von mehr als 99 Prozent direkt aus der Vorkopplungsbahnkurve. Die Nachführfehler multipliziert mit der Regelschleifenverstärkung erzeugen die Restkraft, die benötigt wird für den Antrieb der Bühne entlang eines vorgeschriebenen Wegs.
Weil die große Mehrheit der Kräfte (Antriebs- und Aufhebungskräfte) vorgegeben sind, ist eine sehr effektive Kräfteaufhebung möglich. Dieses hohe Maß an Aufhebung ist möglich ohne Wechselwirkung oder Kopplung der Systemdynamik.
Der Gebrauch des Vorkopplungsmodells für die Erzeugung der Mehrheit der Antriebssignale bietet eine gute Betriebssicherheit. Weil die Servoregeleinrichtung sehr geringe Kräfte bereitstellt, ist es möglich eine sehr enge Toleranz auf den Positionsfehler zu setzen. Die enge Toleranz auf Servofehler ermöglicht die Entdeckung von Fehlern und das Einleiten von Abschaltanweisungen bevor erhebliche Schäden am System oder an Mitarbeitern entstehen. Es ist leicht zu entdecken wenn das Wartungspersonal an den Waferpositionierapparat eine äußere Störung anlegt wie beispielsweise eine unerwartete Berührung.
Ein anderer Vorteil der Steuerungsarchitektur ist die Verteilung der Rechenlast auf mehrere Prozessoren wie den Bewegungsablaufsplaner und die Digitalsteuerung. Die Digitalsteuerung ist optimiert für die Bereitstellung von Berechnungen mit geringer Latenzzeit (gemessen in Mikrosekunden) in einer hoch deterministischen Anwendung für die Erfüllung von Regelkreisstabilitätskriterien. Der Bewegungsablaufsplaner arbeitet mit einem niedrigen deterministischen Verhalten (Latenzzeit in der Größenordnung von zehn bis Hunderte von Millisekunden). Während ein einzelner Prozessor mit einem passenden Betriebssystem beide Aufgaben ausführen könnte, erleichtert die Aufteilung die Verwendung mehrerer Prozessoren mit einer gemeinsamen Speicherschnittstelle da zwischen. Diese Aufteilung ermöglicht die Verwendung eines geeigneten Digitalsignalprozessors als Digitalsteuerung und eines Hauptcomputers mit fast Echtzeitausführung (wie UNIX oder Windows NT) für die Einbindung des Bewegungsablaufsplaners.
Ein neuer und verbesserter Apparat und neue und verbesserte Verfahren für sehr schnelles und genaues Positionieren sind vorgestellt. Die Erfindung ist dahin auszulegen, dass einbezogen wird jedes neue Merkmal und jede neue Kombination von Merkmalen, die der Apparat und die Verfahren, die hier offenbart sind, enthalten oder besitzen. Es ist ebenso offensichtlich, dass der Fachmann nun vielfältige Gebrauchsmöglichkeiten, Änderungen und Abweichungen der besonderen, hier beschriebenen Ausführungsformen finden kann ohne vom erfinderischen Konzept abzuweichen.

Claims

Positionierapparat (100) zum Positionieren eines Bauelements, umfassend: ein Bauelementbearbeitungsgerät (118, 120) zum Bearbeiten des Bauelements, eine erste Bühne (108, 110) für eine Verschiebung in einer ersten Bewegungsebene, eine zweite Bühne (102) für ein Haltern des Bauelements (106) und für ein Umpositionieren des Bauelements von einer Ausgangs- in eine Endposition parallel zur ersten Bewegungsebene der ersten Bühne (108, 110), eine Arbeitsplatte (104) für ein Haltern der zweiten Bühne (102), mindestens einen Antriebsmotor (112a–d), der ohne mechanischen Kontakt mit der Bühne direkt eine Kraft auf die zweite Bühne (102) ausübt für ein Umpositionieren der Bühne in mindestens einem Bewegungsfreiheitsgrad, eine Anzahl Fluidlager (144a–d), die zwischen der zweiten Bühne (102) und der Arbeitsplatte (104) ihre Arbeit verrichten, und eine Steuerung (210) für ein Steuern des Betriebs des mindestens einen Antriebsmotors (112a–d), wird die zweite Bühne (102) umpositioniert, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bühne (108, 110) ausgelegt ist zum Haltern und Versetzen des Bauelementbearbeitungsgeräts (118, 120) in einer Bewegungsebene, sodass das Bauelementbearbeitungsgerät (118, 120) mit der ersten Bühne (108, 110) bewegt wird, das Bauelementbearbeitungsgerät (118, 120) einen Laser umfasst, wobei die Fluidlager (144a–d) die Bewegung der zweiten Bühne (102) in der zweiten Ebene in allen noch verbliebenen Freiheitsgraden begrenzen.
Apparat nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl Antriebsmotoren (112a–d) planparallel mit der zweiten Bühne (102) sind und um die Bühne angeordnet sind zum Ausüben von Antriebskräften direkt auf die zweite Bühne (102), ohne dass irgendein mechanischer Kontakt zur zweiten Bühne (102) besteht, wobei die Antriebsmotoren eine plane Bewegung der zweiten Bühne (102) in mindestens drei Bewegungsfreiheitsgraden vornehmen.
Apparat nach Anspruch 1, umfassend vier Antriebsmotoren (112a–d), die symmetrisch auf den vier gegenüberliegenden Seiten der zweiten Bühne angeordnet sind.
Apparat nach Anspruch 1, wobei die Fluidlager Gasdrucklager umfassen.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Antriebsmotor (112a–d) eine obere stationäre Spule (140) umfasst, eine untere stationäre Spule (142) und einen beweglichen Magneten (132), der ausgelegt ist in einem Spalt (180) vorgegebener Größe zwischen der oberen und der unteren stationären Spule (140, 142) bewegt zu werden.
Apparat nach Anspruch 5, wobei die Wärme der oberen und der unteren Spule (140, 142) durch Leiten auf einen Fluidstrom entfernt wird.
Apparat nach Anspruch 5, wobei der bewegliche Magnet (132) einen Permanentmagneten umfasst.
Apparat nach Anspruch 7, wobei der Permanentmagnet ein Eisen-Neodym-Bor-Magnet ist.
Apparat nach Anspruch 5, wobei der bewegliche Magnet (132) einen Elektromagneten umfasst.
Apparat nach Anspruch 5, wobei der bewegliche Magnet (132) zwei entgegengesetzt magnetisierte Magnete umfasst.
Apparat nach Anspruch 5, wobei die obere und die untere stationäre Spule (140, 142) eines jeden Motors (112) größer bemessen sind als die beweglichen Magnete, so dass im gesamten Bewegungsbereich der zweiten Bühne (102) die Flusslinien (150) der beweglichen Magneten stets mit den Spulen (140, 142) gekoppelt sind.
Apparat nach Anspruch 1, zudem umfassend einen Untergestell, wobei das Untergestell die obere und die untere Spule (140, 142) haltert und die Arbeitsplatte (102) kinematisch mit dem Untergestell verbunden ist, so dass die Spulen sich aufgrund thermischer Ausdehnung in der Größe ändern können ohne dabei eine Kraft auf die Arbeitsplatte (104) auszuüben.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bauelementbearbeitungsgerät zum Bearbeiten eines Halbleiter-Bauelements einen Laser umfasst.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bauelementbearbeitungsgerät ausgelegt ist den Bauelement auf einem Fahrabschnitt im Bewegungsablauf der zweiten Bühne (102) zu bearbeiten.
Apparat nach Anspruch 1, zudem umfassend einen Positionsdetektor, der ein Signal für die Position der zweiten Bühne angibt, einen Bewegungsablaufsplaner (200), der eine Beschreibung des gewünschten Bewegungsablaufs (202) zwischen den Positionen erhält, an denen der Bauelement (106) vom Bauelementbearbeitungsgerät (118, 120) zu bearbeiten ist, und der den gewünschten Bewegungsablauf auf eine Reihe von Bewegungsablaufspunkten zwischen den Positionen erweitert, an denen das Bauelement von dem Bauelementbearbeitungsgerät zu bearbeiten ist, und der Bühnenantriebsbefehle erstellt für das Bühnenantriebssystem (130) auf Grundlage des gewünschten Bewegungsablaufs und eine Digitalsteuerung (210), welche die Liste der Bewegungsablaufspunkte vom Bewegungsablaufsplaner und die Signale vom Positionsdetektor erhält und welche die Signale vom Positionsdetektor mit den Bewegungsablaufspunkten, die vom Bewegungsablaufsplaner erhalten wurden, für eine Bestimmung der Stellung des Bauelementpositionierapparats vergleicht.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, zudem umfassend ein Kräfteaufhebungssystem (212, 214, 216, 218), das die Kräfte auf die zweite Bühne (102) aufhebt, welche von der planen Bühnenbewegung herkommen.
Apparat nach Anspruch 16, wobei das Kräfteaufhebungssystem (212, 214, 216, 218) ausgelegt ist zur Anwendung von Aufhebungskräften planparallel zum Schwerpunkt der zweiten Bühne (102) und jeglichen Komponenten, die mit der Bühne bewegt werden.
Apparat nach Anspruch 16, wobei das Kräfteaufhebungssystem umfasst eine Anzahl Kräfteaufhebungsmotoren (216, 218) planparallel mit der zweiten Bühne (102) und dem mindestens einen Antriebsmotor (112a–d) und angeordnet um die Bühne (102) zum Aufbringen von Aufhebungskräften auf stationäre Teile des Bauelementpositionierapparats (100), gerichtet entgegen den Kräften, die von der planen Bühnenbewegung herkommen.
Apparat nach Anspruch 16, wobei das Kräfteaufhebungssystem eine Anzahl beweglicher Elemente umfasst, planparallel mit der zweiten Bühne (102) und um die Bühne (102) angeordnet, ausgelegt zur Bewegung in entgegen gesetzter Richtung zur Bühne (102), so dass sich der Schwerpunkt von Bühne (102), jedweder mit der Bühne (102) bewegter Komponenten und beweglicher Elemente nicht verändert.
Apparat nach Anspruch 19, wobei das Kräfteaufhebungssystem eine Anzahl beweglicher Elemente umfasst, planparallel mit der zweiten Bühne (102) und um die Bühne angeordnet, ausgelegt zur Bewegung in entgegen gesetzter Richtung zur Bühne, sodass kein Nettodrehmoment angreift auf den Schwerpunkt von Bühne, jedweder mit der Bühne bewegter Komponenten und beweglicher Elemente.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (210) ausgelegt ist zur Steuerung des Betriebs des mindestens einen Antriebsmotors (112a–d) und eines Kräfteaufhebungssystems.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, zudem umfassend einen Positionsdetektor zur Bereitstellung eines Feedbacksignals (234) an die Steuerung (210), welche die Position der zweiten Bühne (102) angibt.
Apparat nach Anspruch 22, wobei der Positionsdetektor (232) einen Laserdistanzinterferometer umfasst.
Apparat nach Anspruch 22, wobei der Positionsdetektor mindestens einen Interferometer-Messgeber (232) aufweist, der an der zweiten Bühne (102) befestigt ist.
Apparat nach Anspruch 24, umfassend eine Laserdiode (192), einen Kollimator und eine Detektoranordnung (198a, 198b).
Apparat nach Anspruch 25, wobei der optische Weg zwischen der Laserdiode (192), dem Kollimator, der Detektoranordnung (198a, 198b) und dem Interferometer-Messgeber (136a–d) umschlossen ist.
Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 26, wobei der Positionsdetektor Positionssensoren (232) umfasst sowie zudem ein Kalibriersystem zum Messen und Korrigieren geometrischer Fehler der Positionssensoren (232).
Apparat nach Anspruch 27, wobei die Positionssensoren (232) Interferometer-Messgeber (136a–d) sind.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, zudem umfassend Schwingungssensoren (242), die an der Arbeitsplatte (104) befestigt sind für die Bereitstellung von Kräfteaufhebungs-Feedbacksignalen.
Apparat nach Anspruch 16, wobei die Steuerung (210) umfasst einen Bewegungsablaufsplaner (200), der eine Beschreibung des gewünschten Bewegungsablaufs erhält und der Bühnenantriebsbefehle sowie Kräfteaufhebungsbefehle für den mindestens einen Antriebsmotor beziehungsweise das Kräfteaufhebungssystem (240) erstellt, und eine Digitalsteuerung für den Erhalt von Befehlen des Bewegungsablaufplaners sowie Feedbacksignalen (244, 234, 211), welche die Feedbacksignale mit den Befehlen vergleicht, die vom Bewegungsablaufsplaner (200) kommen, und die Korrektursignale (213, 215) für den mindestens einen Antriebsmotor (132a–d) und das Kräfteaufhebungssystem (240) erzeugt.
Apparat nach Anspruch 30, wobei die Bewegungsablaufbeschreibung Bewegungsablaufsegmente umfasst, die in mathematischer Form durch kontinuierliche Ableitungen von Position und Beschleunigung dargestellt sind.
Apparat nach Anspruch 30 oder 31, wobei die Digitalsteuerung (210) Korrektursignale für das Kräfteaufhebungssystem erzeugt.
Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 30 bis 32, wobei der Bewegungsablaufplaner (200) ausgelegt ist für eine Kompensierung des Phasenverzugs zwischen den Bühnenantriebsbefehlen und den Kräfteaufhebungsbefehlen.
Apparat nach irgendeinem der Ansprüche 30 bis 34, zudem umfassend einen Parameterschätzer (220) für den Erhalt von Systemstatus–Feedbacksignalen, umfassend Bühnenposition und Kräfteaufhebungs-Zustandsfeedback, für einen Vergleich derer mit dem gewünschten Bewegungsablauf und für ein Ableiten besserer Schätzungen der Parameter, die vom Bewegungsablaufplaner (220) verwendet werden zur Erzeugung von Befehlen, die von der Digitalsteuerung (210) erhalten werden.
Apparat nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bauelementbearbeitungsgerät einen Laser (192) umfasst und das Bauelement (106) ein Halbleiterbauelement ist.
Apparat nach Anspruch 35, wobei das Bauelementbearbeitungsgerät (118, 120) ausgelegt ist zur Bearbeitung des Bauelements (106) während eines Fahrsegments im Bewegungsablauf der zweiten Stufe (102).
Verwendung des Apparats nach Anspruch 33 oder 34 in einem Verfahren, welches eine Speicherreparatur umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Bauelementpositionierapparats, umfassend die Schritte: in Bewegung setzen einer erste Bühne (108, 110) in einer ersten Bewegungsebene; Umpositionieren eines Bauelements (106), der von einem Bauelement bearbeitungsgerät zu bearbeiten ist, durch Umpositionieren einer zweiten Bühne (102) in mindestens einem Freiheitsgrad, indem der Betrieb mindestens eines Antriebsmotors (112a–d) gesteuert wird zur Bereitstellung einer Kraft direkt auf die zweite Bühne (102), wobei kein mechanischer Kontakt mit der Bühne bei der Umpositionierung der Bühne erfolgt, die zweite Bühne (102) von einer Ausgangs- in eine Endposition in einer zweiten Ebene parallel zur ersten Bewegungsebene der ersten Bühne umpositioniert wird, und die zweite Bühne, den von dem Bauelementbearbeitungsgerät zu bearbeitenden Bauelement haltert; und Bearbeiten des Bauelements mit Hilfe der Bauelementbearbeitungsgerätschaft, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist dadurch, dass die erste Bühne (108, 110) die Bauelementbearbeitungsgerätschaft (118, 120) in einer Bewegungsebene haltert und in Bewegung setzt, wobei die Bauelementbearbeitungsgerätschaft (118, 120) zu einer Bewegung mit der ersten Bühne (108, 110) gebracht wird, die zweite Bühne von einer Anzahl Fluidlager (144a–d) gehaltert wird, welche zwischen der zweiten Bühne (102) und einer Arbeitsplatte (104) angeordnet sind, wobei die Lager die plane Bühnenbewegung in allen verbleibenden Freiheitsgraden begrenzen, und die Bauelementbearbeitungsgerätschaft (118, 120) einen Laser umfasst.