掩模傳輸交換版機械手的設(shè)計分析

馬喜寶

(上海微高精密機械工程有限公司，上海 201203)

掩模傳輸模塊是光刻設(shè)備關(guān)鍵組件之一，其性能和功能指標(biāo)直接影響光刻機的效率和產(chǎn)能以及產(chǎn)品的質(zhì)量，因此提高掩模傳輸效能和可靠性對光刻機的整體性能指標(biāo)非常關(guān)鍵。而掩模傳輸交換版機械手的結(jié)構(gòu)形狀則決定掩模版?zhèn)鬏數(shù)男屎途?，也決定掩模臺吸版面的結(jié)構(gòu)形狀和同軸對準(zhǔn)的時間，所以掩模傳輸交換版機械手運動性能和空間結(jié)構(gòu)的組成對掩模傳輸甚至整個光刻機來說，就顯得尤為重要。本文主要從掩模傳輸交換版機械手的需求、性能、結(jié)構(gòu)和可靠性及可維修性等方面做一些探討。

1 功能和性能需求

根據(jù)掩模傳輸交換版機械手使用要求，必須具備的功能和性能需求。

1.1 功能需求

上下載掩模版功能：把粗預(yù)對準(zhǔn)臺上的掩模版?zhèn)魉偷窖谀Ｅ_上,同時，把處于和粗預(yù)對臺不同高度的掩模臺上原有的掩模版?zhèn)魉偷酱诸A(yù)對臺上。

精細(xì)預(yù)對準(zhǔn)功能：把粗預(yù)對臺上的掩模版?zhèn)魉偷窖谀Ｅ_正上方，在不同的高度，通過預(yù)對準(zhǔn)四象限測得掩模版預(yù)對準(zhǔn)標(biāo)記相對位置的偏移量，由掩模臺進行補償。

安全互鎖功能：在掩模版進行旋轉(zhuǎn)交接時，有旋轉(zhuǎn)和升降兩種運動，在這兩個運動過程中，旋轉(zhuǎn)和升降要進行互相鎖定，即旋轉(zhuǎn)時不能上升或者下降，同樣在上升或者下降時不能旋轉(zhuǎn)，而且，只能是兩個升降運動單元同時上升到最高位時，才能進行旋轉(zhuǎn)運動。

1.2 性能需求

上版精度：線性重復(fù)精度(x、y)±10μm；

角度重復(fù)精度(θ)±50μrad；

上下掩模版時間：≤50s；

交換掩模版時間：≤30s；

可靠性：MTBF≥5000h；MTTR<2h。

MTBF為平均無故障工作時間；MTTR為平均維修時間。

根據(jù)掩模傳輸交換版機械手的功能和性能需求，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 掩模傳輸交換版機械手結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)組成及運動特點

交換版機械手部件包括以下組件：旋轉(zhuǎn)運動單元，兩個獨立的升降運動單元，兩個版叉吸附單元，安全互鎖單元。如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)組成

2.1 升降運動單元

升降運動單元包含兩個獨立的升降機構(gòu)，安裝在旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)。每個升降運動單元由伺服電機（包括減速器、制動器）、聯(lián)軸器、滾珠絲杠副、滾珠花鍵等關(guān)鍵零部件組成，如圖3所示，伺服電機順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動滾珠絲杠組件上的螺母下降或抬升，滾珠花鍵軸的上端部通過中間的過度件和絲杠螺母連接，這樣，滾珠花鍵隨螺母一起下降或抬升，和滾珠花鍵軸的下端部相連的掩模版吸附單元隨其作相應(yīng)的運動，實現(xiàn)處于不同高度的掩模版的吸附和交換。

2.2 旋轉(zhuǎn)運動單元

旋轉(zhuǎn)運動單元主要由旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電動機（DD電動機）和過度連接件組成。旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電動機為中空式結(jié)構(gòu)，裝有交叉滾柱軸環(huán)作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，可承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等所有方向的負(fù)荷，如圖3所示。在控制和檢測方面裝有零位、極限位和工作位傳感器以及圓光柵組成測量系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)運動單元通過直驅(qū)電機及連接件和旋轉(zhuǎn)套筒相連，使旋轉(zhuǎn)套筒豎直穿過旋轉(zhuǎn)電機的中空型動子，并隨其作±180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)，從而使整個機械手實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。

圖3 掩模傳輸交換版機械手詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成

2.3 版叉吸附單元

每個版叉單元包含連接法蘭、托板、吸版架、真空吸盤、萬向連接管、拉簧、拉銷、調(diào)平螺釘?shù)?，共有兩個結(jié)構(gòu)和性能完全相同的版叉吸附單元，組成如圖4所示。

豎直運動的滾珠花鍵軸下端部和連接法蘭通過過盈配合相連，連接法蘭和托板通過螺釘相連接；托板和吸版架采用三組六根拉簧彈性連接，在每組拉簧的中間裝有一個固定在托板上的調(diào)平螺釘，調(diào)平螺釘一端是球形曲面，三個調(diào)平螺釘球形面分別頂在吸版架上的3個V型槽面上，轉(zhuǎn)動調(diào)平螺釘推動吸版架和托板底面分離大約2mm，作為吸版架調(diào)節(jié)水平和調(diào)節(jié)高度的空間。在吸版架上設(shè)計有4個萬向連接管，每個萬向連接管同真空吸盤連接，真空吸盤是具有彈性的氟橡膠材料制成，吸附掩模版時，不僅能緩沖吸版架垂向運動所產(chǎn)生的沖擊力，而且還能保證4個真空吸盤的共面性，增加吸附的密封性，確保掩模版在旋轉(zhuǎn)交換時有足夠的吸附力；同時在和掩模臺進行掩模版交接時，能減小因掩模臺吸版面和掩模版底面的不平行而造成交接精度的損失，增加交接的可靠性和安全性。

圖4 版叉吸附單元

2.4 安全互鎖單元

互鎖結(jié)構(gòu)主要有安全槽，限位塊，行程調(diào)節(jié)螺釘，緩沖墊等零部件組成，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和垂直升降運動的互鎖，確保掩模版?zhèn)鬏數(shù)陌踩?，如圖3所示。

由于交換版機械手進行交接的兩個交接版位——掩模臺和粗預(yù)對準(zhǔn)臺分別處于兩個不同的高度，所以，兩個升降運動單元在兩個交接版位垂向行程不同。當(dāng)升降機構(gòu)1在粗預(yù)對準(zhǔn)位和粗預(yù)對準(zhǔn)臺進行掩模版交換時，升降機構(gòu)2在掩模臺上方的上版位和掩模臺進行掩模版交換，固定支架在這兩個位置分別安裝有安全互鎖槽和安全互鎖銷，固定不動，不隨兩個升降機構(gòu)運動而運動。兩個升降運動單元都安裝有兩個相同的限位塊，在限位塊上設(shè)計安裝調(diào)節(jié)螺釘，限位塊隨兩個升降機構(gòu)運動而運動。當(dāng)兩個升降運動單元下降或上升時，限位塊進入安全互鎖槽內(nèi)，防止升降運動單元在垂向運動時，發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)升降運動單元下降到最低位時，限位塊上的調(diào)節(jié)螺釘分別同安全互鎖槽和安全互鎖銷接觸，完成兩個升降運動單元機械下限位。而當(dāng)兩個升降運動單元運動到最高位時，限位塊和安全互鎖槽脫離，旋轉(zhuǎn)運動單元才進行旋轉(zhuǎn)運動。

3 結(jié)構(gòu)的可靠性分析

可靠性可用MTBF和MTTR的數(shù)值來反映，MTBF值越大、MTTR值越小，設(shè)備的可靠性就越好，反之就越差。掩模傳輸旋轉(zhuǎn)交換版機械手的幾個組成部分通過螺栓固定在一起，組成一個獨立的完整機構(gòu)，其可靠性和可維修性按如下公式分析計算（基本參數(shù)見表1、表2、表3）：

上述公式中：

Wi：綜合評分?jǐn)?shù)；

K1：結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；

K2：技術(shù)成熟度；

K3：時間占空比；

K4：環(huán)境因素；

MTBF：設(shè)計輸入平均無故障工作時間,5000h；MTBFi：設(shè)計輸出平均無故障工作時間；

MTBFs：設(shè)計輸入平均維修時間,2h；

MTBFi：設(shè)計輸出平均維修時間。

3 結(jié)束語

掩模傳輸旋轉(zhuǎn)交換機械手的機構(gòu)型式很多，本文針對具有兩個獨立的升降機構(gòu)，可實現(xiàn)處于不同高度的掩模版進行交換的機械手加以介紹，說明了其基本組成。采用滾珠絲杠和滾珠花鍵相結(jié)合的設(shè)計思路，取代了傳統(tǒng)的滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌的組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，裝配調(diào)試效率高。版叉吸附單元采用具有彈性功能的真空吸盤和具有水平自適應(yīng)功能的萬向連接管，不但能很好適應(yīng)吸版面和掩模版低面之間的不平行，而且也能消除4個因吸盤不共面而產(chǎn)生的吸附力大小差異所帶來的影響。旋轉(zhuǎn)運動單元采用旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電動機（DD電動機）驅(qū)動，精度高，性能可靠。采用機械式的安全互鎖結(jié)構(gòu)，可靠性高，成本低，方便維護和維修。

表1 維修性加權(quán)因子

表2 掩模傳輸旋轉(zhuǎn)交換版機械手可靠性維修性分配

表2 (續(xù))掩模傳輸旋轉(zhuǎn)交換版機械手可靠性維修性分配