DD271202A1

DD271202A1 - RUNNER

Info

Publication number: DD271202A1
Application number: DD31332288A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Riessland
Original assignee: Elektromat Veb
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1989-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laeufer fuer ein luftgelagertes, elektromagnetisches Linear-Antriebssystem, beispielsweise fuer eine Zweikoordinatenpositioniereinrichtung, die bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente fuer Mess- und Pruefzwecke eingesetzt wird. Zur Reduzierung von Fertigungsschwierigkeiten besteht der Laeufer erfindungsgemaess aus einem System symmetrisch aneinandergereihter Einzelantriebskomplexe, die ihrerseits durch an ihrer Oberseite vorgesehene und als Parallelfedern ausgebildete, stabfoermige Verbindungselemente miteinander gekoppelt sind, die im Bereich der Koppelstellen der Einzelkomplexe horizontal zu deren Achse Ausnehmungen aufweisen, wodurch ein Antriebskomplex mit einer im Verhaeltnis zur Biegesteife geringen Federsteife bei paralleler Auslenkung entsteht. Die Vorteile der erfindungsgemaessen Loesung bestehen insbesondere in einer Vereinfachung der Fertigung der Strukturierung und einer Erhoehung der Qualitaet fuer das Magnetsystem.The invention relates to a rotor for an air-bearing, electromagnetic linear drive system, for example for a two-coordinate positioning, which is used in the manufacture of microelectronic components for measurement and Pruefzwecke. In order to reduce manufacturing difficulties, the rotor according to the invention consists of a system of symmetrically juxtaposed individual drive complexes, which in turn are coupled by trained on their upper side and parallel springs, stabfoermige connecting elements which have in the region of the coupling points of the individual complexes horizontal to the axis recesses, creating a drive complex arises with a low stiffness in relation to the bending stiffness with parallel deflection. The advantages of the solution according to the invention consist in particular in a simplification of the production of the structuring and an increase in the quality of the magnet system.

Description

-²- 2 7 ί 2 0 2- ² - 2 7 ί 2 0 2

Läuferrunner

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Läufer für ein luftgelagertes, elektromagnetisches Linearantri.ebssystem, insbesondere *ür eine Zweikoordinatenpositioniereinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung längs der x- und y-Achse einer stationären Grundplatte für Waferprober, die bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente zu Meß- und Prüfzwecken eingesetzt werden. Eine Anwendung in Antrieben der sonstigen Feingerätetechnik zur Realisierung feinster Schrittunterteilungen für x-/y-Postionestellungen ist möglich.The invention relates to a rotor for an air-bearing, electromagnetic Linearantri.ebssystem, in particular * for a two-coordinate positioning for generating a relative movement along the x- and y-axis of a stationary base plate for Waferprober, which are used in the production of microelectronic devices for measuring and testing purposes , An application in drives of other fine equipment technology for the realization of finest step divisions for x- / y-Postionestellungen is possible.

Characteristic of the known state of the art

FCr die Realisierung von Bewegungsabläufen in einer Ebene sind Lösungen für Kreuztische bekannt, die beispielsweise auf dem Prinzip der Linearpositionierung mittels von Gewii.-espindeln beruhen, wobei durch Drehung einer derartigen Spindel in einer mit einem entsprechenden Maschinentisch verbundenen Spindelmutter, dieser entsprechend Steigung, Drehrichtung oder anderer Einflußfaktoren verschoben werden kann. Für feinste Schrittunterteilungen zur Positionierung von Halbleiterscheiben oder -bauelementen gegenüber einer Meßeinrichtung sind Lösungen bekannt, deren beweglicher Teil auf einer oder zwei oberflächenstrukturierten, magnetisch leitfähigen Fläche(n) luftgelagert ist/sind. Bei der Lösung mit zwei oberflächenstrukturierten Flächen sind die beiden den Koordinatenachsen zugeordneten Läuferkörper über eine in der Oberflächenebene verdrehsteife, senkrecht zur Oberfläche jedoch nachgiebige Gabel miteinander verbunden. Nachteile bei diesem Antrieb ergeben sich durch die Beschränkung des Bewegungsbereiches einer Achse aufgrund der Gabel und der relativ geringen Kippsteife und Verdrehsteife des die Nutzlast tragenden Läufers.For the realization of movements in a plane solutions are known for cross tables, for example, based on the principle of linear positioning means of Gewii.-spindles, by rotation of such a spindle in a spindle connected to a corresponding machine table, this corresponding slope, direction of rotation or other influencing factors can be postponed. For finest step divisions for positioning semiconductor wafers or components with respect to a measuring device, solutions are known whose movable part is / are air-mounted on one or two surface-structured, magnetically conductive surface (s). In the solution with two surface-structured surfaces, the two rotor bodies associated with the coordinate axes are connected to one another via a fork that is torsionally stiff in the surface plane but perpendicular to the surface. Disadvantages of this drive result from the restriction of the range of movement of an axle due to the fork and the relatively low tilting stiffness and torsional stiffness of the payload bearing rotor.

Weitere Zweikoordinatenpostioniereinrichtungen weisen Antriebssysteme auf, deren gegeneinander weisende, verschiebbaren Komplexe strukturierte Oberflächen in Form gleichartiger (waffeiförmige) oder unterschiedlicher (linienförmige) Strukturen aufweisen. In beiden Fällen ist es erforderlich, daß der Läufer bei nur einer Positionierebene die Systeme für beide Koordinatenrichtungen enthalten und eine entsprechend unterschiedliche Strukturierung der aktiven Luftspaltflächen vorgenommen werden muß. Das wiederum erfordert einen komplizierten Aufbau der Läufe^r, da das Läufersystem für mindestens eine Richtung aus zwei gleichen Komplexen, also aus 3 Bereichen besteht, das, bezogen auf die x- und die y-Achse, einen symmetrischen Aufbau aufweisen muß. Die maßverkörpernden Strukturen für die Einzelbereiche einer Achse müssen dabei gleichartig sein, parallele Richtung haben und einen exakten Winkel von 90 zwischen beiden Koordinaten einhalten. Zudem ist es erforderlich, die Flächen mit einer hohen Ebenheit und einer hohen maßlichen Obereinstimmung der Strukturen aller' Bereiche auszuführen, was in der Praxis, also bei der Herstellung derartiger Postionsiersysteme, erhebliche Schwierigkeiten bereitet. So muß z.B. die Zahnkopfbreite von 240,um eine Toleranz in der Größenordnung von IO ,um über eine Gesamtfläche des Läufers von 120 χ 240 mm aufweisen.Further two-coordinate positioners have drive systems whose mutually facing, displaceable complexes have structured surfaces in the form of similar (weapon-shaped) or different (linear) structures. In both cases, it is necessary for the rotor to contain the systems for both coordinate directions with only one positioning plane and for a correspondingly different structuring of the active air-gap surfaces to be undertaken. This in turn requires a complicated structure of the runs ^r , since the rotor system for at least one direction consists of two identical complexes, ie 3 areas, which, relative to the x- and y-axis, must have a symmetrical structure. The Maßverkörpernden structures for the individual areas of an axis must be the same, have parallel direction and maintain an exact angle of 90 between the two coordinates. In addition, it is necessary to perform the surfaces with a high flatness and a high dimensional match of the structures of all 'areas, which in practice, ie in the production of such Postionsiersysteme, considerable difficulties. For example, the tooth head width must be from 240 to a tolerance of the order of 10 to have a total surface area of the rotor of 120 to 240 mm.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Fertigung von Läufern für Zweikoordinatenpostioniereinrichtungen zu vereinfachen, die Nachteile der bekannten Lösungen abzustellen, um somit die Produktivität bei der Herstellung zu erhöhen.The object of the invention is to simplify the manufacture of runners for two-coordinate postioners, to eliminate the disadvantages of the known solutions, thus increasing the productivity in the production.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung bestoht darin, einen Läufer für eine Zweikoordinatenpostioniereinrichtung zu schaffen,' der es ermöglicht, die Fertigungskosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Positioniergenauigkeit zu senken. Der LäuferThe object of the invention is to provide a rotor for a two-coordinate positioner, which makes it possible to reduce the manufacturing costs while increasing the positioning accuracy. The runner

!nuß eine hohe Kipp- und Verdrehsteife in der Postionierebene aufweisen.! nuß have a high tilting and torsional stiffness in the Postionierebene.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Läufer aus einem System symmetrisch aneinandergereihter Einzelantriebskomplexe besteht, die ihrerseits durch an ihrer Oberseite vorgesehene und als Parallslfodorn ausgebildete, stabförmige Verbindungselemente miteinander gekoppelt sind. Die Verbindungselemente sind zu diesem Zweck in maximal vom Syctemschwerpunkt entfernter Postion mit den Einzelantriebskomplexen verbunden. Im Bereich der Koppelstellen der Einzelkomplexe weisen die Verbindungs-. elemente Ausnehmungen auf, die horizontal zu deren Achse in die Verbindungselemente eingebracht sind. Vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungselemente an gleicher Stelle zusätzlich an der zur Fläche der Einzelkomplexe weisenden Fläche eine weitere Ausnehmung oder eine Freifläche aufweisen. Es ist auch möglich, die Verbindungselemente aus jeweils mindestens zwei mittels Distanzstücken abstandsweise mit den Einzelkomplexen verbundenen Blattfederelementen zu versehen, wobei die Distanzstücke jeweils über den Einzelkomplexen angeordnet und gemeinsam mit den Blattfederelementen an den Einzelkomplexen befestigt, beispielsweise verschraubt, sind.According to the invention the object is achieved in that the rotor consists of a system of symmetrical juxtaposed single drive complexes, which in turn are coupled together by provided on its upper side and designed as a parallel slotted mandrel, rod-shaped connecting elements. For this purpose, the connecting elements are connected to the individual drive complexes in a position which is at a maximum distance from the center of gravity of the system. In the area of the coupling points of the individual complexes, the connection. elements recesses, which are introduced horizontally to the axis in the connecting elements. It is advantageous if the connecting elements additionally have a further recess or an open surface at the same point on the surface facing the surface of the individual complexes. It is also possible to provide the connecting elements of at least two spacers spaced apart with the individual complexes connected leaf spring elements, wherein the spacers each arranged over the individual complexes and fastened together with the leaf spring elements to the individual complexes, for example screwed are.

Die Wirkungsweise der neuen Lösung ist gegenüber bekannten Einrichtungen unverändert, d.h. bei Anliegen eines definierten. Arbeitsluftdruckee in den Einzelkomplexen und damit verbundenem Aufbau eines Luftlagerspaltes zwischen dem Läufer und der Grundplatte ist der Läufer bei entsprechender elektrischer Ansteuerung der Magnetsystem relativ zur Grundplatte in x- oder y-Richtung verschiebbar.The mode of action of the new solution is unchanged from known devices, i. when concerns a defined. Arbeitsluftdruckee in the individual complexes and associated construction of an air bearing gap between the rotor and the base plate is the rotor with a corresponding electrical control of the magnet system relative to the base plate in the x or y direction displaced.

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embodiment

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispioles und anhand von 6 Zeichnungen näher erläutert. Ia don zugehörigen Zeichnungen zeigen schomatisch:The invention will be explained in more detail with reference to a Ausführungsbeispioles and with reference to 6 drawings. Ia don associated drawings show schomatically:

Figure 1 shows the runner in side view on the guide plate. Figure 2 shows the rotor in plan view. Fig. 2a) a detailed solution of the connecting elements;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch einen Antriebsblock in Positionierrichtung;3 is a sectional view through a drive block in the positioning direction.

Fig. 4 das Wirkprinzip der Verbindungselemente als Parallelfedersystem;4 shows the operating principle of the connecting elements as a parallel spring system.

Fig. 5 die Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie gemäß Fig. 15 shows the sectional view along the section line according to FIG. 1

Gemäß Fig. 1 und Fig. 2 besteht der Läufer für eine Zweikoordinatenpositioniereinrichtung aus einem die Nutzlast tragenden Antriebsblock 1 für die x-Bewegung sowie zwei Antriebsblöcken 2 für die Bewegung entlang der y-Koordinate. Die Antriebsblöcke 1 und 2 sind an dem vom Systemschwerpunkt am weitesten entfernten Punkt, im vorliegenden Beispiel an der äußersten Kante der Antriebsblöcke 1; 2, mit je einem Verbindungselement 3 durch Schrauben 4 miteinander gekoppelt. Im Bereich der Koppelstellen 5 zwischen jeweils zwei Komplexen 1; 2 sind in den Verbindungselementen 3 horizontal Ausnehmungen 6.1 eingebracht und weiterhin sind an gleicher Position, jedoch zu den Oberflächen der Antriebsblöcke 1; 2 gerichtet, Ausnehmungen 6.2 in den Verbindungselementen 3 vorgesehen. Durch Ausbildung eines Luftspaltes 8 aufgrund eines anliegenden Arbeitsluftdruckes ist der gesamte Antriebsblock, bestehend aus den Einzelsystemen 1; 2, in Verbindung mit einem gleichzeitig wirkenden Magnetsystem, auf der Grundplatte 7 verschiebbar.1 and 2, the rotor for a two-coordinate positioning device consists of a load-carrying drive block 1 for the x-movement and two drive blocks 2 for the movement along the y-coordinate. The drive blocks 1 and 2 are at the farthest point from the system center of gravity, in the present example at the outermost edge of the drive blocks 1; 2, each with a connecting element 3 by screws 4 coupled together. In the area of the coupling points 5 between two complexes 1; 2 are recesses 6.1 introduced horizontally in the connecting elements 3 and continue to be at the same position, but to the surfaces of the drive blocks 1; 2 directed, recesses 6.2 provided in the connecting elements 3. By forming an air gap 8 due to an applied working air pressure of the entire drive block, consisting of the individual systems 1; 2, in conjunction with a simultaneously acting magnet system, on the base plate 7 slidably.

In der Fig. 2a ist der prinzipielle Aufbau einer Variante .,ines Verbindungselementes 3 dargestellt, wobei Ausnehmungen 6.11 durch die Anordnung von Di^tanzsvücken 30 zwischen wenigstens zwei federelastischen Teilen 3.1 vorgesehen sind, im Bereich der Koppelatellen 5 gebildet worden. Ebenso sind in analoger Weise zu Fig. 1 Ausnehmungen ό.Cl an den Koppelstellen 5 vorgesehen. 'In Fig. 2a, the basic structure of a variant., Ines connecting element 3 is shown, wherein recesses 6.11 are provided by the arrangement of Di / tanzsvücken 30 between at least two resilient parts 3.1, in the region of the coupling satellites 5. Similarly, recesses ό.Cl are provided at the coupling points 5 in an analogous manner to FIG. '

Die Flg. 3 stellt den prinzipiellen Aufbau eines Antriebsblocken 1; 2 in einem Oetailschnitt und seine Beziehung zur Grundplatte 7 dar. Zur Erzielung eines Magnetfeldes sind in einem Rahmen 11 Spaltpole 12 befestigt, die jeweils die Spulenseite einer Wicklung 13 enthalten und an ihrer Unterseite mit einem Plastwerkstoff 14.1 ausgefüllte Nuten 14 aufweisen. Weiterhin sir.d innerhalb des Antriebskomplexes Luftdüsen 15 vorgesehen, die über eine Bohrung 16 mit einem Luftversorgungskanal 17 verbunden sind. Oeweils zwei Spaltpole 12 sind mittels eines Permanentmagneten 18 magnetisch verkoppelt, so daß sich ein magnetischer Kreis entsprechend der Feldlinien 19 bildet. Unter dem Einfluß der magnetischen Anziehungskräfte der Spaltpole 12 zu der Grundplatte 7 bildet sich bei Anliegen eines definierten Ärbeitsluftdruckes und dessen gerichteter Wirkung gegen die Grundplatte 7 ein Luftlagerspalt 20 aus, der eine Größe von etwa 10...20.um aufweist und eine hohe Federsteife besitzt.The Flg. 3 shows the basic structure of a drive block 1; 2 in an Oetailschnitt and its relationship to the base plate 7 to achieve a magnetic field 11 poles 12 are fixed in a frame, each containing the coil side of a winding 13 and on its underside with a plastic material 14.1 filled grooves 14 have. Furthermore sir.d provided within the drive complex air nozzles 15 which are connected via a bore 16 with an air supply duct 17. Oeweils two split poles 12 are magnetically coupled by means of a permanent magnet 18, so that a magnetic circuit corresponding to the field lines 19 forms. Under the influence of the magnetic attraction forces of the split poles 12 to the base plate 7 is formed at concern of a defined Ärbeitsluftdruckes and its directed action against the base plate 7 from an air bearing gap 20, which has a size of about 10 ... 20.um and a high spring stiffness has.

Die Fig. 4 stellt das Wirkprinzip der Parallelfederanordnung der Verbindungselemente 3 bei Fertigungsungenauigkeiten der Antriebsblöcke 1; 2 dar. Durch die gegenüber der Luftlagerwirkung geringere Steifigkeit der Parallelfederanordnung werden praktisch die Dickenabweichungen von der Parallelfeder kompensiert. Das wiederum bewirkt unter den praktisch realisierbaren Fertigungstoleranzen einen optimalen Arbeitsluftspalt zwischen Antriebsblock bzw. dem Läufer und der Grundplatte 7, womit die Ebenheit der Läuferunterseite über alle Antriebsblöcke 1; 2 durch die hohe Biegesteifigkeit der Verbindungselemente 3 gewährleistet wird.4 shows the operating principle of the parallel spring arrangement of the connecting elements 3 in manufacturing inaccuracies of the drive blocks 1; 2 dar. The lower compared to the air bearing effect stiffness of the parallel spring arrangement virtually the thickness deviations are compensated by the parallel spring. This in turn causes under the practically realizable manufacturing tolerances an optimal working air gap between the drive block or the rotor and the base plate 7, whereby the flatness of the rotor underside over all drive blocks 1; 2 is ensured by the high bending stiffness of the connecting elements 3.

Die Fig. 5 stellt dar, daß bei Einwirkung einer außerfPittig angreifenden Kraft F auf den die Nutzlast 9 tragenden Antriebsblock 1 für die κ-Bewegung die Verbindungselemente 3 auf Verdrehung beansprucht werden und sich die Kraft F anteilig auf die Antriebsblöcke 2 für die y-Bewegung überträgt.FIG. 5 shows that when an external force F acting on the payload 9 carrying drive block 1 for the κ movement, the connecting elements 3 are claimed to be twisting and the force F proportional to the drive blocks 2 for the y-movement transfers.

Die Teilung eines Läufers der beschriebenen Art hat gegenüber der großflächigen Fertigung den Vorteil, daß Fertigungsunebenheiten beim Betrieb eines Läufers selbsttätig weitestgehend ausgeglichen werden. Weiterhin lassen sich die Einzelblöcke mechanisch weitaus günstiger bearbeiten, da ihr Aufbau einfacher und ihre Fläche geringer ist. Die beispielsweise durch die Bearbeitung des Werkstoffes ein- ' tretende Temporaturänderungen lassen sich günstiger beeinflussen, als bei einer vergleichsweise dreimal größeren Fläche. Weiterhin lassen sich die in x- und y-Richtung verlaufenden Nutanordnungen justieren, indem die entsprechenden Blöcke zueinander verstellbar sind. Kippbewegungen eines Antriebsblockes werden wegen der gegenüber Parallelverschiebung weichen jedoch biegesteifen Parallelfederanordnung zwischen benachbarten Antriebsblöcken unterdrückt.The division of a rotor of the type described has over the large-scale production has the advantage that manufacturing irregularities in the operation of a runner are automatically compensated as far as possible. Furthermore, the blocks can be machined much cheaper mechanically, since their structure is simpler and their area is smaller. The temp changes which occur, for example, as a result of the processing of the material can be influenced more favorably than in the case of a surface that is comparatively three times larger. Furthermore, the groove arrangements extending in the x and y directions can be adjusted by making the corresponding blocks mutually adjustable. Tilting movements of a drive block are suppressed because of the parallel displacement soft but rigid parallel spring arrangement between adjacent drive blocks.

Claims

claim

Ι "runner for an air-mounted, electromagnetic linear drive system, especially for a Zweikoordinatenpositioniereinrlchtung for generating a relative movement along the x- and y-axis of a stationary base plate consisting AU3 a rigid, plate-shaped body with means for the workpiece holder, and air supply and integrated x- and Y-oriented magnetic devices, characterized in that the rotor consists of a system of symmetrically juxtaposed single drive complexes (1; 2), which in turn are coupled by provided on its upper side or edge surface and formed as parallel springs, bar-shaped connecting elements (3), wherein the connecting elements (3) are arranged at a maximum possible distance from the center of gravity and are connected to the individual complexes (1; 2).

2. Device according to item 1, characterized in that the connecting elements (3) in the region of the coupling points (5) of the individual complexes (1, 2) have horizontal, perpendicular to the axis of which recesses (6.1 6.1).

3. Device according to item 1 and 2, characterized in that the connecting elements (3) consist of at least two by means of spacers (30) spaced apart with the individual complexes (1; 2) connected leaf spring elements (3.1).

- For this 2 sheets drawings -