CN1140913C - 工件振动缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种在精密加工系统中支承工件的设备。该设备包括许多基本上在一个平面上支承工件的工件接触部件以及用于减小工件振动的顺从静摩擦支承件。该工件支承装置包括连接于工件接触部件和顺从静摩擦支承件的底座部件。该顺从静摩擦支承件包括接触工件的滑动组件。该滑动组件与底座部件形成滑动的摩擦连接。该顺从静摩擦支承件还包括用于迫使滑动组件与工件接触的工件接触弹簧部件。该顺从静摩擦支承件还包括静摩擦弹簧部件。该静摩擦弹簧部件与滑动部件接触。静摩擦弹簧部件迫使滑动部件与底座部件形成摩擦接触。因此，顺从静摩擦支承件抵抗振动力刚性地支承工件。

Description

工件振动缓冲器

技术领域

本发明涉及在精密加工系统中例如在聚焦离子束系统或电子显微系统中用于支承工件例如半导体晶片的设备。

背景技术

聚焦离子束(FIB)系统既可用来使工件成像，又可用来蚀刻工件例如微区机加工该工件。现有的FIB一般将工件支承在固定的刚性工件接触部件上。

固定在FIB机或电子显微镜上的工件例如晶片除非被牢固夹住，否则容易在刚性工作接触部件之间的区域内发生振动。在晶片制造厂的噪声环境下这是一个特别大的问题。晶片振动造成像的质量下降，或在微区机加工时形成缺陷。

另外，晶片通常有些弯曲。弯曲的晶体对精密加工系统增加了聚焦困难。在大气条件下精密加工系统通过在晶片下面形成局部真空来牢固固定晶片。低压迫使晶片与衬板接触，大气压力作用在整个晶面上。因为晶片接触衬板上许多的点，所以用局部真空进行紧固可以减小晶片弯曲。另外，也缩短了晶片的未支承的最大跨距，因而增加了晶片的可能振动频率。

但通常的精密加工系统例如FIB将晶片放在真空中进行加工。在真空中加工便不能应用上述局部真空固定法。此时精密加工系统可以用静电力来代替局部真空吸持力。如用真空吸持力一样，静电力可以作用在整个晶面上。然而存在一个很大的问题。即达到这种静电力的设备很贵，而且一般不能产生很大的力。容易发生高压击穿而损坏晶体。而且形成的静电场会使离子或电子束发生不希望有的偏转。另外，在切断发生静电力的电源后，用静电力的系统很难松开晶片。

精密加工系统也可以用机械夹紧力来代替静电力。但是，将机械夹紧力作用在除晶体边缘外的任何晶体表面上均会妨碍和损伤工作区域。另外，在晶体边缘的机械夹紧力不能确保晶片接触除晶片边缘或其它局部区域外的其它基本上平的衬板，因为晶片通常稍有弯曲或者不是绝对平的。衬板可以设计成其曲率大于晶片的最大可能曲率。然而弯曲的衬板和相应弯曲的晶片增加了精密加工装置的聚焦困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种在精密FIB系统中用于支承工件的设备。

本发明的另一目的是提供一种可以减小工件振动的工件支承设备。

本发明的再一目的是提供一种很容易制造和修理并且成本低的工件支承设备。

本发明的又一目的是提供一种可以在真空中有效操作的工件支承设备。本发明的其它目的可以从下面说明明显看出来和部分地表现出来。

根据本发明的一个方面，提供了一种在精密加工系统中用于支承工件的设备，上述设备包括：一组支承工件的工件接触部件，上述一组工件接触部件基本上形成一个平面；一组顺从的静摩擦支承装置，与上述接触部件一起安装在一底座部件上，并配置成对工件的刚性支承来抵抗振动力，以减少工件垂直于该平面的振动；该底座部件支承上述一组工件接触部件的各个部件以及上述顺从静摩擦支承装置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种加工工件的设备，该工件在选定位置具有一表面，上述设备包括：一底座部件；一套或多个工件接触部件，安装在上述底座部件上，各个工件接触部件设置成相对于上述底座部件在基本上固定的位置处啮合上述工件；一套或多个顺从静摩擦支承组件，安装在底座部件上，各个顺从静摩擦支承组件设置成相对于底座部件在一选定位置处啮合工件，由此上述一套顺从静摩擦支承组件反抗振动力刚性地支承工件，从而减小工件振动；一加工工具，该加工工具与上述底座一起安装，以便加工工件的选定区域。

本发明的设备在精密加工装置例如FIB系统或电子显微系统中支承工件。在一个优选实施例中，一工件支承设备包括一组工件接触部件和承载在一底座部件上的顺从的静摩擦支承。该工件接触部件使工件大体保持在一个平面内。该可顺从的静摩擦支承件反抗振动力刚性地支承工件，因而减小工件的振动。

当将工件放置在工件接触部件和可顺从的静摩擦支承上时，该静摩擦支承在工件重量的作用下被压下。一旦静摩擦支承由工件下压后达到静止状态，静摩擦支承必须克服静摩擦力以再次运动。该顺从的静摩擦支承基本上位于由工件接触部件形成的平面内。

按照本发明的一个实施例，一顺从静摩擦支承包括一用以接触工件的滑动组件。该滑动组件与底座部件成滑动摩擦连接。例如，在一个实施例中，滑动组件可滑动地装在底座部件的滑动件容放腔中。按照此实施例，顺从的静摩擦支承具有一工件接触弹簧部件，该弹簧部件装在滑动组件和底座部件的滑动件容放腔的底部之间。该工件接触弹簧部件弹性地迫使滑动组件与工件接触。当滑动组件在工件重力的作用下压缩工件接触弹簧部件时，该弹簧部件提供的力不大于支承工件重量所必需的力。因此工件接触部件承受一部分工件重量。在优选实施例中，压缩的工件接触弹簧部件提供的力足以支承约一半的工件重量，而工件由工件接触部件同时地支承。此优选实施例可以确保工件与工件接触部件的接触。

顺从的静摩擦支承还包括迫使滑动部件与底座部件摩擦接触的静摩擦弹簧部件。在一个实施例中，静摩擦弹簧部件与底座部件和滑动部件接触。该静摩擦弹簧部件迫使滑动部件与底座部件摩擦接触。在一优选实施例中，静摩擦弹簧部件在操作时提供了在滑动部件上的一个力，该力基本上等于由压缩的工件接触弹簧在滑动组件上提供的力。该滑动部件和底座部件的静摩擦系数优选在0.1～0.7之间，最好在0.2～0.6之间。在另一实施例中，本发明的设备可包括一组顺从的静摩擦支承。

本发明的一个优选实施例设计出一种工件台，该台具有一组靠近工件边缘设置的刚性工件接触部件和位于该刚性工件接触部件之间的一顺从静摩擦支承。该顺从静摩擦支承具有一滑动件，该滑动件至少部分地由基座部件上的滑动件容放腔容纳。一工件接触弹簧配置在滑动件底部和滑动件容放腔底部之间。该滑动件具有静摩擦弹簧容放腔，具有一面向滑动件容放腔的侧壁的开口。一静摩擦弹簧至少部分地装在滑动件的静摩擦弹簧容放腔内。

因此，当将工件放在刚性工件接触部件上时，它便接触顺从静摩擦支承的滑动件并压下工件接触弹簧。滑动件与工件接触地向下运动。静摩擦弹簧部件使滑动件压靠在滑动件容放腔的表面上，导致在滑动件和滑动件容放腔的表面之间形成摩擦。这种在滑动件和滑动件容放腔表面之间的摩擦减小了滑动件的振动以及由滑动件支承的工件的该部分的振动。

参考下面的详细说明和附图可以充分地显示本发明的这些和其他特征。

附图说明

图1是聚焦离子束系统的示意图，该系统包括本发明的支承工件的装置；

图2是横截面图，示出图1所示的用于支承工件的装置的一部分；

图3是顶视图，示出图1所示用于支承工件的装置的一部分；

图4是横截面图，示出图1所示工件支承装置的顺从摩擦支承件；

图5是沿图4的线5-5截取的横截面图，示出顺从静摩擦支承件的静摩擦组件；

图6A～6C是曲线图，示出作用在图1、2所示顺从静摩擦支承件滑动件上的力和该滑动件速度之间的关系；

图7是另一实施例的顶视平面图，示出图1所示工件支承装置的一部分；

图8是再一实施的顶视平面图，示出图1所示工件支承装置的一部分。

具体实施方式

图1示出在一种精密加工系统中例如FIB系统12中用于支承工件10的装置11。Ward等提出的美国专利No.4 874 947详细说明了FIB系统，该专利已作为参考文献包含在本文中。图2和3是图1所示的用于支承工件10的装置11的一部分的视图。在图1～3中，装置11包括一个顺从静摩擦支承件18，该支承件位于工件10的中部，在靠近工件的边缘稍为固定。图4和5是视图；示出图1～3所示顺从静摩擦支承件的至少一部分。如图7所示，对于较大的工件可以应用附加的顺从静摩擦支承件。如图1～4和5所示，工件10基本上被支承在水平面上即由注明的X和Y轴确定的平面上。然而本发明的装置不限于将工件支承在水平面上。例如本发明可以包括具有倾斜台的精密加工系统。

参考图2、4和5，示出的顺从静摩擦支承18可以克服振动力而刚性地支承工件10，当在精密加工系统中作用人将工件10放在工件接触部件14上时，工件便压下顺从静摩擦支承件18的滑动部件26。该滑动部件又压缩小型的工件接触弹簧部件28。该弹簧部件28在压缩时最好提供足以支承工件一半重量的力。

静摩擦弹簧部件22使滑动部件26压靠在其容放腔21的(接地)静摩擦表面19上，使静摩擦对于由顺从静摩擦支承件18支承的工件10a上的该部分而言锁定在地面。静摩擦表面19和滑动部件26之间的静摩擦系数小于约0.5。由静摩擦弹簧部件22作用的力约等于由压缩的晶片接触弹簧部件28产生的力。采用上述结构，该顺从静摩擦支承件18可以支承工件，同时可相对减小工件的小振幅振动。

所示静摩擦支承件18的最大静摩擦力约为工件重量的1％至20％比较好，最好在5％～15％之间。在上述范围的静摩擦力可以减小频率相当高的振动，并同时使静摩擦支承件保持对工件重量的顺从性。例如，在晶片制造环境中遇到的激发振动约在晶片重量的0.1％。因此，上述最大静摩擦力大到足以使晶片部分静止不动。

图6A～6C示出作用在顺从静摩擦支承18的滑动件上的力和该滑动件的速度之间的关系。非摩擦力包括由工件10的重量形成的力以及由接触弹簧部件28产生的力。振动力包括各种振动源，包括靠近装置11的风扇。

如图6A～6C所示，根据本文中作为参考文献的J.P.DenHartog的“Mechanical Vibrations(1956，P290，McGraw-Hil1)”，在干摩擦中，摩擦元件保持不动(零相对速度)，直到驱动力达到“最大静摩擦力”40、41，在此点开始相对运动，并且摩擦力下降到不依赖于速度的数值42、43。

在放上工件10时，如图6A所示，由工件重量形成的用箭头44表示的力减去由接触弹簧产生的用箭头45表示的力后仍比用点41表示的最大静摩擦力大出量48，而且工件10压缩接触弹簧部件28。因此工件10依靠在工件接触部件14上，该接触部件支承一部分工作重量。工作由工件接触部件14和顺从静摩擦支承件18支承的状态示于图6B。由静摩擦支承件支承的重量部分形成由箭头46表示的作用在静摩擦支承件18的力。在图6B所示的状态下，力46减去周箭头47表示的接触弹簧力不足以克服静摩擦力，所以工件由滑动件支承而保持不动。

在图6C中，除去工件重量，用箭头49表示的接触弹簧力克服静磨擦力而使滑动部件向上运动。最大静摩擦力由静摩擦弹簧部件22形成的力以及滑动部件26和容放腔21的静摩擦表面19之间的静摩擦系数确定。

一当滑动部件26在由工件压缩后达到静止时，滑动部件不会在垂直于工件的平面上发生振动，除非振动力加上接触弹簧力超过最大静摩擦力。在工件保持与滑动部件接触的条件下，当滑动部件不振动时，由滑动部件支承的工件部分也不会振动。

图7示出本发明的工件支承装置另一实施例的顶视平面图，该实施例包括多于一个的顺从静摩擦支承件18。这些顺从静摩擦支承件18基本上位于由工件接触部件14形成的平面内。换言之，在一个实施例中，工件接触部件14形成大体水平面。

按照优选实施例，本发明可以通过配置支承件18而最有效地减小工件振动。本发明的一个实施例将支承件18放在工件10的较大的未支承区域的中部。当精密加工系统采用许多顺从静摩擦支承件时，由压缩的工件接触弹簧部件提供的合力最好基本上不超过支承工件重量一半所需的力。可在工件支承装置上配置为减小工件接触件之间未支承区域振动所需的因而为限制晶片振动共振频率所需的那么多顺从静摩擦支承件18。

工件接触部件14较好的是总共支承工件重量的至少四分之一，而静摩擦支承件18较好的是总计支承工件重量的至少四分之一。工件接触部件14最好总共支承工件重量的约一半，而静摩擦支承件18最好总共支承重量的约一半。如果接触部件14支承太多的工件重量，则工件容易产生高频振动。而如果摩擦支承件18支承太多的工件重量，则工件会整个地响应扰动而移动。

图8所示的本发明工件支承装置的再一实施例包括多于三个的工件接触部件14。在示例性的实施例中，工件支承装置包括四个工件接触部件和一个居中的顺从静摩擦支承件18。本发明还考虑到工件接触部件和顺从静摩擦支承件的任何有效部件、其有效组合以及其布放。在加工相当大工件时，应用更多的接触部件和静摩擦支承件是有利的。而且仍然是，工件接触部件14最好总共支承工件重量的一半，而静摩擦支承件18最好也总共支承工件重量的约一半。

因此可以看到，除从上面说明中可以明显看出的目的外还可正式获得上述目的。因为在上述结构中可以进行某些改变而不超出本发明的范围，所以我们的设想是，包含在上述说明中的以及示于附图中的内容只能是例示性的而没有限制意义。而且还应当明白，下面的权利要求书预定包含本文所述发明的所有一般的和特有的特征以及本发明范围的所有描述，这种描述在语言上可以说成为其间是一致的。

尽管已说明本发明，但由专利证附加和确定的权利要求书是如下。

Claims (9)

1.一种在精密加工系统中用于支承工件的设备，上述设备包括：

一组支承工件的工件接触部件，上述一组工件接触部件基本上形成一个平面；

一组顺从的静摩擦支承装置，与上述接触部件一起安装在一底座部件上，并配置成对工件的刚性支承来抵抗振动力，以减少工件垂直于该平面的振动；

该底座部件支承上述一组工件接触部件的各个部件以及上述顺从静摩擦支承装置。

2.如权利要求1所述的设备，其中上述顺从静摩擦支承装置包括接触上述工件的滑动装置，上述滑动装置与上述底座部件成滑动、摩擦连接。

3.如权利要求2所述的设备，其中上述顺从静摩擦支承装置还包括工件接触弹簧装置，此弹簧装置弹性推压上述滑动装置，使其与上述工件接触。

4.如权利要求3所述的设备，其中在工件由上述工件接触部件支承时，上述工件接触弹簧提供的力不大于支承工件重量所需的力。

5.如权利要求3所述的设备，其中上述顺从静摩擦支承装置还包括与上述滑动装置接触的静摩擦弹簧装置，上述静摩擦弹簧装置用于弹性推压上述滑动装置，使其与上述底座部件摩擦接触。

6.如权利要求3所述的设备，其中当工件由上述工件接触部件支承时，上述工件接触弹簧提供的力基本上不大于支承工件一半重量所需的力。

7.如权利要求6所述的设备，其中静摩擦弹簧装置操作时提供了一在滑动装置上的力，该力基本上等于工件接触弹簧装置在滑动装置上提供的力。

8.如权利要求5所述的设备，其中上述滑动装置和上述底座部件之间的静摩擦系数大体在0.2～0.6之间的范围内。

9.一种加工工件的设备，该工件在选定位置具有一表面，上述设备包括：

一底座部件；

一套或多个工件接触部件，安装在上述底座部件上，各个工件接触部件设置成相对于上述底座部件在基本上固定的位置处啮合上述工件；

一套或多个顺从静摩擦支承组件，安装在底座部件上，各个顺从静摩擦支承组件设置成相对于底座部件在一选定位置处啮合工件，由此上述一套顺从静摩擦支承组件反抗振动力刚性地支承工件，从而减小工件振动；

一加工工具，该加工工具与上述底座一起安装，以便加工工件的选定区域。

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