一种半导体石英晶圆空间角度一体化精密调节装置的制作方法

1.本发明属于半导体晶圆装夹设备技术领域，特别是涉及一种半导体石英晶圆空间角度一体化精密调节装置。


背景技术：

2.在光学元器件生产加工过程中，例如半导体晶圆的生产加工，无论是进行加工还是进行检测，都需要先对光学元器件进行固定。而光学元器件本身的精度要求很高，在加工时需要对被固定的光学元器件进行各个方位的调整，以满足对该光学元器件的加工或检测。在对光学元器件的位置和角度进行调整时，调整的速度影响着加工或检测的效率。
3.在对光学元器件的位置进行调整时，需要采用到固定光学元器件的工装夹具，而相比高度、水平位置的调整而言，对角度调整的难度明显更高。现有技术中，存在对光学元器件角度调节过程中转动不平滑的情况。在转动不平滑时，会在转动过程中出现卡顿的问题，而这种情况则会导致在角度调节过程中很难将角度调节到精确值。所以现有技术中对光学元器件进行固定的工装夹具在转动时的平滑度不够会严重影响到角度调整的精确度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种半导体石英晶圆空间角度一体化精密调节装置，该调节工装利用球体作为支撑点，在对固定在工装上的光学元器件进行角度调节时，工装在绕球体表面转动，绕球体表面转动可以确保转动的平滑性，使得对光学元器件角度的调整能够灵敏、平滑地进行。
5.为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现的：一种半导体石英晶圆空间角度一体化精密调节装置，包括固定座和调节座，所述固定座与调节座之间设置有支撑球和若干弹簧，所述若干弹簧的两端分别与固定座和调节座固定连接，所述支撑球的上端和下端分别抵靠于调节座和固定座上，所述若干弹簧均处于拉伸状态，所述调节座上设置有调节螺钉，所述调节螺钉与调节座通过螺纹连接，所述调节螺钉的螺柱部分抵靠在固定座上。所述固定座和调节座在若干弹簧的弹力作用下会压紧用于支撑的支撑球和调节螺钉。所述固定座作为底座，为若干弹簧提供了一个基底，而调节座上方用于固定如光学元器件一类的装置，通过改变调节座的角度来改变调节座上装置的角度。在进行角度调节时，可以通过拧动调节螺钉来改变固定座和调节座之间某一处的间距。当固定座和调节座之间某一处的间距增大时，若其它位置的调节螺钉没有被拧动，那么固定座与调节座之间的角度会发生变化。而由于支撑球是球体，因此在固定座与调节座之间的角度发生变化时，固定座与调节座之间的角度从任意方向的变化，固定座与支撑球的连接处都是半径相同的球面，调节座与支撑球的连接处也都是半径相同的球面。因此，即使固定座与调节座之间的角度向任意方向发生变化，固定座与支撑球、调节座与支撑球的接触面形状都是不变的，这也就使得固定座与调节座之间发生角度变化时能够沿着支撑球的球面平滑地滑动。
6.优选地，所述固定座和调节座上均设置有用于对支撑球定位的圆形凹槽，所述圆形凹槽上至少有一个圆与支撑球的球面相切。固定座和调节座通过圆形凹槽与支撑球连接，使得固定座与支撑球之间的相互受力点分布更均匀。当固定座与支撑球之间的受力点分布均匀的情况下，可以使固定座沿支撑球表面发滑动时的滑动过程更平稳。同理，在调节座上设置圆形凹槽，使得调节座通过圆形凹槽与支撑球连接，也是使调节座作用在支撑球上的受力点更均匀，便于调节座与支撑球发生相对转动时的转动过程更平滑。
7.进一步地，所述圆形凹槽的面为球形面，所述球形面的半径与支撑球的半径相同。当圆形凹槽的形状与支撑球的球面完全契合时，以固定座为例，固定座与支撑球之间的压力则均匀分布在相接触的球面上，使固定座与支撑球之间的接触位置为接触面，减小了固定座与支撑球之间的压强，避免长时间的高压强作用使得支撑球表面出现变形。
8.本发明具有以下有益效果：本发明在调节角度时，固定座与调节座之间以支撑球为转动中心进行角度调节，在固定座与调节座在发生相对转动时，固定座与调节座相对支撑球的运动则是沿球面相对滑动，因此使得固定座与调节座之间可以沿球面平滑地向任意方向发生角度变化，使固定座与调节座之间的角度调整更平稳、角度调整更为精确。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
10.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明图1的俯视图；图3为本发明图2中a-a处剖视图；图4为本发明图1的半剖图；图5为本发明图1中垫块位置的剖视图；图6为本发明中垫块的结构示意图。
11.附图中，各标号所代表的部件列表如下：1、调节座，2、台阶孔，3、支撑球，4、固定座，5、垫块，6、螺套，7、外固定环，8、半导体晶圆，9、固定孔，10、内固定环，11、锁定孔，12、锁紧孔，13、滑槽。
具体实施方式
12.下面结合附图，通过本发明实施例的具体实现方式，对本发明技术方案进行清楚、完整地说明。
13.请参阅图1-6所示，本发明为一种半导体晶圆8的角度调节工装，包括固定座4和调节座1，所述固定座4与调节座1之间设置有支撑球3和若干弹簧，所述若干弹簧的两端分别与固定座4和调节座1固定连接，所述支撑球3的上端和下端分别抵靠于调节座1和固定座4上，所述若干弹簧均处于拉伸状态，所述调节座1上设置有调节螺钉，所述调节螺钉与调节座1通过螺纹连接，所述调节螺钉的螺柱部分抵靠在固定座4上。
14.在若干弹簧的弹力作用下，所述支撑球3被固定座4和调节座1之间压紧，使得支撑
球3成为固定座4与调节座1之间的一个支撑点。若干弹簧主要分布在支撑球3的附近，使得固定座4与调节座1在支撑球3附近的受到的弹力最大。因此，在拧动调节螺钉时，无论固定座4与调节座1之间的角度如何变化，固定座4和调节座1都会同时与支撑球3保持连接的状态。当固定座4与调节座1能够始终保持连接状态的情况下，固定座4与调节座1之间的角度变化都会使固定座4或者调节座1与支撑球3的球面发生相对滑动，或者固定座4和调节座1同时与支撑球3的球面发生相对转动。
15.所述调节座1用于固定光学元器件，在光学元器件需要调整角度时，拧动与调节座1传动的调节螺钉，使调节螺钉朝向固定座4的方向活动或者远离固定座4的方向活动。当调节螺钉向固定座4的方向活动时，会使固定座4与调节座1之间的距离扩大，当固定座4与调节座1之间某一处的距离扩大时，固定座4与调节座1依然会保持与支撑球3的连接，那么此时固定座4与调节座1之间的角度也就发生了变化。反之，当调节螺钉朝向远离固定座4的一侧移动，那么固定座4与调节座1没有其他调节螺钉支撑的情况下，固定座4与调节座1之间的间距会缩小，也会使固定座4与调节座1之间的角度发生变化。由于固定座4和调节座1始终与支撑球3保持连接状态，因此在固定座4与调节座1之间的角度发生变化时，固定座4与调节座1中的任意一个或者都与支撑球3的表面发生了相对滑动。
16.正因为支撑球3的形状为球体，支撑球3的表面为球形面，因此在固定座4与球形面的连接处沿着支撑球3的表面滑动时，固定座4与球形面的连接处距离球心的位置是不变的。同理，在调节座1与支撑球3发生相对转动时，调节座1与支撑球3的连接处距离球心的距离也保持不变。固定座4作为调节座1的基底，用于与工作台连接，因此固定座4本身保持位置不变。由于固定座4的位置不变，因此与固定座4保持连接的支撑球3的球心位置也是保持不变的。所以在调节座1与固定座4之间的角度发生变化时，是调节座1沿着支撑球3的球面发生了滑动。这个过程中调节座1与支撑球3的连接处不变，并且是调节座1与支撑球3的连接处沿着支撑球3的球面滑动。因此，调节座1与支撑球3的接触处在滑动过程中接触到的球形面的形状是不变的，使得调节座1与支撑球3的接触处的滑动过程可以平稳地进行。因此，在拧动调节螺钉改变调节座1的角度时，调节座1的角度变化时可以更平滑，调节角度时也更精确。
17.优选地，所述固定座4和调节座1上均设置有用于对支撑球3定位的圆形凹槽，所述圆形凹槽上至少有一个圆与支撑球3的球面相切。更进一步地，所述圆形凹槽的面为球形面，所述球形面的半径与支撑球3的半径相同。在固定座4和调节座1通过圆形凹槽与支撑球3连接时，可以避免支撑球3相对于固定座4和调节座1发生平移。而只要支撑球3与固定座4和调节座1之间不发生平移，那么每次拧动同一个位置的调节螺钉对调节座1角度的改变也就得到了固定。
18.并且采用圆形凹槽与支撑球3的球面相贴，使得固定座4和调节座1都是通过面与支撑球3连接。通过面连接的方式可以进一步增加调节座1角度改变时的平滑性。面连接的方式分散了支撑球3上的受力点，使受力点更多更平均，而受力点更平均的情况下，调节座1与支撑球3的相对滑动也就会更平滑。
19.优选地，所述调节螺钉有三个，三个所述调节螺钉与支撑球3形成调节座1与固定座4之间的四个支撑点，所述四个支撑点的连线为四边形。
20.更进一步地，所述四边形为正方形，正方形以所述支撑球3所在的对角线为基准
线，所述基准线两侧的弹簧对称设置。
21.将支撑球3和三个调节螺钉分别排布在一个正方形的四个角上，便于对角度调节过程中调节方向的控制。由于正方形中支撑球3所在的两条边是相互垂直的，那么这两条边可以作为一个平面坐标的坐标轴。例如，以支撑球3所在的点为原点，以支撑球3所在的横向边为一条对应左右方向的坐标轴，而支撑球3所在的竖向边为一条对应上下方向的坐标轴。在具有坐标系之后，对调节座1的方向控制也就可以更精确。
22.优选地，所述固定座4和调节座1在俯视视角下的形状为正方形，并且在俯视视角下，所述支撑球3和三个所述调节螺杆分别位于固定座4和调节座1的四个角所在的位置。
23.并且在俯视视角下，所述支撑球3和三个所述调节螺钉均位于固定座4和调节座1的对角线上。
24.所述固定座4和调节座1上设置有用于固定弹簧的台阶孔2，并且固定座4上的台阶孔2直径大的一端位于远离调节座1的一侧，而调节座1上的台阶孔2直径大的一端位于远离固定座4的一侧。若弹簧通过销的方式与固定座4和调节座1连接，那么弹簧的种类可以采用两端设置有拉环的弹簧，使用销穿过弹簧两端的拉环，即可对弹簧进行定位。例如使用线、铁丝或者钳子将弹簧的两端拉伸，使弹簧的两端分别穿过固定座4和调节座1上台阶孔2，然后在弹簧两端的拉环中穿入销，此时弹簧会在弹力作用下将拉环压紧在台阶孔2的台阶面上，而固定座4和调节座1也同时通过销受到弹力彼此靠近贴紧。要使销能够抵靠在台阶孔2的台阶面上，销的长度需要根据台阶孔2的两个直径选择，两个直径一个数值大，另一个数值小，而销的长度需要位于两个直径长度之间的数值，使得销能够进入到台阶孔2直径大的一端内，又不能进入到台阶孔2直径小的一端内。
25.在支撑球3与三个调节螺钉所形成的正方形中，所述弹簧位于支撑球3所在的两条边上，以确保支撑球3可以始终保持被固定座4和调节座1压紧的状态。
26.由于调节螺钉的尖端直接抵靠在固定座4上，而调节座1与固定座4之间的角度发生变化后，调节螺钉的尖端与固定座4的连接处会发生一定的位移。为了避免调节螺钉的尖端的滑动对固定座4造成损坏，从而导致对调节座1进行角度调节时角度调节不精准，因此在所述固定座4上设置有垫块5，所述垫块5上设置有滑槽13，所述调节螺钉的尖端抵靠在滑槽13的槽底。
27.所述垫块5的形状为圆柱形，所述固定座4上设置有与垫块5匹配的固定孔9，所述固定孔9内设置有用于支撑垫块5的台阶，所述垫块5位于固定孔9内，底部抵靠在固定孔9内的台阶上，并且所述垫块5可以在固定孔9内绕固定孔9的轴线转动。因此，在调节螺钉设置于调节座1上的情况下，在调节座1相对于固定座4的角度发生变化时，调节螺钉与固定座4的接触位置也就会发生变化。而调节螺钉与固定座4的接触位置发生变化时，调节螺钉的端部会推动滑槽13的侧壁，使得垫块5发生转动，从而使滑槽13的方向与调节螺钉端部的移动方向一致，确保滑槽13对调节螺钉的导向作用。所述滑槽13的中心位于转块5的转动轴线上，因此每次角度调节完毕后，调节螺钉的端部会沿着滑槽13滑动至转块5的转动中心。因此，所述滑槽13还具有对调节螺钉复位和定位检测的作用。当调节螺钉出现偏斜，那么调节螺钉沿滑槽13的滑动也会出现卡顿或者调节座1无法调平的问题。
28.所述滑槽13的截面形状为v字型，因此调节螺钉的端部形状为锥形。锥形的端部使得调节螺钉的位置更精确，锥形的端部的侧面与滑槽13的侧壁相贴，使得调节螺钉与滑槽
13的连接为面连接。面连接的优点在于受力面积大。因此，采用v字型的滑槽13配合锥形端部的调节螺钉，既可以实现对调节螺钉的精准定位，又可以避免滑槽13短时间内被锥形端部的调节螺钉破坏。
29.所述调节座1上设置有螺套6，所述螺套6上设置有螺孔，所述螺套6与调节座1固定连接，螺套6上的螺孔用于与调节螺钉连接。所述调节座1与螺套6通过螺纹连接，所述调节座1上与螺套6连接的孔侧壁上开设有锁紧孔12，用于插入螺钉对螺套6进行锁死。锁紧孔12与螺套6的轴线垂直，使螺钉从螺套6的侧面抵紧螺套6，从而对螺套6的位置进行锁死，避免调节螺钉转动时螺套6跟随转动。设置螺套6可以降低维护成本。在与调节螺钉配合的螺孔长期使用后，该螺孔精度降低无法满足需求时，则可以通过更换螺套6的方式来进行维护，从而降低了维护成本。
30.在如图4所示的实施例中，所述调节座1用于固定需要检测的半导体晶圆8，所述调节座1上设置有用于固定半导体晶圆8的安装孔，所述安装孔上设置有螺纹。安装孔用于与一个外固定环7连接，被检测的圆形的半导体晶圆8则与外固定环7的内圈连接，外固定环7顶部设置有台阶，用于从上端面对光掩膜进行限位，而外固定环7的内圈中也设置有螺纹，用于安装内固定圈，所述内固定圈与外固定圈的内圈通过螺纹连接，从半导体晶圆8的下端面对半导体晶圆8进行限位，从而达到了固定半导体晶圆8的目的。所述调节座1上还开设有锁定孔11，用于插入螺钉对外固定环7进行锁定。所述锁定孔11的轴线与安装孔的轴线垂直，锁定孔11中的螺钉从侧面抵靠在外固定环7上，对外固定环7进行锁定，防止外固定环7在检测过程中发生移动。所述固定座4中部也设置有孔，固定座4上设置孔便于对内固定环10和半导体晶圆8的拆装。通过外固定环7和内固定环10的配合作用，可以对半导体晶圆8的平面角度得到固定，确保每个半导体晶圆8固定后的与调节座1上表面的角度为固定值，从而能够减少对半导体晶圆8实际角度的检测调节过程。所以外固定环7和内固定环10从端面上对半导体晶圆8进行固定，具有减少半导体晶圆8固定后调节繁琐程度的技术效果。而调节次数越少，一可以加快整体检测速度，而是可以减少调节误差，提高检测精度。
31.本发明的结构为一体化结构，在对半导体晶圆8的角度位置调节时，是对半导体晶圆8在三个自由度方向上的角度调节，此处三个自由度指的是空间立体坐标系中三个转动自由度。普通的多自由度调节结构需要通过多个单自由度调节结构叠加组合形成，而每个单自由度调节结构在调节时都会形成误差，多个结构的叠加也会使得误差叠加，从而降低了调节的精度。并且，多个叠加的结构在调节过程中还会出现相互影响的负面效果。因此，本技术对三个自由度的调节均位于同一个结构上，因此调节的误差更小，使得角度调节精度更高，解决了因重叠结构而导致的角度调节精度低的问题。