Brevet FR3033932A1 — publié le 20160923

La présente invention concerne un système de déplacement relatif entre deux plaques, et un dispositif de positionnement comprenant un tel système de déplacement. Plus particulièrement, bien que non exclusivement, la présente invention s'applique à un dispositif (ou machine) de positionnement précis pour l'industrie du semi-conducteur et de l'électronique, en particulier pour la gravure de circuits imprimés ou de semi-conducteurs. Ce système a pour but de permettre le déplacement relatif entre deux plaques présentant une forme générale plane, et qui sont sensiblement parallèles l'une par rapport à l'autre, relativement à un plan donné. Ce déplacement relatif concerne généralement un déplacement « vertical », c'est-à-dire orthogonalement audit plan, associé à une raideur dans ledit plan. Les moyens pour réaliser le découplage sont généralement complexes et relativement encombrants. La présente invention concerne un système de déplacement de ce type permettant de remédier à ces inconvénients et permettant notamment une optimisation avantageuse de différents paramètres selon l'application visée. A cet effet, selon l'invention, ledit système de déplacement relatif entre deux plaques planes sensiblement parallèles à un plan XY défini par une direction dite X et une direction dite Y, est remarquable en ce qu'il comprend une première unité configurée pour autoriser un déplacement relatif entre les deux plaques selon une direction dite Z, qui est orthogonale au plan XY, et empêcher de façon indépendante un déplacement relatif entre les deux plaques dans le plan XY, et une deuxième unité configurée pour autoriser des courses relatives d'une plaque par rapport à l'autre plaque autour des directions X et Y. 3033932 2 Ainsi, grâce à l'invention, on génère une raideur dans le plan XY qui est indépendante de la position en Z, ce qui autorise des courses en Z importantes. On prévoit une indépendance des fonctions, ce qui permet une optimisation de différents paramètres selon l'application considérée 5 (masse du système, encombrement, amplitude des rotations et de la translation, raideurs nécessaires, ...). La présente invention est adaptée plus particulièrement à la micro-électronique. Dans le cadre de la présente invention, les première et deuxième 10 unités peuvent être réalisées de différentes manières. En particulier, ladite première unité peut comprendre, de façon avantageuse, l'un des ensembles suivants : - un ensemble comprenant au moins une douille à billes à un ou deux degrés de liberté ; 15 - un ensemble comprenant au moins une douille à air ; - un ensemble de bagues de guidage ; et - un ensemble de rails à billes ou à galets. En outre, de façon avantageuse, ladite deuxième unité comprend l'un des ensembles suivants : 20 - une lame de découplage ; - une pièce mécanique de découplage ; - un cardan mécanique. Par ailleurs, dans une première variante de réalisation, le système de déplacement comprend une troisième unité configurée pour empêcher 25 un mouvement des plaques autour de la direction Z. Avantageusement, ladite troisième unité comprend l'un des ensembles suivants : - une biellette ; - un ensemble de guidage. 3033932 3 En outre, dans une seconde variante de réalisation, le système de déplacement comprend une quatrième unité configurée pour autoriser un mouvement autour de la direction Z. De façon avantageuse, la quatrième unité comprend l'un des ensembles suivants : 5 - un vérin intégré dans une biellette ; - au moins un moteur linéaire tangentiel. Par ailleurs, dans un mode de réalisation particulier : - la première unité comprend un support fixé sur l'une desdites plaques, le support étant pourvu d'un évidement interne cylindrique d'axe parallèle à 10 la direction Z, à l'intérieur duquel sont montées de façon coaxiale des douilles à billes, l'autre desdites plaques étant liée à une extrémité d'un cylindre plein traversant les douilles à billes ; et/ou - la seconde unité comprend un ensemble de lame de découplage, comportant une structure annulaire externe qui est fixée à l'une desdites 15 plaques, l'ensemble de lame de découplage comprenant un disque pourvu d'une pluralité de lames flexibles, avec une fixation centrale par rapport à l'autre desdites plaques. La présente invention concerne également un dispositif de positionnement qui comporte un système de déplacement tel que décrit ci-20 dessus. Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation 25 particulier d'un système de déplacement. La figure 2 est une vue partielle, en perspective et en coupe, d'un système de déplacement de la figure 1. La figure 3 est une vue éclatée, en perspective, du système de déplacement de la figure 1. 3033932 4 La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 1, sans plaque inférieure. La figure 5 est une vue éclatée, en perspective, des éléments du système de déplacement de la figure 4. 5 Le système 1 (ci-après « système de déplacement 1 ») représenté sur les figures 1 à 5 et permettant d'illustrer l'invention, est un système pour générer un déplacement relatif entre deux plaques 2 et 3 globalement planes. Ces deux plaques 2 et 3 sont agencées sensiblement parallèlement 10 à un plan XY défini par une direction dite X et une direction dite Y. Dans une position dite neutre desdites plaques 2 et 3, elles sont toutes deux complètement parallèles au plan XY. Ces directions X et Y font partie d'un repère R (ou XYZ) qui est représenté sur les figures 1 à 5. Ce repère R destiné à faciliter la 15 compréhension comprend, en plus des directions (ou axes) X et Y formant le plan XY, une direction (ou axe) Z qui est orthogonale audit plan XY. Sur la figure 2, on a représenté un repère R détaillé, comprenant : - pour la direction X, un sens positif (mise en évidence par un flèche +x) et un sens négatif (mis en évidence par une flèche -x) ; 20 - pour la direction Y, un sens positif (mise en évidence par un flèche +y) et un sens négatif (mis en évidence par une flèche -y) ; - pour la direction Z, un sens positif (mise en évidence par un flèche +z) et un sens négatif (mis en évidence par une flèche -z) ; et - des angles OX, OY, et OZ (mis en évidence par des doubles flèches), qui 25 illustrent des rotations, respectivement, autour des axes X, Y et Z. Pour des raisons de clarté, le repère R détaillé de la figure 2 est représenté à l'extérieur du système de déplacement 1. Toutefois, la direction Z passe par un axe vertical central, comme représenté sur les figures 1 et 3 à 5. 3033932 5 Les adjectifs « supérieur » et « inférieur » dans la description ci-après, s'appliquent par rapport au sens défini par la flèche de la direction Z, supérieur étant dans le sens ( +z) de la flèche et inférieur étant dans le sens opposé (-z). 5 La plaque 2 qui est agencée sous la plaque 3, dans le sens ainsi défini, est dite plaque inférieure, et la plaque 3 est dite plaque supérieure. La plaque 2 inférieure, peut-être fixée sur un élément de support (non représenté) via des moyens de fixation, par exemple des vis, traversant des trous 6 visibles dans la plaque 2 (figure 1). 10 Quant à la plaque 3, elle peut supporter des éléments particuliers, qui peuvent être fixés sur elle, via des moyens de fixation, par exemple des vis, traversant des trous 7 visibles dans la plaque 3 (figure 1). La plaque 3 comprend trois parties de plaque 8A, 8B, et 8C similaires, globalement radiales et de forme générale se rétrécissant vers 15 l'extérieur (radialement par rapport à l'axe Z). Ces trois parties de plaque 8A, 8B, et 8C sont liées ensemble en étant uniformément réparties autour de la direction Z. Dans une application préférée, le système de déplacement 1 qui comprend ces deux plaques 2 et 3 fait partie d'un dispositif (ou machine) 20 de positionnement précis pour l'industrie du semi-conducteur et de l'électronique, en particulier pour la gravure de circuits imprimés ou de semi-conducteurs. Selon l'invention, ledit système de déplacement 1 comprend : - une unité 4 configurée pour autoriser un déplacement relatif entre la 25 plaque 2 et la plaque 3 selon la direction Z (qui est donc orthogonale au plan XY) et empêcher un déplacement relatif entre les deux plaques 2 et 3 dans le plan XY ; et 3033932 6 - une unité 5 configurée pour autoriser des courses relatives d'une plaque 3 par rapport à l'autre plaque 2, autour des directions X et Y, comme illustré par des angles OX et OY sur la figure 2. On entend par « déplacement relatif » un déplacement d'une 5 desdites plaques 2 et 3 par rapport à l'autre. L'unité 5 peut générer au choix : - un déplacement relatif autour de la direction X seulement (OX) ; - un déplacement relatif autour de la direction Y seulement (OY) ; ou - un déplacement relatif simultanément autour des deux directions X et Y 10 (X et OY). Les unités 4 et 5 peuvent être réalisées de différentes manières, comme précisé ci-dessous. Ainsi, grâce aux unités 4 et 5, une raideur est générée dans le plan XY qui est indépendante de la position en Z de la plaque 3 par rapport à la 15 plaque 2, c'est-à-dire de la position relative entre les deux plaques 2 et 3, ce qui autorise des courses en Z importantes. Dans le système de déplacement 1, on prévoit une indépendance des fonctions, ce qui permet une optimisation des différents paramètres selon l'application visée (masse du système, encombrement, amplitude 20 des rotations et de la translation selon Z, raideurs nécessaires, ...). La présente invention est particulièrement bien adaptée à de la micro-électronique. En effet, les équipements de positionnement de composants, y compris des plaques ou des semi-conducteurs (wafers), sous des optiques, nécessitent les caractéristiques mécaniques suivantes : 25 raideur dans les axes X et Y pour garantir de faibles temps de stabilisation lors de déplacements à forte dynamique, mouvements en Z pour adapter des distances focales, ajustement de l'assiette du plan de l'objet avec le plan focal. 3033932 7 Comme représenté par la figure 1, les deux plaques 2 et 3, de forme générale plane, sont donc montées sensiblement parallèlement l'une par rapport à l'autre et par rapport du plan XY. L'unité 4 permet un déplacement (translation) de la plaque 3 par rapport 2 à la plaque selon la 5 direction Z dite verticale. Cette unité 4 empêche également un déplacement (translation) de la plaque 3 par rapport à la plaque 2 selon la direction X et/ou selon la direction Y. Pour ce faire, dans l'exemple représenté, l'unité 4 comprend deux douilles à billes 10 et 11 qui pénètrent dans un support 12 monté en 10 saillie par rapport à la plaque 2, comme visible notamment sur les figures 2 et 3. Ce support 12 présente une forme allongée avec un évidement interne cylindrique 13 d'axe parallèle à la direction Z et un contour externe conique 14 s'élargissant vers l'extrémité inférieure 15, et il comprend un 15 rebord annulaire 16 prévu à son extrémité inférieure 15 (figure 5). Le support 12 pénètre par son extrémité inférieure dans une ouverture circulaire 17 pratiquée dans la plaque 3, et il est fixé, par exemple par l'intermédiaire de vis 18, via le rebord annulaire 16, à la plaque 2, le rebord annulaire 16 reposant sur la face supérieure 2A de la plaque 2 20 (figure 2). A l'intérieur de l'évidement cylindrique 13 sont montées de façon coaxiale, l'une au-dessus de l'autre dans la direction Z, les deux douilles à billes 11 et 12 similaires. La plaque 3 est liée à une extrémité supérieure d'un cylindre plein 25 19 (figure 2) traversant les douilles à billes 10 et 11, via un ensemble de maintien 20. Le cylindre plein 19 peut coulisser suivant la direction Z. Comme le cylindre plein 19 est solidaire de la plaque 3 et le support 12 est solidaire de la plaque 2, ce coulissement représente un guidage vertical selon la 3033932 8 direction Z entre la plaque 3 et la plaque 2. De plus, un déplacement relatif est empêché dans le plan XY. En outre, dans l'exemple représenté sur les figures, l'unité 5 comprend un ensemble 22 de lame de découplage. Cet ensemble 22 de 5 lame de découplage comporte une structure annulaire externe 23 qui est fixée sur un rebord 24 de la plaque 3 (figure 2). Ce rebord 24 de la plaque 3 est formé dans le contour interne d'une ouverture circulaire pratiquée dans la plaque 3. L'ensemble 22 de lame de découplage comprend un disque 25 10 pourvu par exemple de quatre lames 26A, 26B, 26C, 26D, uniformément réparties autour de l'axe Z et se rejoignant dans une partie centrale 28 (figure 5). Cette partie centrale 28 est pourvue d'une ouverture 29 permettant de recevoir une vis 30 (de l'ensemble de maintien 20) destinée à pénétrer dans un évidement cylindrique fileté du cylindre plein 19. Le 15 nombre et l'épaisseur des lames sont définis en fonction de la raideur XY souhaitée et de l'amplitude autour de X et de Y nécessaire à l'application envisagée. L'ensemble 22 de lame de découplage présente, grâce aux lames 26A à 26D, une certaine flexibilité. Cette flexibilité autorise un léger 20 mouvement de la plaque 3 par rapport à la plaque 2, autour des axes X et Y, comme illustré par les angles OX et OY sur le référentiel R (figure 2). L'unité 4 peut être réalisée de différentes manières, dont la manière préférée représentée sur les figures. A titre d'illustration, ladite première unité 4 peut comprendre : 25 - un ensemble de douille(s) à billes à un ou deux degrés de liberté (permettant une rotation et une translation), comme l'ensemble comprenant les douilles à billes 10 et 11 (figure 2) ; - un ensemble de douille(s) à air (mettant en oeuvre un guidage aérostatique sans friction) ; 3033932 9 - un ensemble de bagues de guidage (par exemple en bronze, avec un revêtement antifriction) ; et - un ensemble de rails à billes ou à galets. Dans le cas où une rotation autour de l'axe Z est prévue, comme précisé ci-dessous, ce dernier 5 ensemble peut comporter un roulement. L'unité 5 peut également être réalisée de différentes manières, dont la manière préférée représentée sur les figures. A titre d'illustration, ladite unité 5 peut comprendre l'un des ensembles suivants : - une lame de découplage, de type monocouche ou multicouche ; 10 - une pièce mécanique de découplage (réalisée par découpe au fil ou par usinage usuel) ; - un cardan mécanique (avec un croisillon et des roulements, ou un assemblage de bagues et d'articulations,...). Par ailleurs, dans un premier mode de réalisation particulier, le 15 système de déplacement 1 comprend une unité 33 configurée pour empêcher un mouvement relatif des plaques 2 et 3, l'une par rapport à l'autre autour de la direction Z. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 5, l'unité 33 comprend une biellette 34 qui est liée, de façon articulée, par une 20 première extrémité 35, à la surface inférieure 3A (figure 1) d'une partie de plaque 8A de la plaque 3 au niveau de son extrémité rad ialement externe. L'extrémité 35 de la biellette est articulée à la plaque 3 en présentant une liberté de rotation autour d'un axe L1 parallèle à la direction Z (figures 1 et 5). 25 De plus, la biellette 34 est liée, de façon articulée, par son autre extrémité 36 à un bloc de support 37 fixé sur la face supérieure 2A de la plaque 2. L'extrémité 36 de la biellette 34 est articulée à la plaque 2 en présentant une liberté de rotation autour d'un axe L2 parallèle au plan XY 3033932 10 (figures 1 et 2). L'axe L2 peut correspondre à la bissectrice de l'angle formé par les sens -x et +y des directions X et Y. La biellette 34 peut comporter, en outre, des ressorts de rattrapage de jeu. 5 Grâce aux articulations prévues, la biellette 34 n'empêche pas le déplacement relatif selon Z et les courses selon OX et OY, mais il réalise un blocage en rotation autour de l'axe Z (de la plaque 3 par rapport à la plaque 2). Les trois fonctions de guidage vertical (le long de l'axe Z), de 10 guidage en rotation autour des axes X et Y et de blocage en rotation autour de l'axe Z, sont mises en oeuvre par trois unités 4, 5 et 33 indépendantes. L'indépendance de ces fonctions permet, selon l'application considérée, une optimisation de différents paramètres, tels que la masse du système, l'encombrement, l'amplitude des rotations et de 15 la translation, les raideurs nécessaires, ... L'unité 33 peut être réalisée de différentes manières. A titre d'illustration, ladite unité 33 peut comprendre l'un des ensembles suivants : - une biellette, telle que la biellette 34 ; 20 - un ensemble guidage, par exemple avec un galet sur une piste verticale. Au lieu de comporter par exemple une très large plaque de découplage vertical, le système de déplacement 1 comprend un axe central en Z et un petite plaque 3 flexible en OX et OY, mais raide en XY et OZ. 25 Par ailleurs, dans un second mode de réalisation particulier, le système de déplacement 1 comprend une unité (non représentée) configurée pour autoriser un mouvement autour de la direction Z. Cette unité peut également être réalisée de différentes manières. A titre d'illustration, cette unité comprend l'un des ensembles suivants : 3033932 11 - un vérin de type électrique ou piézoélectrique, qui est intégré dans une biellette conformée de façon appropriée. Cette biellette peut être articulée aux plaques 2 et 3 comme la biellette 34 ; - un ou plusieurs moteurs linéaires tangentiels. 5 Dans ce second mode de réalisation, on est en mesure de contrôler la rotation de la plaque 3 par rapport à la plaque 2 autour de l'axe Z à l'aide de l'unité précitée qui est commandable. A titre d'illustration, le système de déplacement 1 peut être intégré dans une machine de positionnement pour un découplage des 10 mouvements Z et OZ d'une base de mouvements XY pour l'alignement de plaques de semi-conducteur (wafers), de substrats ou de circuits imprimés, et une fonction d'ajustement en Z pour une focalisation ou une adaptation à des plaques de semi-conducteur, des substrats, ou des circuits imprimés de plusieurs épaisseurs. 15 Dans une application préférée : - la plaque 2 est réalisée en aluminium ; - la plaque 3 est réalisée en aluminium ; - la plaque 2 présente une épaisseur de 12 à 20 mm ; - la plaque 3 présente une épaisseur de 20 à 25 mm ; 20 - la plaque 3 est inscrite dans un cercle de rayon compris entre 400 et 700 mm. De plus, dans une application préférée, le système de déplacement 1 permet : - un déplacement selon la direction Z de longueur comprise entre 4 et 10 25 mm ; - une rotation autour de la direction X d'angle compris entre 1° et 2° ; - une rotation autour de la direction Y d'angle compris entre 1° et 2° ; et - dans le second mode de réalisation, une rotation autour de la direction Z d'angle compris entre 1° et 5°. REVENDICATIONS1. Système de déplacement relatif entre deux plaques (2,3) sensiblement parallèles à un plan XY défini par une direction dite X et une direction dite Y, caractérisé en ce qu'il comprend une première unité (4) configurée pour autoriser un déplacement relatif entre les deux plaques (2, 3) selon une direction dite Z, qui est orthogonale au plan XY, et empêcher de façon indépendante un déplacement relatif entre les deux plaques (2, 3) dans le plan XY, et une deuxième unité (5) configurée pour autoriser des courses relatives d'une plaque (3) par rapport à l'autre plaque (2) autour des directions X et Y. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première unité (4) comprend l'un des ensembles suivants : - un ensemble comprenant au moins deux douilles à billes à un ou deux degrés de liberté ; - un ensemble comprenant au moins une douille à air ; - un ensemble de bagues de guidage ; et - un ensemble de rails à billes ou à galets. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la deuxième unité (5) comprend l'un des ensembles suivants : - une lame de découplage ; - une pièce mécanique de découplage ; - un cardan mécanique. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième unité (33) configurée pour empêcher un mouvement des plaques autour de la direction Z. 3033932 13 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la troisième unité (33) comprend l'un des ensembles suivants : - une biellette ; 5 - un ensemble de guidage. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une quatrième unité configurée pour autoriser un mouvement autour de la direction Z. 7. Système selon la revendication 6, 10 caractérisé en ce que la quatrième unité comprend l'un des ensembles suivants : - un vérin intégré dans une biellette ; - au moins un moteur linéaire tangentiel. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 4 à 7, 15 caractérisé en ce que la première unité (4) comprend un support (12) fixé sur l'une (2) desdites plaques (2, 3), le support (12) étant pourvu d'un évidement interne cylindrique (13) d'axe parallèle à la direction Z, à l'intérieur duquel sont montées de façon coaxiale des douilles à billes (10, 11), l'autre (3) desdites plaques (2, 3) étant liée à une extrémité d'un 20 cylindre plein (19) traversant les douilles à billes (10, 11). 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 4 à 8, caractérisé en ce que la seconde unité (5) comprend un ensemble (22) de lame de découplage, comportant une structure annulaire externe (23) qui est fixée à l'une (3) desdites plaques (2, 3), l'ensemble (22) de lame de 25 découplage comprenant un disque (25) pourvu d'une pluralité de lames (26A, 26B, 26C, 26D) flexibles, avec une fixation centrale (28) par rapport à l'autre (2) desdites plaques (2, 3). 10. Dispositif de positionnement, 3033932 14 caractérisé en ce qu'il comporte un système (1) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 9.